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Cap.6 Dentro la MateriaCaratteristiche della materiaLa materia ha due caratteristiche fondamentaliha una massa espressa in chilogrammipossiede un volume misurato in metri cubiDa questo possiamo concludere che:Definiamo materia tutto ciche ha una massa ed occupa un volumeLa teoria atomica della materiaLa diversit della varie sostanze dovuta alla diversit della composizione chimica della materia spiegata dalla teoria atomicaComuque spezziamo del sale otteniamo sempre granellini che hanno le proprieta del saleQuesto non va all'infinito a un certo punto otteniamo una coppia di atomi di Na (sodio) e Cl (cloro)

HaliteLa chimica quella scienza che si occupa della struttura della materia e le trasformazioni che subisceLa fisica si occupa di quei fenomeni che riguardano la materia lasciandone inalterata la struttura

Fenomeni fisici e chimiciI fenomeni che comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni chimiciI fenomeni che non comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni fisiciFenomeni 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 dellacqua la molecola di H2O non cambia perci ci troviamo davanti ad una trasformazione fisicaFenomeni chimici

Combustione del metano

La combustione del metano comporta la trasformazione del metano in due molecole di acqua e una di anidride carbonicaLossidazione del ferro comporta la sua trasformazione in ruggineTutte le sostanze sono fatte di molecoleDefiniamo molecola la pi piccola particella di materia che ne conserva tutte le caratteristiche chimicheSe divido la molecola ottengo cli atomi ma questi non hanno pi nulla a che vedere con la sostanza di partenzaAtomi e molecole

Molecola di acqua

ossigeno

Molecola di idrogenorompoCome abbiamo visto le molecole sono formate da atomiCi che tiene uniti i vari tipi di atomi a formare le molecole sono i legami chimiciNelle molecole i legami chimici prendono il nome di legami molecolariLe molecole sono fornate da atomi tutti uguali o da atomi diversi fra loroLegami chimiciElementiLe sostanze semplici o elementi sono molecole formate da uno o pi atomi tutti uguali

H2 idrogeno

He elio

O2 ossigeno

N2 azotoCompostiLe sostanze composte o composti sono molecole formate da pi atomi fra loro diversi

C4H10 butano composto formato da 4 atomi di carbonio e 10 atomi di ossigeno

CO2 anidride carbonica formata da un atomo di carbonio e 2 di ossigeno

H2O acqua formata da un atomo di ossigeno e 2 di idrogenoDal greco indivisibile e tale considerato dalla chimica mentre per la fisica esso risulta suddiviso in particelle pi piccoleEsso risulta infatti suddiviso in protoni, neutroni ed elettroniI protoni e neutroni occupano la parte centrale dellatomo detta nucleo e per questo essi sono anche detti nucleoniI protoni sono particelle cariche ed hanno una carica positiva mentre i neutroni, come dice lo stesso nome, sono privi di caricaLatomo

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

Intorno al nucleo ruotano delle altre particelle che prendono il nome di elettroniLelettrone una particella di carica negativa e (-1) a differenza dei nucleoni non composta da particelle pi piccoleNellatomo il numero dei protoni uguale a quello degli elettroni perci latomo neutro

I costituenti degli atomi sono sempre gli stessi ma non il loro numero perci sar proprio questo a distinguere un atomo dallaltroIn particolare due atomi diversi avranno un diverso numero di protoni (e perci anche di elettroni)Cosa rende un atomo diverso dallaltro?Il numero dei protoni presenti in un atomo prende il nome di numero atomico Z

H Z =1

C z=6Se andiamo a vedere le masse dei costituenti del nucleo ci accorgeremo che protoni e neutroni hanno masse allincirca uguali mentre gli elettroni sono circa 1800 volte pi leggeriPerci la massa degli atomi data dalla somma dei protoni e degli elettroni in essi presentiNumero di massa atomicaSi definisce numero di massa atomica (A) il numero dei nucleoni presenti in un atomo

Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo non sono distribuiti a caso a si trovano in particolari zone dette gusci elettroniciTeoricamente non c un limite al numero dei gusci elettronici ma normalmente si dice che i gusci elettronici sono 7 perch con questa quantit possibile sistemare tutti gli atomi fino a Z=119 ma tale atomo non stato ancora scopertoAd ogni guscio compete una particolare energia che ne determina il livello energeticoIl primo guscio contiene 2 elettroni, lultimo guscio al massimo 8 elettroniI gusci elettronici

