Cap.6 Dentro la Materia

1. Cap.6 Dentro la Materia

2. Caratteristiche della materia La materia ha due caratteristiche fondamentali ha una massa espressa in chilogrammi possiede un volume misurato in metri cubi Da questo possiamo concludere che: Definiamo materia tutto ciò che ha una massa ed occupa un volume

3. La teoria atomica della materia • La diversità della varie sostanze è dovuta alla diversità della composizione chimica della materia spiegata dalla teoria atomica • Comuque spezziamo del sale otteniamo sempre granellini che hanno le proprieta del sale • Questo non va all'infinito a un certo punto otteniamo una coppia di atomi di Na (sodio) e Cl (cloro)‏ Halite

4. Fenomeni fisici e chimici • La chimica è quella scienza che si occupa della struttura della materia e le trasformazioni che subisce • La fisica si occupa di quei fenomeni che riguardano la materia lasciandone inalterata la struttura I fenomeni che comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni chimici I fenomeni che non comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni fisici

5. Fenomeni fisici La molla si allunga in funzione della forza che applichiamo su di essa; se cessa la forza essa ritorna allo stato iniziale Nel ciclo dell’acqua la molecola di H2O non cambia perciò ci troviamo davanti ad una trasformazione fisica

6. Fenomeni chimici Combustione del metano La combustione del metano comporta la trasformazione del metano in due molecole di acqua e una di anidride carbonica L’ossidazione del ferro comporta la sua trasformazione in ruggine

7. Atomi e molecole • Tutte le sostanze sono fatte di molecole • Definiamo molecola la più piccola particella di materia che ne conserva tutte le caratteristiche chimiche • Se divido la molecola ottengo cli atomi ma questi non hanno più nulla a che vedere con la sostanza di partenza Molecola di acqua ossigeno rompo Molecola di idrogeno

8. Legami chimici • Come abbiamo visto le molecole sono formate da atomi • Ciò che tiene uniti i vari tipi di atomi a formare le molecole sono i legami chimici • Nelle molecole i legami chimici prendono il nome di legami molecolari • Le molecole sono fornate da atomi tutti uguali o da atomi diversi fra loro

9. Elementi Le sostanze semplici o elementi sono molecole formate da uno o più atomi tutti uguali H2 idrogeno He elio O2 ossigeno N2 azoto

10. Composti Le sostanze composte o composti sono molecole formate da più atomi fra loro diversi CO2 anidride carbonica formata da un atomo di carbonio e 2 di ossigeno H2O acqua formata da un atomo di ossigeno e 2 di idrogeno C4H10 butano composto formato da 4 atomi di carbonio e 10 atomi di ossigeno

11. L’atomo protoni • Dal greco ἄτομος «indivisibile» e tale è considerato dalla chimica mentre per la fisica esso risulta suddiviso in particelle più piccole • Esso risulta infatti suddiviso in protoni, neutroni ed elettroni • I protoni e neutroni occupano la parte centrale dell’atomo detta nucleo e per questo essi sono anche detti nucleoni • I protoni sono particelle cariche ed hanno una carica positiva mentre i neutroni, come dice lo stesso nome, sono privi di carica Neutroni

12. I nucleoni sono anch'essi costituiti da particelle più piccole dette quark • Di queste ne esistono diversi tipi ma per fortuna a noi ne interessano solo due: i quark up (su) aventi una carica pari a +2/3e i quark down (giù) aventi carica pari a -1/3 • I neutroni sono formati da due quark down e un quark up pertanto la loro carica sarà: -1/3 -1/3 +2/3 = 0 • I protoni sono formati da due quark up e un quark down perciò la sua carica sarà: +2/3 +2/3 -1/3 = + 1 • I quark cono tenuti insieme dalla forza nucleare forte

13. Intorno al nucleo ruotano delle altre particelle che prendono il nome di elettroni • L’elettrone è una particella di carica negativa e (-1) a differenza dei nucleoni non è composta da particelle più piccole • Nell’atomo il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni perciò l’atomo è neutro

14. Cosa rende un atomo diverso dall’altro? C z=6 • I costituenti degli atomi sono sempre gli stessi ma non il loro numero perciò sarà proprio questo a distinguere un atomo dall’altro • In particolare due atomi diversi avranno un diverso numero di protoni (e perciò anche di elettroni) Il numero dei protoni presenti in un atomo prende il nome di numero atomico Z H Z =1

