La struttura della materia - Gli atomi e le molecole

Le correnti di pensiero tramante dall'antichità ebbero comunque notevole importanza, sia abituando al ragionamento e a trarre deduzioni dalle osservazioni effettuate, sia mantenendo vivo il concetto di atomo, che con la teoria elaborata da John Dalton (1766 - 1844) e gli sviluppi seguenti sfociò nella concezione atomistica moderna.  

Gli atomi e le molecole

Dalton partì dalle osservazioni sperimentali dei francesi Antoinr - Laurent Lavoisier e Joseph - Louis Proust sulle trasformazioni (o, nel linguaggio chimico, "reazioni") chimiche. Lavoisier dedusse la legge di conservazione della massa, dimostrando sperimentalmente che:

Durante le reazioni chimiche, la materia non può venire né distrutta né creata.

Ciò significa che, se sottoponiamo a una trasformazione chimica una certa massa totale di sostanze (reagenti), la massa totale dei prodotti resterà la stessa.

Proust dimostrò che:

In una data sostanza gli elementi componenti si trovano sempre in un rapporto di massa costante e definito.

enunciando così la legge delle proporzioni definite.

In pratica, se un grammo di un certo elemento A si combina con 2 grammi di un altro elemento B per formare 3 grammi di un certo composto, cambiano le quantità in gioco sarà rispettato sempre tale rapporto: quindi 5 grammi di A si combineranno con 10 grammi di B, 8 grammi di A 16 grammi di B, e così via.

Già questo sembrerebbe sufficiente per avvalorare la teoria atomistica, perché si potrebbero pensare che gli "atomi" dell'elemento B abbiano una massa doppia di quelli dell'elemento A e quindi, legandosi fra loro i due diversi tipi di atomi in proporzione 1 : 1, dovremo avere sempre una massa doppia di B rispetto ad A per formare quel certo composto.

Proporzioni variabili

Il problema sorge dal momento che spesso un dato elemento A si combina con un elemento B secondo due o più proporzioni diverse, per formare composti diversi.

Per esempio, supponiamo che un grammo di A possa combinarsi:

Con 2grammi di B per formare un certo composto che chiameremo AB₁

Con 4grammi di B, per formare un composto diverso, che potremo chiamare AB ₂.

nel formare il secondo, l'anidride carbonica, 1,00grammi di carbonio si combinano con 2,66grammi di ossigeno.

Questi dati possano essere interpretati ipotizzando:

che l'atomo di ossigeno pesi 1,33 volte quello di carbonio:

che nel monossido di carbonio ogni atomo di carbonio si leghi con un solo atomo di ossigeno

che nell'anidride carbonica ogni atomo di carbonio si leghi con due atomi di ossigeno.

Il cloro forma con l'ossigeno quattro composti diversi; vediamo con quali quantità di ossigeno si combina 1grammo di cloro nei vari composti:

Possiamo verificare che le quantità di ossigeno che si legano con un grammo di cloro nel secondo, terzo e quarto composto sono esattamente 3,5,7 volte quella che si lega nel primo composto.

Questi dati si possano interpretare supponendo che nel primo composto si leghi un atomo di ossigeno e negli altri, rispettivamente, 3,5,7.

Dalton ebbe il merito di effettuare una serie rigorosa di verifiche sperimentali, confrontando i rapporti di combinazione di vari elementi in composti diversi e, in base ai risultati ottenuti, enuncio la legge delle proporzioni multiple:

Se due elementi formano più composti, le masse di uno dei due elementi che si combinano con una stessa massa dell'altro stanno in rapporto tra loro secondo numeri interi e piccoli.

Questo dimostra, secondo Dalton, che gli atomi reagiscano come entità intere, non suddivisibili.

Molecola

Si definisce molecola (dal latino scientifico "molecula", derivato a sua volta da "moles": mole, "piccola quantità") la più piccola unità strutturale di un composto chimico non ionico che può esistere allo stato libero e che ne mantiene le medesime proprietà chimiche. Può essere monoatomica, cioè costituita da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili elio, argon, xeno, neon), o poliatomica, cioè costituita da più atomi, uguali o diversi.

Una molecola poliatomica è elettricamente neutra ed è formata da atomi uniti da legami chimici; a causa di ciò, i rapporti tra i numeri degli atomi degli elementi che la costituiscono sono espressi da numeri interi. La formula bruta di un composto molecolare altro non è che l'elenco degli elementi che formano la molecola e dell'abbondanza relativa di ognuno di essi. Molecole costituite dagli stessi atomi, ma arrangiati nello spazio in maniera diversa sono dette isomeri.

La forma di una molecola, ossia le lunghezze dei legami tra un atomo e l'altro, l'angolo formato da due legami appartenenti allo stesso atomo ed, in generale, la disposizione della molecola nello spazio, sono regolate dalle leggi della meccanica quantistica.
Dalla struttura della molecola dipendono la reattività della molecola stessa e le proprietà fisiche della sostanza.