Vi siete mai chiesti perché uno specchio restituisce la nostra immagine riflessa? Si tratta di una tipica propietà dei metalli che noi indichiamo col termine di “lucentezza”.
La tavola periodica
La tavola periodica è, ormai, nota a tutti. Tuttavia, una cosa è sapere che esiste una “tabella” in cui sono riportate le proprietà fondamentali di tutti gli elementi chimici noti, altra è conoscere i dettagli di queste proprietà tra cui va certamente annoverata la lucentezza dei metalli.
Avete sicuramente maneggiato i fogli di alluminio come quello mostrato in Figura 1A. Si usano, per esempio, per conservare gli alimenti (Figura 1B), cucinare (Figura 1C) o applicare la tintura per capelli (Figura 1D).
Come potete vedere si tratta di un materiale caratterizzato da una certa lucentezza, ovvero dalla capacità di riflettere la luce. Come l’alluminio, anche gli altri metalli della tavola periodica (tutti quelli colorati in verde nella Figura 2) hanno la medesima caratteristica.
A cosa è dovuta la lucentezza?
Per poterlo spiegare dobbiamo innanzitutto comprendere come è fatto un atomo.
Struttura dell’atomo
È ben noto che un atomo è costituito da un nucleo, contenente protoni e neutroni, e da elettroni. Questi ultimi si muovono attorno al nucleo formando una nuvola generalmente indicata come “nuvola elettronica” (Figura 3).
La nuvola elettronica è piuttosto complessa. Gli elettroni non possono semplicemente “ammucchiarsi” e stare tutti assieme. A coppie di due, essi si devono disporre a distanze differenti dal nucleo e devono occupare degli spazi la cui forma geometrica è variabile. La Figura 4 mostra proprio la forma di questi spazi occupati dagli elettroni e che chiamiamo “orbitali”.
Gli orbitali di valenza
Quando combiniamo più atomi assieme per formare un sistema multiatomico complesso, in realtà stiamo combinando le varie nuvole elettroniche ognuna fatta dall’insieme di orbitali descritti in Figura 4. In genere, per comodità, quando si descrive l’interazione tra atomi in un sistema multiatomico, si trascura il contributo alla interazione da parte degli elettroni che sono più vicini al nucleo, ovvero degli elettroni che occupano la parte più interna della complessa nuvola elettronica summenzionata. Il motivo per cui viene trascurato questo contributo è intuitivo. Immaginate ogni orbitale come se (*) fosse un palloncino. La nuvola elettronica può essere pensata come se fosse un inviluppo di palloncini la cui rigidità diminuisce man mano che aumentano le sue dimensioni, ovvero man mano che gli elettroni si allontanano dal nucleo. Il palloncino che ospita gli elettroni più lontani dal nucleo (chiamato anche orbitale di valenza) è quello più facilmente deformabile (il termine tecnico è “polarizzabile”). La deformabilità dei palloncini più esterni consente la loro migliore interazione per la formazione del legame chimico.
I legami nei metalli
Quando si raggruppa un insieme di atomi di un qualsiasi metallo della tavola periodica (come nel caso del foglio di alluminio di Figura 1), si può pensare che si formi un sistema come quello descritto in Figura 5.
In altre parole, si può pensare che gli orbitali di valenza dei singoli atomi perdano la loro identità e si combinino (grazie alla loro elevata capacità di “deformarsi”) in modo da formare un unico “contenitore” in cui si muovono tutti gli elettroni di valenza. Questo vuol dire che gli elettroni dei palloncini più esterni non appartengono più ad un singolo specifico atomo, ma diventano elettroni dell’insieme di atomi. Immaginiamo, quindi, che i nuclei (in Figura 5 indicati con pallini gialli) siano immersi in un mare di elettroni (in Figura 5 indicati con pallini azzurri).
