Perché studiare la chimica dei minerali? I minerali sono fatti di atomi, che hanno un impatto sul comportamento e sulle caratteristiche del minerale. Quindi, per capire, spiegare e prevedere il comportamento dei minerali e delle rocce—che sono fatti di minerali—dobbiamo capire alcuni fatti di base sugli atomi e su come si comportano. Ciò richiede una comprensione di base di alcune sostanze chimiche. Inizieremo costruendo atomi nel nostro pensiero in termini di tre particelle subatomiche di cui gli atomi sono fatti.,
Atomi
Figura 1. Gli elementi, come l’elio, qui raffigurati, sono costituiti da atomi. Gli atomi sono costituiti da protoni e neutroni situati all’interno del nucleo, con elettroni negli orbitali che circondano il nucleo.
Gli atomi sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. I protoni hanno una carica elettrica positiva ( + ). Gli elettroni hanno una carica negativa (−) che è esattamente uguale e opposta alla carica elettrica di un protone. I neutroni sono elettricamente neutri.
La maggior parte della massa di un atomo è racchiusa nel suo piccolo nucleo., Un nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni, che hanno approssimativamente la stessa massa (circa 1,67 × 10-24 grammi). Gli elettroni, d’altra parte, sono disposti in orbitali specifici attorno al nucleo di un atomo; sono anche molto più piccoli in massa di protoni e neutroni, pesando solo 9,11 × 10-28 grammi, o circa 1/1800 il peso di protoni e neutroni.
Anche se la massa di un elettrone è una piccola massa rispetto alla massa di un protone o di un neutrone, gli elettroni occupano la maggior parte del volume di un atomo (vedi Figura 1).,
Ioni
Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni come fa protoni. Un atomo che ha perso o guadagnato elettroni non è più un atomo elettricamente neutro. Quel tipo di atomo, che non è elettricamente neutro e ha una carica elettrica ad esso associata, è chiamato ion. Gli atomi che hanno guadagnato elettroni sono ioni caricati negativamente ( − ) o anioni. Gli atomi che hanno perso elettroni sono ioni caricati positivamente ( + ) o cationi.
È anche possibile avere ioni che sono in realtà piccoli gruppi di atomi legati insieme. Questi sono noti come ioni poliatomici., Un esempio di uno ion poliatomico è lo carbonate carbonato, (CO3) 2−, che ha due elettroni in più, dandogli la carica elettrica netta di 2−.
Formule chimiche
Abbiamo appena visto che uno carbonate carbonato può anche essere chiamato (CO3)2−. Ma cosa significa esattamente questo?
Per prima cosa diamo un’occhiata alle lettere: CO. Gli atomi hanno simboli chimici; ad ogni elemento sono state assegnate una o due lettere per rappresentarlo. Quindi, C sta per carbonio e O sta per ossigeno (tutti questi simboli chimici possono essere visti nella tavola periodica nella figura 2 sotto).,
Come abbiamo letto sopra, il 2-significa che lo ion ha due elettroni in più. Ma per quanto riguarda il 3? Ciò significa che ci sono tre atomi di ossigeno nello ion. Il numero di atomi in una particolare formula è sempre annotato in pedice. La carica è sempre scritta in apice alla fine della formula (un apice all’inizio della formula significa qualcos’altro—arriveremo a questo quando discuteremo gli isotopi sotto). Le parentesi attorno alla CO3 indicano che la carica appartiene all’intera unità poliatomica piuttosto che solo all’O3.,
Quindi lo carbonate carbonato è un atomo di carbonio (C), tre atomi di ossigeno (O3) e due elettroni extra (2−), che caricano l’intero ion poliatomico.
La Tavola periodica
Gli atomi presenti in natura nella terra vanno dall’idrogeno, con un solo protone nel suo nucleo, all’uranio, con 92 protoni nel suo nucleo. Questi sono gli elementi chimici naturali, che include tali elementi comunemente noti come carbonio, ossigeno, ferro e così via., La tavola periodica elenca tutti gli elementi chimici in un modo che ci dice quanti protoni ciascuno di essi ha, come sono disposti i suoi elettroni e quale sia il comportamento chimico generale di ciascun elemento.