ArgoSappiamo gi dallo scorso anno che atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoniMa non assolutamente detto che abbiano lo stesso numero di neutroni anzi non assolutamente cosSe il numero di neutroni pu variare significa che nellatomo di un elemento fisso il numero Z ma pu variare il numero ASi 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 loroGli isotopi

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 giustaNel1870il chimico tedescoIulius Mever pubblic un modello di tavola degli elementi.In maniera indipendente, il professore di chimica russo Dmitrii Mendellev pubblic 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 similiLa tavola periodica degli elementi

La tavola periodica di Mendeelev presentava diversi spazi vuotiIl chimico sosteneva che questi spazi contenessero degli elementi che ancora dovevano essere scopertiIn 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:Lesistenza di elementi che ancora dovevano essere scopertiPrediceva le caratteristiche che dovevano avere questi elementi e perci dava delle indicazioni ben precise su come andarli a cercareIl successo di entrambe le previsioni fece di Mendeleev uno dei maggiori scienziati di fama mondiale

Differenza fra previsioni di Mendeleev e verifiche sperimentali sullelemento chimico Z = 32 sconosciuto a Mendeleev. FonteAntonio F. Gimigliano,Il sistema periodico degli elementiinLa materia in formule, 2000, Brescia, Editrice La Scuola, pp. 120.Dalla struttura della tavola periodica e dalla comprensione del modo in cui i vari atomi si combinavano gli scienziati ebbero lintuizione sul modo con cui gli elettroni si potavano distribuire allinterno degli atomiLattuale tavola periodica conta 118 atomi di cui 92 maturali e 26 artificiali (transuranici) ottenuti in laboratorio, il pi pesante il UnunoctiumIn essa si contano: 7 righe orizzontali dette periodi8 colonne verticali dette gruppiUn gruppo di elementi detti di transizione Due sottogruppi dei lantanidi e degli attinidi

Tavola PeriodicaNella 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 solidiSono lucidi e splendentiHanno alto punto di ebollizione e fusione (ecc. alcalini)Sono duttili (ridotti in fili)Sono malleabili (ridotti in fogli)Conduttori di elettricit e caloreMetalli

A temperatura ambiente la maggior parte si trova allo stato gassoso, il Br liquido mentre C, S, e Si sono solidiSono opachiHanno bassi punti di fusione e di ebollizioneNon sono ne duttili ne malleabiliSono cattivi conduttori di calore (ecc. C)Non metalli

ZolfoGrafite

DiamanteNomi e simboliOgni atomo ha un suo simbolo che deriva dal suo nome latinoElementoNome latinoSimboloLetturaIdrogenoOssigenoCalcioFerroMercurioCarboniohydrogenumoxygenumcalciumferrumhydrardyrumcarboniumHOCaFeHgCaccaoci-aeffe-eacca-gci23H2OFormule chimicheNotazione che utilizza simboli e indici per dare informazioni relative alla composizione atomica e alla struttura di una molecolaidrogen0ossigenoNella molecola ci son 2 atomi di idrogenoLa presenza del simbolo e lassenza di un numero indica che nella molecola c un solo atomo di ossigeno

AcquaSi legge accadueoCaCO3Simbolo del calcio

Simbolo del carbonio Simbolo dellossigenoSono privi di indice quindi c un solo atomoSono presenti 3 atomi di ossigenoCarbonato di calcioSi legge ciaciotre

MetanoCH4Simbolo del carbonioSimbolo dellidrogenoSono presenti 4 atomi di idrogenoSi legge ciaccaquattroAcqua ossigenataH2O2Atomo di idrogenoAtomo di ossigenoSono presenti 2 atomi di idrogenoSono presenti 2 atomi di ossigenoSi legge accadue-odue

Un numero relativamente piccolo di atomi pu originare un numero elevatissimo di composti chimiciCome abbiamo gi visto questo si origina mettendo insieme diversi tipi di atomiTutto questo pu grazie alla capacit degli atomi di formare legami chimiciMa come si formano questi legami?I legami chimiciGli elementi dei gas nobili hanno 8 elettroni sullorbitale esternoSappiamo che tali elementi erano tutti sconosciuti a Mendeleev perch non formano composti con gli altri atomiCi si verifica perch tali atomi hanno lorbitale esterno completo perchPerch non pensare che anche gli atomi possano cercare di legarsi per raggiungere questa configurazione elettronica esterna particolarmente stabile?Regola dellottetto

