Atoms, Molecules & Ions · “Leucippo è l’iniziatore di quel famigerato sistema atomistico,...

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Atoms, Molecules & Ions

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Atoms,Molecules&Ions

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“Leucippo è l’iniziatore di quel famigerato sistema atomistico,che, risuscitato modernamente, è passato come principiofondamentaledell’indaginerazionalesullanatura.Esaminatoquestosistemapersè, lotroviamobensìassaipoveroetaledaoffrirepocoallaricerca;madeveesserericonosciutoaLeucippo il grande merito di aver distinto, come si dicecomunemente nella nostra fisica, le qualità generali dei corpisensibili,o leprimariedalle secondarie,o leessenzialidallenonessenziali.”

GeorgWilhelmFriedrichHegel“LezionidiStoriadellaFilosofia”LaNuovaItaliaEditriceVol.1,p.231,1963

GeorgWilhelmFriedrichHegelJena1805-1806

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Elements

ThesearefoundandlistedonthePeriodicTable

Puresubstancescomposedofonlyonetypeofatom.

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Atoms

The smallest particle of an element thatretainsallofthepropertiesoftheelement.

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Molecules

A sufficiently stable electrically neutral group of at least twoatoms in a definite arrangement held together by chemicalbonds.

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Compounds

Apuresubstanceconsistingoftwoormoredifferentelements chemically bonded together in a fixedproportionbymass.

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Pnictogens

ThePeriodictableAlkaliMetals

AlkalineEarths

TransitionMetals

Halogens

Nob

leGases

LanthanidesandActinides

MainGroup

MainGroupCalchogens

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A given compound always contains thesameproportionofelements,bymass.

Dalton,John1766-1844Lithograph

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Dalton’sAtomicTheory1.  Eachelementismadeupofatoms;

2.  Atoms of a given element are identical while atoms ofdifferentelementsdiffer;

3.  Chemical compounds are made up of specific wholenumberratiosofatoms;

4.  Reactions involve reorganizationofatoms.Atomsdonotchange.

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Essay on a Manner of Determining theRelative Masses of the ElementaryMoleculesofBodies,andtheProportionsin Which They Enter Into TheseCompoundLorenzoRomanoAmedeoCarloAvogadroJournaldePhysique,1811,73,58-76

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AtomicMasses:

Arelativecomparisonoftheaveragemassesofatoms.

Avogadro’sHypothesis(1811):

EqualvolumesofagascontainthesamenumberofatomsunderthesameconditionsofTandP.

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AtomicStructureUntiltheendofthe19thcentury,notmuchwasknownabouttheatom.

BUT,WHATWASTHEATOM?

Peopleknew:i)  Thereweredifferentelementsii) Eachhadauniquemassandreactedin

aspecialway.

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Introductionto

AtomicTheory

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Theatomwasablackbox.Peopleknewtherewere different substances (different boxes),eachwithuniqueproperties,but“why”wasaquestion.

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SirJosephJohnThomson(1856- 1940)was awarded the 1906NobelPrize.“… in recognition of the great merits of histheoreticalandexperimental investigationsonthe

conductionofelectricitybygases.”

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TheearlyexperimentsofJ.J.Thompsoncastlightonthequestion.Anevacuatedtube,containingasmallamountofagaswasattachedtoapowersupply

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LVIII.OntheMassesoftheIonsinGasesatLowPressures.ByJ.J.Thomson,M.A.,F.R.S.,

CavendishProfessorofExperimentalPhysics,CambridgePhilosophicalMagazine,December1899

Series5,Vol.48,No.295,p.547-567

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https://www.youtube.com/watch?v=UUpD62r2wq8

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+-

Thesamecathoderaywasseennomatterwhatthetubewasfilledwith.

Conclusion:Thecathoderaywasafundamental

unitofallmaterials.

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+-

Throughanumberofexperiments,J.J.wasabletodeterminethecharge(e)tomass(m)

ratioofthecathoderay.

e/m=somenumbere/m=-1.75881962x1011C/Kg.