15. Numero di massa atomica • Se andiamo a vedere le masse dei costituenti del nucleo ci accorgeremo che protoni e neutroni hanno masse all’incirca uguali mentre gli elettroni sono circa 1800 volte più leggeri • Perciò la massa degli atomi è data dalla somma dei protoni e degli elettroni in essi presenti Si definisce numero di massa atomica (A) il numero dei nucleoni presenti in un atomo

16. I gusci elettronici • Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo non sono distribuiti a caso a si trovano in particolari zone dette gusci elettronici • Teoricamente non c’è un limite al numero dei gusci elettronici ma normalmente si dice che i gusci elettronici sono 7 perché con questa quantità è possibile sistemare tutti gli atomi fino a Z=119 ma tale atomo non è stato ancora scoperto • Ad ogni guscio compete una particolare energia che ne determina il livello energetico • Il primo guscio contiene 2 elettroni, l’ultimo guscio al massimo 8 elettroni Argo

17. Gli isotopi • Sappiamo già dallo scorso anno che atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni • Ma non è assolutamente detto che abbiano lo stesso numero di neutroni anzi non è assolutamente così • Se il numero di neutroni può variare significa che nell’atomo di un elemento è fisso il numero Z ma può variare il numero A • Si definiscono isotopi tutti gli atomi di uno stesso elemento che differiscono per il numero di massa A e che quindi sono fisicamente (non chimicamente) diversi fra loro

18. La tavola periodica degli elementi • Nel XIX sec. Erano conosciuti molti elementi chimici ma non si riusciva a trovare il modo di ordinarli in una maniera coerente. • Dopo vari tentativi due chimici imboccarono la strada giusta • Nel 1870 il chimico tedesco IuliusMever pubblicò un modello di tavola degli elementi. •  In maniera indipendente, il professore di chimica russo DmitriiMendellevpubblicò nel 1869la sua prima versine di tavola periodica. • In tutte e due le tavole gli elementi erano ordinati in righe e colonne, in ordine di peso atomico crescente in modo tale che appartenevano alla stessa colonna presentassero caratteristiche simili

19. La tavola periodica di Mendeelev presentava diversi spazi vuoti • Il chimico sosteneva che questi spazi contenessero degli elementi che ancora dovevano essere scoperti • In questo modo la sua tabella non era un semplice modo di ordinare gli atomi ma era a tutti gli effetti una teoria scientifica in quanto essa prevedeva: • L’esistenza di elementi che ancora dovevano essere scoperti • Prediceva le caratteristiche che dovevano avere questi elementi e perciò dava delle indicazioni ben precise su come andarli a cercare • Il successo di entrambe le previsioni fece di Mendeleev uno dei maggiori scienziati di fama mondiale Differenza fra previsioni di Mendeleev e verifiche sperimentali sull’elemento chimico Z = 32 sconosciuto a Mendeleev. Fonte Antonio F. Gimigliano, Il sistema periodico degli elementi in La materia in formule, 2000, Brescia, Editrice La Scuola, pp. 120.

20. Tavola Periodica • Dalla struttura della tavola periodica e dalla comprensione del modo in cui i vari atomi si combinavano gli scienziati ebbero l’intuizione sul modo con cui gli elettroni si potavano distribuire all’interno degli atomi • L’attuale tavola periodica conta 118 atomi di cui 92 maturali e 26 artificiali (transuranici) ottenuti in laboratorio, il più pesante è il Ununoctium • In essa si contano: • 7 righe orizzontali dette periodi • 8 colonne verticali dette gruppi • Un gruppo di elementi detti di transizione • Due sottogruppi dei lantanidi e degli attinidi

21. Metalli • Nella tavola di Mendeleev gli elementi sono raggruppati in metalli non metalli semimetalli e gas nobili ma cosa li contraddistingue? • I metalli: • Salvo il Hg a temperatura ambiente sono tutti solidi • Sono lucidi e splendenti • Hanno alto punto di ebollizione e fusione (ecc. alcalini) • Sono duttili (ridotti in fili) • Sono malleabili (ridotti in fogli) • Conduttori di elettricità e calore

