Chimica e didattica della chimica

1. Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Pesare e ordinare gli atomi

2. Il problema delle masse atomiche • Una volta accettata la teoria atomica, si pose il problema delle masse atomiche • Vedere e pesare i singoli atomi era impossibile • Erano necessari metodi indiretti per calcolare la massa dei singoli atomi • Per costruire una tavola con le masse dei vari atomi era necessario prendere un atomo come riferimento, parlando perciò di masse atomiche (e molecolari) relative 2

3. Il problema delle masse atomiche • Agli inizi del XIX secolo, i chimici si trovano di fronte alla difficoltà di ricavare in contemporanea la formula dei composti e le masse atomiche degli elementi che li costituiscono • Ad es., la mancata conoscenza dell'esatta formula chimica dell'acqua crea difficoltà • Dalton è il primo a pubblicare una tavola delle masse atomiche relative, prendendo l'idrogeno come riferimento, attribuendogli cioè massa 1 • Ipotizzando per l'acqua la formula HO, deduce che la massa atomica dell'ossigeno è 8 (non 16) 3

4. Il problema delle masse atomiche • Vediamo come nasce l'errore. Oggi sappiamo che la formula dell'acqua è H2O. Siccome le masse atomiche di H e O sono circa 1 e 16, rispettivamente, ciò significa che, combinando circa 2 g di idrogeno e 16 g di ossigeno, ottengo circa 18 g di acqua (si noti che il rapporto di combinazione è circa 1 a 8). • Dalton conosceva solo il rapporto di combinazione e, ipotizzando per l'acqua la formula HO, deduceva che la massa atomica dell'ossigeno è 8 4

5. Il problema delle masse atomiche • Joseph-Louis Gay-Lussac(1778-1850) dimostra che due volumi di idrogeno si combinano con un volume di ossigeno e quindi la formula dell'acqua è H2O • Nel 1808 Gay-Lussac estende questi risultati ed enuncia la legge di combinazione dei volumi gassosi: quando due sostanze gassose reagiscono, mantenendo temperatura e pressione costanti, i volumi dei gas reagenti stanno tra loro secondo rapporti esprimibili con numeri piccoli e interi 5

6. Il problema delle masse atomiche • La legge di combinazione dei volumi gassosi è un'ulteriore prova della teoria atomica (se volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di atomi) ma Gay-Lussac non la interpreta correttamente: per non entrare in contrasto con il suo maestro Berthollet, afferma che la sua legge individua solo alcune delle combinazioni possibili (Berthollet sosteneva che sono le circostanze sperimentali a determinare le combinazioni possibili) 6

7. Il problema delle masse atomiche • La legge di combinazione dei volumi gassosi entra in crisi con gli esperimenti di formazione dell'acido cloridrico • La formula dell'acido cloridrico è HCl e i chimici si aspettano di ottenere un volume di HCl combinando un volume di H e un volume di Cl:H + Cl → HClma, inaspettatamente, ne ottengono due! 7

8. Atomi e molecole: il contributo di Avogadro • Amedeo Avogadro (1776-1856) supera il paradosso supponendo che: • a parità di temperatura e pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole (legge di Avogadro) • idrogeno e cloro gassosi sono costituiti da molecole diatomiche • La formazione dell'acido cloridrico è spiegata dalla formula seguente:H2+ Cl2→ 2HCl 8

9. Atomi e molecole: il contributo di Avogadro • Avogadro distingue nettamente i concetti di atomo e molecola e capisce che molti gas sono costituiti da molecole diatomiche • La sua legge, ottenuta indipendentemente anche da André-Marie Ampère(1775-1836) nel 1814, è pubblicata nel 1811 sul Journal de Physique nel "Saggio su un modo per determinare le masse relative delle molecole elementari dei corpi e le proporzioni secondo le quali entrano in queste combinazioni" 9

10. Atomi e molecole: il contributo di Avogadro • Avogadro si accorge che la sua legge può essere utilizzata per ricavare le masse delle molecole degli elementi che si presentano allo stato gassoso • Se, a parità di temperatura e pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole, il rapporto tra le masse dei due gas è uguale al rapporto tra le masse delle due molecole • 1 l di O2 ↔ 1.43 g, 1 l di H2↔ 0.089 g, 1.43/0.089=16.07 10

11. Il congresso internazionale del 1860 • Nel 1860 a Karlsruhe 140 delegati si incontrano per il primo congresso internazionale di chimica • Stanislao Cannizzaro (1826-1910) convince i presenti della validità della legge di Avogadro • Per praticità, l'unità di massa atomica è fissata a 1/16 della massa dell'ossigeno (l'ossigeno è molto reattivo e varie masse atomiche possono essere calcolate considerando le molecole in cui compare l'ossigeno) • O ha massa 16, H ha massa 1.008 (perché? Isotopi, differenza n/p, energia di legame) 11

12. Triadi e ottave • Nella prima metà del XIX secolo si scoprono molti elementi • I chimici si chiedono se c'è un limite al numero di elementi e se esiste una teoria unitaria per spiegare le caratteristiche degli elementi • Nel 1829 Johann Wolfgang Döbereiner(1780-1849) si accorge che Br ha proprietà simili e massa intermedia rispetto a Cl e I. In seguito, riscontra lo stesso comportamento per altri gruppi di tre elementi che chiama "triadi" 12

13. Triadi e ottave • Nel 1862 Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois(1820-1886) e nel 1864 John Alexander ReinaNewlands(1837-98) ordinano gli elementi per massa atomica crescente e si rendono conto che alcune proprietà si ripetono a intervalli regolari, ma i loro risultati non sono accettati dalla comunità scientifica 13

14. La tavola degli elementi di Mendeleev • È un chimico russo Dimitri IvanovicMendeleev(1834-1907), che aveva partecipato come studente al congresso del 1860, a costruire l'antenata della tavola periodica degli elementi e a farla accettare dalla comunità scientifica • Mendeleevordina gli elementi per massa atomica crescente e si rende conto che alcune proprietà si ripetono e variano periodicamente 14

15. La tavola degli elementi di Mendeleev • Mendeleev ordina gli elementi in righe, tralasciando H e sistemando nella prima riga i primi sette elementi da Li a F e capisce che non tutte le righe sono di sette elementi come la prima • Dal 1871 Mendeleev organizza la tavola in righe e colonne, in modo che in ogni colonna siano presenti gli atomi con proprietà simili 15

16. La tavola degli elementi di Mendeleev 16

17. La tavola degli elementi di Mendeleev • La grandezza di Mendeleev (Nobel per la chimica nel 1906) è quella di intuire il criterio di classificazione e ordinamento degli elementi • Mendeleev capisce che è necessario uno sforzo per ordinare gli elementi noti e non: nella sua tavola mancano più di quaranta elementi… e lui lascia le caselle vuote! • Per coerenza con la sua ipotesi Mendeleev inverte la posizione di alcuni elementi (anticipando l'ordinamento attuale per numero atomico e non per massa atomica) 17

18. La tavola degli elementi di Mendeleev • Un altro studente che era al congresso del 1860 è meno fortunato di Mendeleev: Julius Lothar Meyer (1830-95) arriva alle stesse conclusioni ma le pubblica un anno più tardi • Le righe della tavola periodica sono dette periodi, le colonne gruppi • Gli elementi di uno stesso gruppo hanno caratteristiche simili (numero di elettroni esterni) • Alcune proprietà (dette periodiche) variano lungo i gruppi (es.: raggio atomico) e i periodi (es.: elettronegatività) 18

19. La tavola degli elementi di Mendeleev 19

20. Fine della lezione… 20