Lelio e il neon sono due gas nobili e hanno lorbitale esterno completo (2e e 8 e)Gli atomi che non hanno lorbitale esterno completo sono elementi chimicamente instabili (non fisicamente instabili come ad esempio il tritio che radioattivo) e sono fortemente reattivi cio tendono a formare legami con gli altri atomi

Idrogeno e ossigeno non hanno lorbitale esterno completo e perci sono fortemente reattivi

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

Se noi contiamo gli elettroni abbiamo che nella molecola di acqua lidrogeno ha due elettroni sullorbitale esterno e lossigeno 8 elettroni sullorbitale esterno perci la formazione della molecola di acqua ha portato al completamento dell'orbitale esterno

Se noi contiamo gli elettroni abbiamo che nella molecola di metano lidrogeno ha due elettroni sullorbitale esterno e il carbonio 8 elettroni sullorbitale esterno perci 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

Gli atomi quando si incontrano entrano i contatto tramite gli elettroni dellorbitale esterno perci sono questi che formano legamiQuesti elettroni sono anche detti elettroni di valenza e il loro numero stabilisce quanti legami pu formare latomoSi dice valenza il numero di legami chimici che un atomo pu fareLa valenza

Gli elementi del gruppo I hanno valenza 1

Gli elementi del gruppo II hanno valenza 2Gli elementi del gruppo III hanno valenza 3Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 4

Gli elementi del gruppo V hanno valenza 3Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 2Gli elementi del gruppo VII hanno valenza 1Gli elementi del gruppo VIII hanno valenza 0

Lossigeno ha valenza 2 perci pu formare 2 legami: o fa un doppio legame con un altro atomo di ossigeno oppure lega due atomi di valenza 1 (lH)

Il carbonio ha valenza 4 pu 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

metanoAnidride carbonicaformaldeideAcido cianidricoIl termine deriva dal greco che significa andare uno strano nome per un atomo ma vediamo cosa indusse Faraday nel 1834 ad introdurre questo termineGli ioni hanno la capacit di muoversi allinterno di un campo elettrico (da qui il nome) Lacqua che per sua natura un ottimo isolante diventa conduttore se facciamo una soluzione con un composto ionico (cio 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 elettricaGli ioniSi definiscono ioni atomi o gruppi atomici dotati di carica elettrica, positiva o negativa a seconda che abbiano perduto o acquistato uno o pi elettroni rispetto alla loro normale configurazione di sistema elettronicamente neutroGli ioni vengono indicati, con il simbolo dellatomo o del gruppo atomico, portante in alto a destra tanti segni + o quanti sono gli elettroni perduti o acquistatiPrendiamo in considerazione latomo di sodio

Esso ha un solo elettrone nellorbitale 3Questa configurazione instabile

Un atomo di sodio pu raggiungere la sua configurazione stabile perdendo lelettrone dellobitale n3

Se latomo di Na cede questo elettrone raggiunge la configurazione elettronica esterna del Ne diventando per Na+

Questo perch il numero dei protoni non variato

Uno ione con carica positiva si chiama catione

Il cloro ha 7 elettroni sullultimo orbitale (n=3)

Questa configurazione elettronica instabile perch il livello esterno non completo

Se il cloro acquista un elettrone assume la stessa configurazione elettronica esterna dellargo diventando per Cl-Questo perch il numero dei protoni non variatoUno ione con carica negativa si chiama anione

Fonte: http://www.apprendiscienza.itNormalmente gli atomi del primo e secondo gruppo formano cationi quando formano legamiQuelli del sesto e settimo gruppo tendono a formare anioni specie quando si legano con quelli del primo e secondo gruppoNegli altri casi gli atomi tendono a condividere gli elettroni nei legami chimici piuttosto che formare ioniQuesto comportamento tipico anche dellidrogeno pur appartenendo al primo gruppo

Quando si formano gli ioni?Il sodio acquista la sua configurazione elettronica stabile cedendo lelettrone dellorbitale n=3 diventando Na+Cedendo il suo elettrone allatomo di cloro che diventa Cl-In questo nodo anche il cloro raggiunge la configurazione di gas nobile Il legame ionico

A questo punto abbiamo un catione sodio con carica positiva e un anione cloruro con carica negativaGli ioni con carica opposta si attraggono per forza elettrostaticaSi origina cos un nuovo composto: il cloruro di sodio con la formazione di un legame ionicoIl legame ionico la conseguenza dell'attrazione elettrostatica che si manifesta tra i due ioni di carica opposta.