22. Non metalli Zolfo Grafite • A temperatura ambiente la maggior parte si trova allo stato gassoso, il Br è liquido mentre C, S, e Si sono solidi • Sono opachi • Hanno bassi punti di fusione e di ebollizione • Non sono ne duttili ne malleabili • Sono cattivi conduttori di calore (ecc. C) Diamante

23. Nomi e simboli Ogni atomo ha un suo simbolo che deriva dal suo nome latino Elemento Nome latino Simbolo Lettura hydrogenum H Idrogeno acca oxygenum O Ossigeno o calcium Ca Calcio ci-a ferrum Fe Ferro effe-e hydrardyrum Hg Mercurio acca-g carbonium C Carbonio ci

24. Formule chimiche Notazione che utilizza simboli e indici per dare informazioni relative alla composizione atomica e alla struttura di una molecola Acqua Si legge accadueo idrogen0 ossigeno H2O La presenza del simbolo e l’assenza di un numero indica che nella molecola c’è un solo atomo di ossigeno Nella molecola ci son 2 atomi di idrogeno

25. Carbonato di calcio Simbolo del carbonio Simbolo dell’ossigeno Simbolo del calcio Si legge ciaciotre CaCO3 Sono presenti 3 atomi di ossigeno Sono privi di indice quindi c’è un solo atomo Metano Simbolo del carbonio Simbolo dell’idrogeno CH4 Si legge ciaccaquattro Sono presenti 4 atomi di idrogeno

26. Acqua ossigenata Atomo di idrogeno Atomo di ossigeno H2O2 Sono presenti 2 atomi di ossigeno Sono presenti 2 atomi di idrogeno Si legge accadue-odue

27. I legami chimici • Un numero relativamente piccolo di atomi può originare un numero elevatissimo di composti chimici • Come abbiamo già visto questo si origina mettendo insieme diversi tipi di atomi • Tutto questo può grazie alla capacità degli atomi di formare legami chimici • Ma come si formano questi legami?

28. Regola dell’ottetto • Gli elementi dei gas nobili hanno 8 elettroni sull’orbitale esterno • Sappiamo che tali elementi erano tutti sconosciuti a Mendeleev perché non formano composti con gli altri atomi • Ciò si verifica perché tali atomi hanno l’orbitale esterno completo perché • Perché non pensare che anche gli atomi possano cercare di legarsi per raggiungere questa configurazione elettronica esterna particolarmente stabile? L’elio e il neon sono due gas nobili e hanno l’orbitale esterno completo (2e e 8 e)

29. Gli atomi che non hanno l’orbitale esterno completo sono elementi chimicamente instabili (non fisicamente instabili come ad esempio il tritio che è radioattivo) e sono fortemente reattivi cioè tendono a formare legami con gli altri atomi Idrogeno e ossigeno non hanno l’orbitale esterno completo e perciò sono fortemente reattivi

30. Si ha legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti due o più atomi in modo da formare una nuova specie chimica

31. Se noi contiamo gli elettroni abbiamo che nella molecola di acqua l’idrogeno ha due elettroni sull’orbitale esterno e l’ossigeno 8 elettroni sull’orbitale esterno perciò la formazione della molecola di acqua ha portato al completamento dell'orbitale esterno Se noi contiamo gli elettroni abbiamo che nella molecola di metano l’idrogeno ha due elettroni sull’orbitale esterno e il carbonio 8 elettroni sull’orbitale esterno perciò la formazione della molecola di metano ha portato al completamento dell'orbitale esterno Se noi contiamo gli elettroni abbiamo che nella molecola di cloro abbiamo che i due di cloro hanno entrambi due elettroni

32. La valenza • Gli atomi quando si incontrano entrano i contatto tramite gli elettroni dell’orbitale esterno perciò sono questi che formano legami • Questi elettroni sono anche detti elettroni di valenza e il loro numero stabilisce quanti legami può formare l’atomo • Si dice valenza il numero di legami chimici che un atomo può fare

33. Gli elementi del gruppo II hanno valenza 2 Gli elementi del gruppo I hanno valenza 1 Gli elementi del gruppo III hanno valenza 3 Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 4 Gli elementi del gruppo Vhanno valenza 3 Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 2 Gli elementi del gruppo VII hanno valenza 1 Gli elementi del gruppo VIII hanno valenza 0

