Mattoni da costruzione della creazione

Guardate intorno a voi su questa terra. Che cosa vedete? Non si può fare a meno di provare ammirazione per la sublime bellezza dei colli e dei monti, per il fascino dei colori e delle forme di piante e alberi e per le dilettevoli capacità di animali, uccelli e insetti. La stessa complessità della creazione fa profonda impressione sulla nostra fantasia.

Vi siete mai chiesto da dove viene tutta questa profusione di bellezza e di cose stupende? Quali sono i mattoni da costruzione della creazione? Come sono raccolti questi mattoni da costruzione per produrre le innumerevoli cose materiali che ci stanno tutto intorno? Quando guardiamo la moltitudine di meravigliose creazioni, vediamo un mondo apparentemente solido. Vi sorprenderebbe sapere che tutto questo è edificato con basilari mattoni da costruzione che sono essi stessi per il 99,9 per cento nulla e vuoto?

Per migliaia d’anni l’uomo ha cercato di svelare il segreto di ciò che costituisce esattamente la materia. I dizionari definiscono la materia come “ciò di cui è costituito ogni cosa”. Ma di che cosa è costituito? Solo in questo secolo, in realtà solo negli ultimi trenta o quarant’anni, gli scienziati hanno davvero cominciato a capire la natura fondamentale delle cose materiali. Ora i ricercatori ci dicono che tutte le cose materiali, siano esse rocce, piante, animali, fiumi o qualsiasi altra cosa che possiamo conoscere con l’uso dei nostri sensi corporali, son fatte da mattoni da costruzione che sono essi stessi fatti di tre particelle basilari.

Queste particelle basilari, secondo il numero di ciascuna presente nel mattone da costruzione, determinano la natura e le proprietà di ciascun mattone o “atomo” che formano.a

Prima, però, chiariamo le nostre definizioni. Per “atomo” intendiamo “la più piccola particella di un elemento”, e un “elemento” è stato definito come “una sostanza che non può dissolversi con mezzi chimici in sostanze più semplici”. Per esempio, se potessimo prendere un campione dell’elemento che conosciamo come oro e continuassimo a dividerlo in pezzi sempre più piccoli, infine sarebbe impossibile dividerlo ulteriormente senza che perdesse la sua identità chimica originale. Questa porzione minima è l’atomo. Qualsiasi ulteriore divisione sarebbe una frantumazione dell’atomo nelle parti summenzionate, che si chiamano protoni, neutroni ed elettroni.

I protoni e i neutroni sono all’incirca di peso uguale, consistendo la differenza nel fatto che, mentre il protone ha una carica elettrica positiva, il neutrone non ha nessuna carica, quindi è neutro. Relativamente parlando, i protoni e i neutroni sono enormi in paragone con gli elettroni, avendo una massa circa 2.000 volte più grande. I minuscoli elettroni hanno una carica di elettricità negativa, e siccome sono sempre per numero uguali ai protoni, l’atomo è quindi un corpo neutro.

Queste tre fondamentali particelle son costruite in numero crescente per formare gli atomi dei diversi elementi, o i mattoni da costruzione della creazione. Quanti ce ne sono? Per lungo tempo si pensò che ci fossero solo quattro elementi; cioè aria, fuoco, terra e acqua, ma mentre cresceva la conoscenza, si identificarono gradualmente i diversi elementi. Ora gli elenchi degli elementi mostrano che ce ne sono più di cento, essendo alcuni fatti dall’uomo, artificiali e instabili.

Che dire, però, di questo 99,9 per cento fatto di nulla? Se potessimo vedere un solo atomo di una qualsiasi delle cose meravigliose che ci circondano, che aspetto avrebbe? Quale specie di struttura avrebbe?

Struttura atomica

Tutti gli atomi sono composti di un nucleo centrale composto di una combinazione di protoni e neutroni, circondato da elettroni orbitanti. La sola eccezione a ciò è l’atomo dell’elemento più semplice, l’idrogeno, che ha per nucleo un solo protone con un solo elettrone che gli orbita intorno.

Abbiamo così un’immagine mentale di una sorta di sistema solare in piccole proporzioni, con gli elettroni in orbite comparativamente grandi intorno al piccolo nucleo compatto, assai simile a quello dei pianeti che girano in orbite intorno al sole. Questo microscopico sistema planetario è diverso per ciascuno degli elementi ed è riprodotto in ciascuno degli atomi di quell’elemento. Quale potenza e precisione ha prodotto tutto ciò? Prendete, per esempio, un atomo dell’elemento carbonio, com’è raffigurato nel seguente diagramma schematico:

Naturalmente, non possiamo vedere un solo atomo perché un atomo è così infinitesimamente piccolo. Ciascuno di questi minuscoli ‘sistemi planetari’ avrebbe un diametro di un decimilionesimo di milionesimo di centimetro! E il nucleo centrale o ‘sole’ avrebbe un diametro circa centomila volte più piccolo di quello dell’intero atomo!