Fonte immagini: http://www.apprendiscienza.it

Latomo di cloro ha 7e sullorbitale

Manca un solo elettrone per raggiungere la struttura elettronica dellargo

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 dellorbitale eterno completo

Con la formazione di un legame covalenteNel legame covalente i due elettroni appartengono contemporaneamente ai due atomi di cloroLegame covalente fra atomi ugualiPrendiamo in considerazione un atomo di cloro e uno di idrogenoUn atomo di cloro pu raggiungere la configurazione elettronica di un gas nobile se acquisisce un elettroneLa stessa cosa succede per latomo di idrogeno che in questo modo acquisisce la configurazione elettronica esterna dellelioA ciascuno dei due perci serve un elettroneSe condividono due elettroni risolvono il problema raggiungendo entrambi 8 elettroniLa coppia condivisa forma un legame covalente fra latomo di cloro e latomo di idrogenoI due elettroni condivisi si muovono intorno ad entrambi gli atomiIl legame covalente fra atomi diversi

Fonte http://www.apprendiscienza.itNei metalli gli atomi perdono facilmente gli elettroni pi esterni trasformandosi in ioni positiviQuesti ioni vanno ad occupare il minor spazio possibile sistemandosi all'interno di un reticolo cristallinoGli elettroni persi non appartengono ad un singolo atomo ma a tutto il reticolo del solidoEssi sono liberi di muoversi fra gli ioni positivi garantendo la neutralit del sistema e fungendo da collante per gli ioni metalliciIl legame metallico

La teoria della materia ha da sempre rappresentato unidea portante della scienza anzi essa nata insieme alla scienzaTalete sostenne che il principio di tutte le cose fosse lacquaAnassimene lo ricondusse allariaAnassimandro ad una sostanza primigenia detta apeironEraclito al fuocoEmpedocle introdusse i 4 elementi che dominarono la scena fino al rinascimento (terra, acqua, aria fuoco)Storia dellatomoAccanto a questa visione dominante si mantenne sempre viva la teoria atomica formulata da DemocritoDemocrito deduce l'esistenza di atomi da un processo logico e puramente teorico attraverso il quale comprende che scomponendo la materia in parti sempre pi piccole non si pu 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:la materia costituita da particelle elementari, detteatomi;gli atomi sono indivisibili e inalterabili;gli atomi di uno stesso elemento sono identici tra loro, possedendo la stessa massa e le stesse propriet;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), ocomposti; in ogni determinato composto, il rapporto numerico con cui sono combinati gli atomi costituenti definito e costante.

46Nel 1897 Thomson studiando il passaggio della corrente elettrica nei gas rarefatti, dimostra che i raggi emessi dal catodo (raggi catodici) sono particelle di carica negativaSiccome latomo neutro debbono esistere particelle di carica positivaNel modello atomico a panettone di Thomson: latomo 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.

Rutherford bombardando una sottile lamina di oro con particelle alfa (costituite da due protoni e due neutroni e dotate perci di carica positiva 2+) si accorse che molte di queste venivano deviate mentre se fosse stato vero il modello di Thomson dovevano passare senza deviazioniDa questo esperimento si accorse che le cariche negative dovevano trovarsi allesterno dellatomo e quelle positive al suo interno e che latomo era sostanzialmente vuotoRutherford propone perci 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.

Gli elettroni in movimento dovrebbero emettere energia elettromagnetica e cadere sopra il nucleo perci il modello di Rutherford da origine ad un atomo instabilePer superare questo inconveniente Bohr propose un nuovo modello basata sulla moderna fisica quantistica sviluppata da lui stesso, Plank ed EinsteinNel modello di Bohr lelettrone 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 l della scuola media perci ci fermiamo qui

Fonte: Zanichelli online scuola