34. L’ossigeno ha valenza 2 perciò può formare 2 legami: o fa un doppio legame con un altro atomo di ossigeno oppure lega due atomi di valenza 1 (l’H)

35. Anidride carbonica metano formaldeide Il carbonio ha valenza 4 può formare legami con 4 atomi a valenza 1 con due atomi a valenza 2, con 2 atomi a valenza 1 e 1 a valenza 2 o con un atomo a valenza 1 e uno a valenza 3 Acido cianidrico

36. Gli ioni Si definiscono ioni atomi o gruppi atomici dotati di carica elettrica, positiva o negativa a seconda che abbiano perduto o acquistato uno o più elettroni rispetto alla loro normale configurazione di sistema elettronicamente neutro • Il termine deriva dal greco ἰόν che significa andare … uno strano nome per un atomo ma vediamo cosa indusse Faraday nel 1834 ad introdurre questo termine • Gli ioni hanno la capacità di muoversi all’interno di un campo elettrico (da qui il nome) • L’acqua che per sua natura è un ottimo isolante diventa conduttore se facciamo una soluzione con un composto ionico (cioè un composto che si scioglie liberando ioni) • Tutto questo strano discorso ci porta a concludere che gli ioni sono atomi o gruppi di atomi dotati di carica elettrica

37. Gli ioni vengono indicati, con il simbolo dell’atomo o del gruppo atomico, portante in alto a destra tanti segni + o − quanti sono gli elettroni perduti o acquistati  • Prendiamo in considerazione l’atomo di sodio Un atomo di sodio può raggiungere la sua configurazione stabile perdendo l’elettrone dell’obitale n3 Esso ha un solo elettrone nell’orbitale 3 Questa configurazione è instabile Se l’atomo di Na cede questo elettrone raggiunge la configurazione elettronica esterna del Ne diventando però Na+ Questo perché il numero dei protoni non è variato Uno ione con carica positiva si chiama catione

38. Il cloro ha 7 elettroni sull’ultimo orbitale (n=3) Questa configurazione elettronica è instabile perché il livello esterno non è completo Se il cloro acquista un elettrone assume la stessa configurazione elettronica esterna dell’argo diventando però Cl- Questo perché il numero dei protoni non è variato Uno ione con carica negativa si chiama anione Fonte: http://www.apprendiscienza.it

39. Quando si formano gli ioni? • Normalmente gli atomi del primo e secondo gruppo formano cationi quando formano legami • Quelli del sesto e settimo gruppo tendono a formare anioni specie quando si legano con quelli del primo e secondo gruppo • Negli altri casi gli atomi tendono a condividere gli elettroni nei legami chimici piuttosto che formare ioni • Questo comportamento è tipico anche dell’idrogeno pur appartenendo al primo gruppo

40. Il legame ionico Il sodio acquista la sua configurazione elettronica stabile cedendo l’elettrone dell’orbitale n=3 diventando Na+ Cedendo il suo elettrone all’atomo di cloro che diventa Cl- In questo nodo anche il cloro raggiunge la configurazione di gas nobile A questo punto abbiamo un catione sodio con carica positiva e un anione cloruro con carica negativa Gli ioni con carica opposta si attraggono per forza elettrostatica Si origina così un nuovo composto: il cloruro di sodio con la formazione di un legame ionico Il legame ionico è la conseguenza dell'attrazione elettrostatica che si manifesta tra i due ioni di carica opposta. Fonte immagini: http://www.apprendiscienza.it

41. Legame covalente fra atomi uguali L’atomo di cloro ha 7e sull’orbitale Manca un solo elettrone per raggiungere la struttura elettronica dell’argo Vediamo in che modo due atomi di cloro possono risolvere il problema A questo puto i due atomi di cloro hanno avuto un elettrone extra Che ha portato alla formazione dell’orbitale eterno completo Con la formazione di un legame covalente Nel legame covalente i due elettroni appartengono contemporaneamente ai due atomi di cloro