Poiché il numero degli elettroni nell’atomo può variare da uno a oltre cento, secondo l’elemento che si considera, è stupendo, non è vero, considerare la disposizione meravigliosamente intricata che vige entro lo spazio incredibilmente piccolo di ciascun atomo?

È affascinante comprendere che tutte le cose materiali, tutto ciò che è apparentemente solido, dall’erba verde alla coda della mucca ai monti, son fatti di milioni e milioni di questi minuscoli atomi, ciascuno dei quali è esso stesso prevalentemente vuoto e spazio fra il nucleo centrale e orbitanti elettroni. Sì, un atomo è per lo più spazio vuoto. Così il volume Matter della Biblioteca della Scienza della Vita dice: “Se ciascun atomo fosse schiacciato fino a ridursi a una sfera non più grande del suo centro o nucleo, tutta la massa del Monumento di Washington [alta 169 metri] potrebbe essere calcato in uno spazio più piccolo di quello di una gomma da matita”.

Gli elettroni di ciascun atomo orbitano in quelli ai quali si fa riferimento come agli “strati degli elettroni”, essendo ciascuno “strato” a una data distanza dal nucleo. Mentre gli atomi divengono progressivamente più complessi con l’aggiunta di altre particelle basilari, gli ulteriori elettroni orbitano in questi “strati”.

Per esempio, l’illustrazione dell’atomo di carbonio lo raffigura con due elettroni nel suo strato interno e con quattro nel suo strato successivo. Un atomo di alluminio avrebbe due elettroni nel suo primo strato, otto nel suo strato successivo e tre nel suo strato esterno. In altre parole non c’è una massa disordinata di elettroni senza alcun modello fisso, ma piuttosto una disposizione ordinatissima in tutto questo.

Posto che ci interessiamo di come questi mattoni da costruzione si raccolgono per produrre tutte le cose meravigliose che ci dilettano tanto, ci interesseremo quindi di queste minute particelle, gli elettroni. Come mai? Perché è la disposizione di questi elettroni nelle loro orbite a determinare le combinate proprietà di ciascun atomo. Questa proprietà di combinarsi si chiama “valenza”.

Combinazione con elettroni presi a prestito

Mentre progrediva la ricerca nell’atomo, si riscontrò che qualsiasi elemento con un numero completo di elettroni (di solito otto) nel suo anello di valenza (strato in cui son presi e ceduti) era estremamente stabile; cioè non si combinava prontamente con altri atomi. Questi elementi stabili o inerti sono noti come gas rari: elio, neon, argon, cripton, xeno e radon.

Gradualmente si edificò un quadro degli strati di elettroni di tutti gli elementi. Si riscontrò che gli atomi tendevano a cercar di costituire uno stabile strato esterno di elettroni. La teoria delle valenze lo spiega e mostra come gli atomi fanno questo prendendo a prestito e cedendo elettroni, o condividendo elettroni con altri atomi. Un elemento che nel suo strato esterno ha sette elettroni, come il cloro, prende a prestito un elettrone da un elemento che ha un elettrone nel proprio strato esterno, come il sodio, per esempio. Guardate il seguente diagramma per vedere come questo accade:

Il sodio, metallo tenero bianco argenteo, che fu scoperto nel 1807, è un elemento molto attivo che reagisce violentemente con l’acqua. Ha un totale di undici elettroni, avendo gli strati due, otto e un elettrone rispettivamente. Il cloro, scoperto nel 1774, è un gas giallo verdastro. È stato usato come candeggiante, disinfettante e anche come gas velenoso. L’atomo di cloro ha diciassette elettroni, contenendone i suoi strati due, otto e sette rispettivamente. Mostrando solo lo strato dell’elettrone esterno, il diagramma raffigura come questi mattoni da costruzione si combinano e che cosa risulta da questa combinazione.

L’atomo di cloro prende a prestito un elettrone dall’atomo di sodio, acquistando carica negativa nel processo di addizione di questo elettrone in più, mentre, viceversa, l’atomo di sodio acquista carica positiva. Questi atomi che hanno acquistato una carica, ora chiamati “ioni”, sono attratti l’un l’altro a causa delle loro cariche opposte, e aderiscono l’uno all’altro per formare il composto noto come cloruro di sodio, o sale comune.

