Capitolo 2: Gli Atomi e la Teoria Atomica

Prime Scoperte

Lavoisier 1774 La Legge di Conservazione della Massa

Proust 1799 Legge della Composizione Costante

Dalton 1803-1808 Teoria Atomica

La Teoria Atomica di Dalton

Ogni elemento chimico è composto da microscopicheparticelle dette atomi.

Non è possibile creare o distruggere gli atomi in unareazione chimica.

Tutti gli atomi di un medesimo elemento hanno le stesseproprietà.

I composti si formano quando si combinano gli atomi didiversi elementi

Legge delle proporzioni definite

Un composto puro, qualunque sia l’origine o il modo dipreparazione, contiene sempre quantità definite ecostanti degli elementi proporzionali alla loro massa

Anidride Carbonica (COAnidride Carbonica (CO22):):Carbonio:Carbonio: 27,3 %27,3 %Ossigeno:Ossigeno: 72,7 %72,7 %

Ossido di Carbonio (CO):Ossido di Carbonio (CO):Carbonio:Carbonio: 42,9 %42,9 %Ossigeno:Ossigeno: 57,1 %57,1 %

Gli Elettroni e le Scoperte della Fisica Atomica

Se a due elettrodi posti alle estremità di un tubo in cui è fatto ilvuoto viene applicato un alto voltaggio, dall'elettrodo negativo(catodo) si dipartono dei raggi detti raggi catodici.

Thomson dimostrò che tali raggi sono costituiti da un flusso diparticelle cariche negativamente che chiamò elettroni.

Vari esperimenti condotti all'inizio del 1900 dimostrarono che gliatomi non sono indivisibili ma costituiti da particelle più piccole(elementari).

La scoperta degli elettroni

Tubo a raggi catodici

La deviazione di unraggio catodico daparte di un campoelettrico e di uncampo magnetico

Elettrone m/e = -5.6857 x 10-9 g coulomb-1

La Carica dell’Elettrone

Tra il 1906-1914 Robert Millikan dimostrò che la caduta digoccioline ionizzate di olio poteva essere fermata/rallentataapplicando un campo elettrico.

Il valore della carica su una gocciolina è un multiplo intero della carica dell’elettrone, e.

L’Atomo Nucleare

Geiger e Rutherford1909

La Dispersione delle Particelle α La maggior parte della massa e tutta

la carica positiva è concentrata inuna regione molto piccola dettanucleo .

Il n. di elettroni esterni al nucleo èuguale al n. delle cariche positivenel nucleo.

L’Atomo Nucleare

Rutherfordprotoni 1919

James Chadwickneutroni 1932

Diametro dell’atomo 10-8 cm Diametro del nucleo 10-13 cm

La Struttura del Nucleo

Particella Massa Caricakg amu Coulombs (e)

Elettrone 9.109 x 10-31 0.000548 –1.602 x 10-19 –1Protone 1.673 x 10-27 1.00073 +1.602 x 10-19 +1Neutrone 1.675 x 10-27 1.00087 0 0

1 Å

Dimensioni degli Atomi

Unità di misura:

1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg 1 pm (picometer) = 1 x 10-12 m 1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm

L’atomo più pesante ha una massa di soli 4.8 x 10-22 ge un diametro di 5 x 10-10 m.

• Tutti gli atomi di un dato elemento hanno lostesso numero di protoni

• Il numero di protoni in un atomo prende nomedi numero atomico, Z

• Gli atomi neutri hanno ugual numero di protonied elettroni

• Gli atomi variano la carica elettronicaacquistando o cedendo elettroni (non i protoni)

• La somma dei protoni e neutroni in un atomopende nome di numero di massa, A

Numeri atomici e numeri di massa

Numeri atomici e numeri di massa

Simbolismo per rappresentare un determinato atomo:

XXZZAA nn

numero atomiconumero atomico

caricacarica

Simbolo dellSimbolo dell’’elementoelemento

numero di massanumero di massa

Esempio

Determinare il numero di elettroni, protoni, eneutoni nel seguente atomo.

ArAr40401818

Z = 18, quindi sono presenti 18 protoni

A = 40, A = # di protoni + # di neutroniQuindi, # neutroni = A − # protoni 40 – 18 = 22 neutroni

Carica, n = 0, quindi # di e– = 18

ArAr40401818

Isotopi

• Atomi che hanno un uguale numero diprotoni ma un diverso numero di neutroni.Z rimane identico, A (il mumero di massa)cambia

• Il n. di elettroni non è rilevante

Abbondanza isotopicaUn campione naturale di zolfocontiene diversi isotopiaventi la seguente abbondanzaIsotopo % abbondanza 32S 95.02 33S 0.75 34S 4.21 36S 0.02

# di atomi di un dato isotopo% Abbondanza = ──────────────────────────── x 100 Somma # di atomi di tutti gli isotopi nell’elemento

32S, 33S, 34S, 36S16 16 16 16

Determinazione delle Masse Atomiche

••Spettrometro di massaSpettrometro di massa..––Strumento cheStrumento chegenera genera ioni cheioni cheattraversando attraversando ununmagnete vengonomagnete vengonodeflessi deflessi in base in base allaallaloro massaloro massa..