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+-

By similar analysis he was also able tolook at the canal Ray, the positive piece“left over” after the Cathode ray hadbeenejected.

e/mwasdifferentforeachgasthatwasintheevacuatedtube.

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+

+

Startingwithtwodifferentatomic“Boxes”

Same

Positivepieces“leftover”aredifferent

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qm

=ν0

2dEaL

= EdB2aL

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x =ν0t

tanα = dy

dx⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ x=d

= qm

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

Edν

02 = Δy

L

qm

02Δy

EdL

y = 1

2qm

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Et 2 = 1

2qm

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟E x

ν0

⎝⎜⎞

⎠⎟

2

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ν = E

B

Eq= qνB

qm

02Δy

EdL = EΔyB2dL

qm

02Δy

EdL

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AtthispointJ.Jwasreadytotalkabouttheconstitution of the atom: a large “sea” ofpositivecharge,imbeddedwithelectrons.

ThePlumPuddingModel

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Thee/meratio(-1.75881962x1011C/Kg)

Whatdoesittellus?

Millikan’sOilDropExperiment

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Smalldropletsofoil,eachgivenanegativecharge,arepushedupwardby an electric forcewhile they simultaneously falldownward undertheinfluenceofgravity.Controlledvariationsoftheelectricfieldshowthatthenegativechargeoneachdropisalwaysamultipleofacertainvaluee.

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Smalldropletsofoil,eachgivenanegativecharge,arepushedupwardbyanelectricforcewhiletheysimultaneouslyfalldownwardundertheinfluenceofgravity.Controlledvariationsoftheelectricfieldshowthatthenegativechargeoneachdropisalwaysamultipleofacertainvaluee.

Zapwithradiation

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Experimentaldataindicatethat:e =-1.60217733x10-19C;e/me =-1.75881962x1011C/Kgme =9.1093897x10-31kg.

Millikan’sOilDropExperiment

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BacktoPlumPudding

A “sea of positivecharge” containingembeddedelectrons

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They shot a particles through the foil. This should beequivalenttoshootingahowitzershellthroughpapertissue.

Thegoldfoilexperiment:

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They shot a particles through the foil. Thisshouldbeequivalenttoshootingahowitzershellthroughpapertissue.

Thegoldfoilexperiment:

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United Kingdom and New Zealand Victoria University Manchester, U. K. b. 1871 (in Nelson, New Zealand) d. 1937 Nobel prize in Chemistry 1908

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Asolarsystemmodeloftheatom.

Electronscirclethenucleus.

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mass atomicmassunit uorDa 1u/1Da =1.6605402✕10-27kg

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TheConceptofAtomicNumberZ=numberofprotons

YouwillnoticethatmostofthePeriodicTableiswell-arrangedaccordingtoAtomicMass.

XZ

Z=atomicnumber=#protons

A=atomicmass=#protons+neutrons

A

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Differentatomicmasses

Isotopes:Atomswith thesamenumberofprotons (Z)butdifferentnumberofneutrons(A-Z)

XZ

A

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CompositionoftheAtom

But,thenucleusismadeofprotonsandneutrons

Electrons

Nucleus

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Li

2e- 1e-

Be

2e- 2e- ......

Ne

2e- 8e-

2e-

Na

2e- 8e-

Mg

2e- 8e- ......

Ar

2e- 8e-

1e- 8e-

K

2e- 8e-

8e-

Ca

2e- 8e-

8e-1e-

......

2e-

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LawofDefiniteProportionAgivencompoundalwayscontainsthesameproportionofelements,bymass.

LawofMultipleProportionsWhen two elements form twodifferent compounds, the mass ratioof theelements inonecompound isrelated to the themass ratio of theelementsinthelattercompoundbyasmallwholenumber.

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MassofOxygencombiningwith1gramofNitrogen

CompoundA 1.1428gCompoundB 2.2857g

Dividebysmallestnumbertogetratios:

1.1428/1.1428=12.2857/1.1428=2

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NON2O2

Wereallydonotknowtherealformula

NO2N2O4