A questo punto mi si potrebbe dire che con questa descrizione io stia violando i principi più elementari della meccanica quantistica. Infatti, poco sopra ho scritto che gli elettroni non possono ammucchiarsi, ma devono occupare, a coppie, spazi dalle forme ben precise e disporsi ad una distanza ben definita dal nucleo. Al contrario ora io sto scrivendo che si è formato un “mare elettronico” in cui tutti gli elettroni sembrano essere tutti assieme appassionatamente. Volendo essere un po’ più precisi, possiamo dire che quando le nuvole elettroniche di valenza si combinano per formare il “mare elettronico”, si realizzano, in realtà, bande energetiche differenti molto vicine tra di loro in cui gli elettroni possono “entrare” ed “uscire” mediante acquisizione o rilascio di una minima quantità di energia.
La lucentezza dei metalli
Quando una radiazione elettromagnetica (ovvero un raggio di luce) colpisce la superficie di una lamina metallica, gli elettroni si muovono da una banda energetica all’altra passando da uno stato fondamentale ad uno eccitato. Nel momento in cui gli elettroni tornano allo stato fondamentale, emettono dei fotoni alla stessa lunghezza d’onda della luce incidente con la conseguenza che viene restituito il riflesso dell’immagine che ha emesso la radiazione luminosa.
Note ed approfondimenti
(*) la locuzione “come se” viene spesso usata dai chimici per fare delle analogie tra il mondo chimico e quello quotidiano. In altre parole, nel delucidare i modelli chimici e chimico-fisici, il “come se” viene usato per generare immagini mentali che, pur non essendo corrette, consentono la comprensione qualitativa dell’argomento di cui si discute. Gli orbitali NON sono palloncini, ma li immaginiamo come tali per comodità; un elemento chimico, una molecola NON sono sferici, ma le descriviamo come tali perché conosciamo tutto di una sfera ed è più semplice definirne il comportamento sotto l’aspetto qualitativo. Quando però dobbiamo applicare la matematica per la descrizione quantitativa del modello, non possiamo più usare le immagini mentali che abbiamo generato col “come se” e dobbiamo fare delle astrazioni che, per i non addetti ai lavori, risultano poco chiare o del tutto incomprensibili. Per comprendere le astrazioni dobbiamo passare dalla divulgazione scientifica al tecnicismo scientifico che può essere appreso solo attraverso uno studio specifico e settoriale.
Il binario 9 e ¾ ovvero del perché non possiamo attraversare i muri come Harry Potter
Orbitali atomici ed ibridazione
Una lezione di Rai Scienza sul legame metallico
E’ una delle trattazioni più succinte e accessibili, ma nello stesso tempo chiare e complete, che ho letto sull’argomento. Grazie mille. Ho una domanda, che, essendo io un profano dell’argomento, magari è molto mal posta. Riguarda come ci apparirebbe un elettrone se potessimo osservarlo poco lontano dal suo orbitale.
Da quel che ho capito della meccanica quantistica, l’elettrone si palesa come materia in una determinata posizione solo nel momento in cui interagisce con altri quanti. Di questa eventualità noi possiamo solo calcolarne la probabilità che accada. Data l’incredibile velocità con cui viaggia, è possibile che il numero di interazioni che subisce sia tale che al nostro occhio apparirebbe da tutte le parti e quindi formare una sorta di pellicola corrispondente al suo orbitale? E quindi che la sua nuvola elettronica effettivamente apparirebbe come una nuvola, perché non riusciremmo a percepirne la sua natura puntiforme?
Innanzitutto, grazie. La domanda non è mal posta. Sono io che non so rispondere. Qualsiasi risposta io dia, farebbe uso di un modello che non terrebbe in alcun conto delle proprietà degli elettroni. Facendo come Alice nel paese delle meraviglie, se io mi riducessi alle dimensioni di un elettrone ed entrassi nello spazio occupato dallo stesso, immagino che non vedrei nulla. Questo perché anche io sarei diventato un elettrone e mi propagherei nello spazio sotto forma di onda. Se, invece, fossi delle dimensioni di un nucleo, immagino, allo stesso modo, di non vedere nulla. Un po’ come quando osserviamo il cielo. Non vediamo nulla, ma sappiamo che esiste qualcosa tra i nostri occhi e la Luna perché ne vediamo gli effetti per esempio col caldo o con il colore azzurro del cielo o con la diffrazione della luce. Allo stesso modo, se io fossi un elettrone in un orbitale, non vedrei il mio “compagno” di viaggio, ma ne avvertirei la presenza attraverso il mio spin. Se io fossi un nucleo, non vedrei l’elettrone ma ne avvertirei la presenza attraverso la carica nucleare che mi contraddistingue. Non so se ho risposto alla domanda, ma questo è ciò che penso in merito
Grazie mille della risposta, gentilissimo. Approfitto ancora di lei, se posso. Quanto ha scritto, infatti, mi ha portato a spostarmi dal cercare di capire matericamente dove si trova l’elettrone a riflettere sull’emissione di fotoni da parte dello stesso.