42. Il legame covalente fra atomi diversi Prendiamo in considerazione un atomo di cloro e uno di idrogeno Un atomo di cloro può raggiungere la configurazione elettronica di un gas nobile se acquisisce un elettrone La stessa cosa succede per l’atomo di idrogeno che in questo modo acquisisce la configurazione elettronica esterna dell’elio A ciascuno dei due perciò serve un elettrone Se condividono due elettroni risolvono il problema raggiungendo entrambi 8 elettroni La coppia condivisa forma un legame covalente fra l’atomo di cloro e l’atomo di idrogeno I due elettroni condivisi si muovono intorno ad entrambi gli atomi Fonte http://www.apprendiscienza.it

43. Il legame metallico • Nei metalli gli atomi perdono facilmente gli elettroni più esterni trasformandosi in ioni positivi • Questi ioni vanno ad occupare il minor spazio possibile sistemandosi all'interno di un reticolo cristallino • Gli elettroni persi non appartengono ad un singolo atomo ma a tutto il reticolo del solido • Essi sono liberi di muoversi fra gli ioni positivi garantendo la neutralità del sistema e fungendo da collante per gli ioni metallici

44. Storia dell’atomo • La teoria della materia ha da sempre rappresentato un’idea portante della scienza anzi essa è nata insieme alla scienza • Talete sostenne che il principio di tutte le cose fosse l’acqua • Anassimene lo ricondusse all’aria • Anassimandro ad una sostanza primigenia detta apeiron • Eraclito al fuoco • Empedocle introdusse i 4 elementi che dominarono la scena fino al rinascimento (terra, acqua, aria fuoco)

45. Accanto a questa visione dominante si mantenne sempre viva la teoria atomica formulata da Democrito • Democrito deduce l'esistenza di atomi da un processo logico e puramente teorico attraverso il quale comprende che scomponendo la materia in parti sempre più piccole non si può che arrivare a dei costituenti fondamentali e indivisibili. • Studiando quando si andava scoprendo sulle reazioni chimiche (legge della conservazione della massa di Lavoisier, delle proporzione definite di Proust e quella delle proporzioni multiple da lui stesso formulata) Dalton pose le basi per la moderna teoria atomica sviluppando 5 punti fondamentali:

46. la materia è costituita da particelle elementari, dette atomi; • gli atomi sono indivisibili e inalterabili; • gli atomi di uno stesso elemento sono identici tra loro, possedendo la stessa massa e le stesse proprietà; • gli atomi di elementi diversi sono differenti; • gli atomi di elementi diversi si combinano tra di loro formando particelle composte (atomi composti, come allora si diceva), o composti; in ogni determinato composto, il rapporto numerico con cui sono combinati gli atomi costituenti è definito e costante.

47. Nel 1897 Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas rarefatti, dimostra che i raggi emessi dal catodo (raggi catodici) sono particelle di carica negativa • Siccome l’atomo è neutro debbono esistere particelle di carica positiva • Nel modello atomico “a panettone” di Thomson: • l’atomo è una particella neutra costituita a sua volta da particelle negative sparse (come le uvette e i canditi nel panettone) in una pasta positiva. • Le cariche negative e positive si neutralizzano tra loro.

48. Rutherford bombardando una sottile lamina di oro con particelle alfa (costituite da due protoni e due neutroni e dotate perciò di carica positiva 2+) si accorse che molte di queste venivano deviate mentre se fosse stato vero il modello di Thomson dovevano passare senza deviazioni • Da questo esperimento si accorse che le cariche negative dovevano trovarsi all’esterno dell’atomo e quelle positive al suo interno e che l’atomo era sostanzialmente vuoto • Rutherford propone perciò il modello atomico planetario, simile al sistema solare: un nucleo denso, dotato di carica elettrica positiva, attorno al quale ruotano, come i pianeti intorno al Sole, gli elettroni, particelle dotate di carica elettrica negativa (modello planetario) in orbite circolari.

49. Gli elettroni in movimento dovrebbero emettere energia elettromagnetica e cadere sopra il nucleo perciò il modello di Rutherford da origine ad un atomo instabile • Per superare questo inconveniente Bohr propose un nuovo modello basata sulla moderna fisica quantistica sviluppata da lui stesso, Plank ed Einstein • Nel modello di Bohr l’elettrone non collassa sul nucleo, ma ruota senza emettere energia lungo orbite circolari prefissate: gli stati stazionari. • La spiegazione del modello di Bohr richiede competenze che vanno al di là della scuola media perciò ci fermiamo qui Fonte: Zanichelli online scuola