Da due mattoni da costruzione apparentemente dissimili con le loro distinte proprietà otteniamo il comune sale così necessario alla vita. Questo riordinamento riguardo a un solo elettrone edifica una sostanza completamente nuova! Una combinazione come questa è chiamata legame elettrovalente.

Combinazione con elettroni condivisi

Un’altra specie di combinazione è chiamata legame covalente. In questa specie di legame i vari atomi condividono elettroni per formare i richiesti strati stabili esterni di elettroni. Un esempio di ciò si ha quando due atomi di carbonio, sei atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno si combinano per formare una molecola di alcool etilico, l’elemento inebriante di molte bevande. I legami covalenti di ciascun paio di elettroni condivisi sono indicati nella formula strutturale con una lineetta nel seguente diagramma:

Condividendo così paia di elettroni, gli atomi di carbonio e l’atomo di ossigeno acquistano uno stabile strato esterno di otto elettroni, mentre gli atomi di idrogeno acquistano strati di elettroni esterni con due elettroni.

Interazione più complessa

Naturalmente, l’interazione e attrazione fra i diversi atomi diviene assai più complicata allorché si formano le molecole di gran lunga più complesse che costituiscono i composti organici, quelli che hanno carbonio nelle loro molecole. Un esempio di una di queste sostanze organiche serve a illustrarlo. Ecco un diagramma che mostra la formula strutturale di una molecola di quella sorprendente sostanza chiamata clorofilla:

Pensate: Ci sono 72 atomi di idrogeno, 55 atomi di carbonio, 5 atomi di ossigeno, 4 atomi di azoto e 1 atomo di magnesio, alcuni di essi per così dire, già combinati in unità prefabbricate, edificati in una molecola di clorofilla, uno dei più importanti pigmenti della vegetazione. Questa è la sostanza che rende verde il paesaggio e che dà alle piante la meravigliosa proprietà di convertire la radiante energia solare in energia chimica d’impiego vegetale.

Potete immaginare l’incredibile interazione che si compie fra gli elettroni mentre girano nelle loro orbite per legare i vari atomi in modo da formare anche una sola molecola di clorofilla? Quando si considera che per coprire il punto che è in fondo a questo periodo ci vogliono milioni e milioni di tali molecole, l’ammirazione per l’Ideatore di tale disposizione può solo crescere e approfondirsi.

Gli scienziati hanno solo cominciato a scoprire i fatti riguardo al modo e alla ragione di combinarsi dei vari mattoni da costruzione, ma non sanno che ci sono leggi fisse e ordinate per governare queste combinazioni. Essi provano ammirazione per il modo inconcepibilmente intricato in cui le cellule viventi tremendamente complesse di tutte le forme di vita edificano queste sostanze già complicate, formando l’abbondanza di viventi sulla terra.

Questa costituzione dagli atomi impercettibilmente piccoli a tutta la magnifica opera della creazione è indicata nel seguente diagramma:

Guardatevi intorno, e riflettete sulla sapienza e sull’intelligenza che hanno diretto la produzione di tutte le cose materiali che conosciamo, dai più minuscoli semi allo sconfinato universo, e tutto con mattoni da costruzione che sono essi stessi per il 99,9 per cento fatti di nulla.

[Nota in calce]

[Diagramma a pagina 13]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

L’atomo di carbonio ha un nucleo con 6 protoni e 6 neutroni, e ha 6 elettroni, due nello strato interno e quattro in quello esterno

[Diagrammi a pagina 14]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

Combinazione degli atomi di sodio e di cloro

Sodio Cloro + −

Atomi (che mostrano solo gli Ioni, che formano

strati degli elettroni interni) cloruro di sodio

[Diagramma]

Molecola di alcool etilico

H H

H C C O H

H H

C: atomo di carbonio

H: atomo di idrogeno

O: atomo di ossigeno

[Diagrammi a pagina 15]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

CH₂ CH₃

CH₃ CH CH₃ CH₂

C C H C C

C

C C C C

N N

HC Mg CH

N N

C C C C

C

H C C H C C

H₃C CH₂ C C CH₃

H O

CH₂ COOCH₃

COOC₂₀H₃₉

Molecola di clorofilla “a”

H: atomo di idrogeno (72)

C: atomo di carbonio (55)

O: atomo di ossigeno (5)

N: atomo di azoto (4)

Mg: atomo di magnesio (1)

[Diagramma]

Tre particelle basilari

protoni

neutroni

elettroni

Atomi Composti Tutta la materia

oltre 100 elementi organici e inorganici vivente e non vivente