Il numero atomico è il numero di protoni – particelle cariche positivamente – nel nucleo di un atomo di un elemento chimico. Gli elementi si distinguono l’uno dall’altro per il numero di queste particelle che hanno, e quindi ogni elemento ha il suo numero atomico unico. Le proprietà chimiche di un elemento sono determinate dal suo numero di elettroni, ma in un atomo neutro è uguale al numero di protoni. Gli atomi possono, tuttavia, acquistare o perdere elettroni per formare ioni con carica negativa o positiva, quindi il numero atomico è definito come il numero di protoni, poiché questo è sempre lo stesso per un dato elemento.
Numero atomico, numero di massa e peso atomico
È possibile confondere questi valori, ma sono abbastanza distinti l’uno dall’altro. Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni carichi positivamente e neutroni elettricamente neutri, con elettroni che orbitano a una certa distanza. Protoni e neutroni sono relativamente pesanti e di peso simile, ma gli elettroni sono molto più leggeri e contribuiscono molto poco al peso di un atomo. Il numero di massa di un atomo è il numero di protoni più il numero di neutroni ed è quasi uguale al peso dell’atomo.
Il numero di neutroni in un elemento può variare. Le forme di un elemento con un diverso numero di neutroni sono note come isotopi. Ad esempio, la forma più comune di idrogeno ha un protone e nessun neutrone, ma esistono altri due isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, rispettivamente con uno e due neutroni. Gli elementi naturali sono spesso miscele di diversi isotopi. Il carbonio è un altro esempio, costituito da isotopi con numero di massa 12, 13 e 14. Questi hanno tutti sei protoni, ma hanno rispettivamente sei, sette e otto neutroni.
Sebbene i chimici del XIX secolo avessero stabilito buone approssimazioni dei pesi atomici degli elementi noti, i calcoli precisi non sono sempre semplici, a causa della presenza di diversi isotopi in proporzioni variabili. Spesso, il peso atomico è determinato come media, in base all’abbondanza relativa di isotopi. Poiché alcuni isotopi sono instabili, cambiando nel tempo in altri elementi, i pesi atomici possono variare e possono essere rappresentati come un intervallo, piuttosto che un singolo valore. Gli isotopi sono generalmente rappresentati con il numero atomico in basso a sinistra del simbolo chimico e il numero di massa, o peso atomico approssimativo, in alto a destra. Ad esempio il carbonio 19 verrebbe mostrato come 13C6.
La tavola periodica
Negli anni Sessanta dell’Ottocento, il chimico russo Dimitri Mendeleev lavorò su una tabella degli elementi conosciuti a quel tempo, elencandoli inizialmente in ordine di peso atomico e disponendoli in righe che raggruppavano elementi con proprietà chimiche simili. Era stato precedentemente notato da altri chimici che le proprietà degli elementi, ordinati per peso, tendevano a ripetersi ad intervalli più o meno regolari. Ad esempio, litio, sodio e potassio sono tutti metalli reattivi che si combinano con i non metalli in modi simili, mentre elio, neon e argon sono tutti gas completamente non reattivi. Per questo motivo, l’elenco di Mendeleev divenne noto come tavola periodica.
La prima bozza di Mendeleev ha funzionato bene, ma c’erano alcune incongruenze. Ad esempio, elencato in ordine di peso, lo iodio veniva prima del tellurio. Il problema era che questo raggruppava lo iodio con ossigeno, zolfo e selenio e il tellurio con fluoro, cloro e bromo. Secondo le loro proprietà chimiche, avrebbe dovuto essere il contrario, quindi prima di pubblicare la sua tabella nel 1869, Mendeleev ha semplicemente scambiato questi elementi. Fu solo all’inizio del XX secolo, tuttavia, che fu rivelata la ragione di queste incongruenze.
Nel 1913, il fisico HGJ Moseley stabilì una relazione tra le lunghezze d’onda dei raggi X prodotti da diversi elementi e la loro sequenza nella tavola periodica. Quando la struttura dell’atomo fu rivelata da altri esperimenti in quel periodo, divenne chiaro che questa relazione dipendeva dal numero di protoni nel nucleo di un elemento, in altre parole, dal suo numero atomico. La tavola periodica potrebbe quindi essere ordinata da questo numero, ponendo le proprietà chimiche osservate degli elementi su una solida base teorica. Le occasionali incongruenze nella tabella originale erano dovute al fatto che le variazioni nel numero di neutroni potevano a volte risultare in un elemento con un peso atomico maggiore di un altro elemento con un numero atomico più alto.
La moderna tavola periodica mostra gli elementi in riquadri disposti in righe e colonne, con numero atomico ascendente lungo ogni riga. Ogni colonna raggruppa elementi con proprietà chimiche simili. Le colonne sono determinate dal numero e dalla disposizione degli elettroni negli atomi, che a sua volta è determinata dal numero di protoni. Ogni casella normalmente contiene il simbolo chimico dell’elemento, con il numero atomico sopra.