Il fotone, infatti, potrebbe essere effettivamente recepito da un “occhio” estremamente sensibile e nello stesso tempo “tradirebbe” la presenza dell’elettrone. La mia immaginazione mi porta a pensare che, osservando un atomo illuminato dalla luce solare e settando l’occhio sulle frequenze elettromagnetiche del suo spettro di assorbimento/emissione, potrei vedere un’incredibile quantità di “scintille fotoniche” concomitanti con l’emissione dei fotoni da parte degli elettroni. M’immagino che, sempre a un occhio estremamente sensibile, gli orbitali in cui gli elettroni si spostano per assorbimento di un fotone, potrebbero apparire come brillanti nuvole colorate, formate dalle miriadi di scintille che si producono nel momento in cui gli elettroni emettono il fotone acquisito e tornano nell’obitale sottostante. Da questo ragionamento, tra l’altro, potrebbero essere visti solo alcuni orbitali.
Il mio sforzo immaginativo possiede un minimo di plausibilità? Grazie!
Intanto grazie per le domande che mi stimolano a pensare a come spiegare meglio la chimica. Parto dall’ultimo rigo del suo commento: “il mio sforzo immaginativo possiede un minimo di plausibilità?”
La risposta è no. Ma semplicemente perché le sue parole stanno solo cercando di semplificare una realtà complessa, non perché il suo sforzo sia inutile. Anzi. Lei sta usando l’approccio chimico che uso io, ovvero cercare di trasformare in immagini quelle che sono le informazioni in merito alla realtà microscopica. Detto questo, e fatti salvi i bilanci di massa ed energia, non ha detto cose sbagliate. Nel senso che se io mi proiettassi in una dimensione microscopica dell’ordine della costante di Planck, ed immaginassi il sole come una lampada da cui scaturisse una luce di cui potessi modulare la frequenza, avrei sicuramente quello che dice lei. In altre parole, ogni elemento della tavola periodica emetterebbe/assorbirebbe fotoni per quella specifica frequenza selezionata. Se volessimo attribuire un colore alla luce emessa/assorbita, allora potremmo parlare di un arcobaleno quantistico. Naturalmente, tenga conto che sto semplificando e che non esiste alcun arcobaleno quantistico colorato. Ciò che si fa in laboratorio quando vogliamo analizzare un elemento della tavola periodica è la spettroscopia per assorbimento/emissione atomica. In altre parole, seleziono la lunghezza d’onda/frequenza della luce che utilizzo su quella tipica dell’elemento di cui voglio conoscere la quantità. So già che elemento voglio vedere altrimenti non potrei modulare la radiazione luminosa incidente alla frequenza desiderata. L’intensità della luce emessa rispetto a quella incidente è proporzionale alla concentrazione di quell’elemento. Come vede, la sua “fantasia”, pur descrivendo un modello che non esiste ha un riscontro analitico reale ed ampiamente utilizzato.
Rileggendo questa risposta mi rendo conto di essere stato un po’ ermetico. Se c’è qualcosa di non chiaro, per favore, mi faccia sapere
Bravo, mi hai fatto tornare ragazzo di Liceo Scientifico quando un professore di scienze mi parlò della chimica (valenze,struttura atomica, reazioni inorganiche o di ossido-riduzione) con le tue stesse immagini e rimasi affascinato….così volli approfondire e scelsi di laurearmi in chimica fisica. Sei un bravo divulgatore.
Grazie. Gentilissimo 🙂