Figura 2. Segui questo link per una versione grande della Tavola periodica. Il link si aprirà in una nuova finestra in modo da poter facilmente fare riferimento ad esso come si legge attraverso questa pagina.
Come mostrato in Figura 2, la tavola periodica è composta da diciotto gruppi e sette periodi., Due file aggiuntive di elementi, noti come lantanidi e attinidi, sono posizionate sotto la tabella principale. Questi elementi sono posizionati separatamente per rendere il tavolo più compatto. Tutti gli elementi di un gruppo hanno un comportamento chimico simile. Questo perché tutti gli elementi di un gruppo hanno una disposizione simile di elettroni nei loro atomi, ed è la disposizione degli elettroni che determina il comportamento chimico di un elemento.
Per ogni elemento vengono forniti il nome, il simbolo atomico, il numero atomico e la massa atomica., Il numero atomico è un numero intero che rappresenta il numero di protoni: ogni elemento chimico si distingue per il numero di protoni nel suo nucleo. Ad esempio, ogni atomo dell’elemento ossigeno ha otto protoni nel suo nucleo. Ecco perché il numero atomico di ossigeno è 8. Se un atomo ha più o meno di otto protoni nel suo nucleo, non è ossigeno, è qualche altro elemento chimico. Nella tavola periodica, il numero atomico di ciascun elemento è elencato sopra il simbolo chimico dell’elemento.,
La massa atomica, che è la massa media di diversi isotopi, è stimata in due cifre decimali. Ad esempio, l’idrogeno ha il simbolo atomico H, il numero atomico 1 e una massa atomica di 1,01. La massa atomica è sempre più grande del numero atomico. Per la maggior parte dei piccoli elementi, la massa atomica è circa il doppio del numero atomico, poiché il numero di protoni e neutroni è circa uguale.
Gli elementi sono divisi in tre categorie: metalli, non metalli e metalloidi. Questi formano una linea diagonale dal periodo due, gruppo tredici al periodo sette, gruppo sedici., Tutti gli elementi a sinistra dei metalloidi sono metalli e tutti gli elementi a destra sono non metalli.
La tavola periodica è stata creata per aiutare i chimici a comprendere meglio gli elementi e come funzionano. È una mappa del comportamento elementale.
Isotopi
Ogni atomo di un elemento specifico deve avere lo stesso numero di protoni nel suo nucleo. Questo numero è il suo numero atomico. Tuttavia, c’è una gamma di possibili numeri di neutroni che può avere nel suo nucleo., Il fatto che gli atomi di un elemento chimico possono avere diversi numeri di neutroni risultati in ogni elemento chimico avente diversi isotopi. Gli isotopi sono atomi di un dato elemento chimico che hanno un numero diverso di neutroni nei loro nuclei.
Ad esempio, mentre tutti gli atomi dell’elemento ossigeno hanno otto protoni nei loro nuclei, quegli atomi di ossigeno possono avere otto, nove o dieci neutroni. Il diverso numero di neutroni nel nucleo distingue i tre isotopi dell’ossigeno. L’ossigeno-16 è l’isotopo dell’ossigeno con 8 neutroni nel suo nucleo., Il numero 16 è chiamato il numero di massa atomica. Il numero di massa atomica è il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo di un isotopo. Da questa definizione, e sapendo che tutti gli atomi di ossigeno hanno 8 protoni nel nucleo, si può dedurre che l’ossigeno-17 è l’isotopo dell’ossigeno con 9 neutroni e l’ossigeno-18 è l’isotopo dell’ossigeno con 10 neutroni. Abbreviati in simboli, i tre isotopi dell’ossigeno sono scritti come 16O, 17O e 18O.,
Isotopi non sono molto importanti per la comprensione dei minerali, ma sono importanti per capire come applicare la chimica e la fisica nucleare, la geologia, come ad esempio l’uso misure di isotopi radioattivi per misurare l’età delle rocce e dei minerali come utilizzare gli isotopi di ossigeno da strati di ghiaccio per determinare ciò che la temperatura della terra è stato durante l’era glaciale.
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