• i legami chimici
• la tavola periodica degli elementi
• gli stati della materia

Quali sono i mattoni fondamentali della materia che forma il nostro Pianeta?
Sono gli stessi che formano anche il nostro corpo?

Queste due domande ci fanno già capire quale ruolo basilare svolge la chimica nel nostro corso di studi.
Conoscere la struttura della materia e alcuni suoi comportamenti ci sarà utile durante lo studio delle Scienze della Terra e della Biologia.

Ricordiamo, prima di cominciare qualsiasi discorso a riguardo, cosa si intende per materia:
"La materia è tutto ciò che occupa un volume e possiede una massa"

Cominciamo a rispondere alla prima domanda: "Quali sono i mattoni fondamentali della materia che forma il nostro Pianeta?".
Questi mattoni sono circa una novantina e si chiamano elementi! Ogni elemento chimico ha certe caratteristiche e proprietà che lo rendono diverso da tutti gli altri elementi. Un elemento chimico raramente si trova libero in natura, più facilmente lo si trova legato ad altri elementi per formare dei composti chimici più stabili.

Un elemento è costituito da particelle elementari chiamate atomi: un atomo è la più piccola parte in cui può essere suddiviso un elemento senza che questo perda le proprie caratteristiche.
A sua volta un atomo è costituito da particelle sub-atomiche, che si riuniscono in numero caratteristico per ogni elemento. Le particelle sub-atomiche sono tre: protoni, neutroni ed elettroni.
I protoni hanno carica elettrica positiva e si trovano nel nucleo insieme ai neutroni che non hanno carica elettrica. Protoni e neutroni hanno circa la stessa massa. Quindi nel nucleo sono radunati protoni e neutroni.

Tabella riassuntiva delle caratteristiche delle particelle sub-atomiche

Esternamente al nucleo orbitano gli elettroni, particelle che hanno una massa 1800 volte più piccola di quella di un protone, dotate di carica elettrica negativa. Gli elettroni si muovono attorno al nucleo in regioni dello spazio chiamate livelli energetici, a loro volta suddivisi in diversi orbitali. Ogni livello energetico può contenere un numero limite di elettroni e da un punto di vista della reattività chimica di un elemento saranno importanti solo gli elettroni presenti nel livello energetico più esterno.
Gli elettroni occupano sempre gli orbitali a minor energia disponibile.

Elettroni presenti nei diversi livelli energetici

I diversi livelli sono caratterizzati da livelli energetici crescenti e ogni volta che un atomo assorbe abbastanza energia può portare un elettrone ad un livello energetico superiore, per poi rilasciarla quando torna al suo livello originario.

Vediamo come si distribuiscono elettroni, protoni e neutroni in alcuni elementi molto semplici.

L'atomo di idrogeno è il più piccolo tra quelli esistenti; è costituito da un protone nel nucleo e da un elettrone che gli ruota intorno.
Esistono però altri due varianti dell'atomo di idrogeno, in quanto il numero di neutroni presenti nel nucleo può variare; in questo caso cambia il volume e il peso dell'atomo, ma non le sue proprietà chimiche (ha sempre un elettrone nel livello più esterno). Se nel nucleo è presente anche un neutrone abbiamo il deuterio, mentre se i neutroni sono due allora avremo il trizio.
In generale, atomi dello stesso elemento che presentano un numero diverso di neutroni si dicono isotopi.

Tabella riassuntiva degli isotopi dell'atomo di idrogeno

Come si vede chiaramente sia protoni che elettroni (le particelle che distinguono l'elemento) sono presenti in numero costante.

Nella tavola periodica degli elementi l'idrogeno ha il numero 1 (cioè ha un protone).
Prendiamo l'elemento numero 8, l'ossigeno. Avendo già detto che il numero di neutroni può variare interessiamoci solo delle altre particelle sub-atomiche.
L'ossigeno ha 8 protoni nel nucleo e 8 elettroni nei diversi livelli energetici; in particolare quelli del livello più esterno sono 6.
Come abbiamo visto in questi due casi, il numero che viene associato ad ogni elemento nella tavola periodica  è uguale al numero dei protoni (e quindi anche degli elettroni) posseduti da quell'elemento. Questo numero è chiamato numero atomico di quell'elemento: l'idrogeno ha numero atomico 1, l'ossigeno 8, il calcio 20.