Alla massa dell’isotopocarbonio-12 si attribuisceuna massa di riferimentopari a 12 uma.

Le masse degli altrielementi si basano suquesto riferimento

Tavola Periodica(*)

• Una lista di elementi ordinata in accordo alle loro proprietà chimiche efisiche

• I Gruppi o Famiglie contengono elementi con proprietà simili posizionati incolonne verticali

• I Periodi sono righe orizzontali di elementi. Ciascun periodo vieneidentificato da un numero, da 1 a 7.

(*) organizzata da Mendeleev (1869) basandosi sulle masse atomiche, poi modificatada Moseley (1913) basandosi sul numero atomico degli elementi.

•Masse atomiche degli elementi.•Stati di ossidazione.•Configurazioni elettroniche degli elementi.•Proprietà fisiche e chimiche degli elementi.

Che cosa troviamo nella Tavola Periodica

La Tavola Periodica

• In base al numero o all’elemento chimico che licaratterizza

• Alcuni hanno dei nomi: Gli Elementi Rappresentativi• Metalli alcalini - gruppo 1A• Matalli alcalino terrosi - gruppo 2A• Gas nobili - gruppo 8A• Alogeni- gruppo 7A• Calcogeni - gruppo 6A• Gruppo dell’azoto - gruppo 5A

Gruppi

Gruppo 1A(1), i metalli alcalini: litio, sodio,potassio rubidio, cesio, e francio.

Metalli Alcalini

Gruppo 7A(17) glialogeni: fluoro,cloro, bromo, eiodio.

Alogeni

Elementi Rappresentativi

1

Cr98

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

3

11

19

37

55

87

1.008

6.941

22.99

39.10

85.47

132.9

4

12

20

38

56

88

9.012

24.31

40.08

87.62

137.3

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

21

39

57

89

44.96

88.91

138.9

Sc

Y

La

Ac

22

40

72

104

47.88

91.22

178.5

Ti

Zr

Hf

Unq

23

41

73

105

50.94

92.91

180.9

V

Nb

Ta

Unp

24

42

74

106

52.00

95.94

183.8

Mo

W

Unh

25

43

75

54.94

186.2

Mn

Tc

Re

Fe

Ru

Os

26

44

76

55.85

101.1

190.2

27 28 29 30

58.93 58.69 63.55 65.39Co Ni Cu Zn

Rh Pd Ag Cd

Ir Pt Au Hg

45 46 47 48

77 78 79 80

102.9 106.4 107.9 112.4

192.2 195.1 200.6197.0

2

5 6 7 8 9 10

13 14 15 16 17 18

31 32 33 34 35 36

49 50 51 52 53 54

81 82 83 84 85 86

4.003

10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18

26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95

69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80

114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3

204.4 207.2 209.0

He

B C N O F Ne

Al Si P S Cl Ar

Ga Ge As Se Br Kr

In Sn Sb Te I Xe

Tl Pb Bi Po At Rn

Cr

1

1A

2A

3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B

3A 4A 5A 6A 7A

8A

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

140.1 140.9 144.2 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0

232.0 238.0

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Fm Md No LwTh Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es

(223) (226) (227) (257) (260) (263)

(210) (210) (222)

(257)(254)(256)(253)(254)(249)(247)(243)(242)(237) (247)(231)

(147)

(98)

107 108 109

Uns Uno Une(262) (265) (266)

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18

8B8B

Elementi di Transizione

1

Cr98

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

3

11

19

37

55

87

1.008

6.941

22.99

39.10

85.47

132.9

4

12

20

38

56

88

9.012

24.31

40.08

87.62

137.3

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

21

39

57

89

44.96

88.91

138.9

Sc

Y

La

Ac

22

40

72

104

47.88

91.22

178.5

Ti

Zr

Hf

Unq

23

41

73

105

50.94

92.91

180.9

V

Nb

Ta

Unp

24

42

74

106

52.00

95.94

183.8

Mo

W

Unh

25

43

75

54.94

186.2

Mn

Tc

Re

Fe

Ru

Os

26

44

76

55.85

101.1

190.2

27 28 29 30

58.93 58.69 63.55 65.39Co Ni Cu Zn

Rh Pd Ag Cd

Ir Pt Au Hg

45 46 47 48

77 78 79 80

102.9 106.4 107.9 112.4

192.2 195.1 200.6197.0

2

5 6 7 8 9 10

13 14 15 16 17 18

31 32 33 34 35 36

49 50 51 52 53 54

81 82 83 84 85 86

4.003

10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18

26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95

69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80

114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3

204.4 207.2 209.0

He

B C N O F Ne

Al Si P S Cl Ar

Ga Ge As Se Br Kr

In Sn Sb Te I Xe

Tl Pb Bi Po At Rn

Cr

1

1A

2A

3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B

3A 4A 5A 6A 7A

8A

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

140.1 140.9 144.2 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0

232.0 238.0

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Fm Md No LwTh Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es

(223) (226) (227) (257) (260) (263)

(210) (210) (222)

(257)(254)(256)(253)(254)(249)(247)(243)(242)(237) (247)(231)

(147)

(98)

107 108 109

Uns Uno Une(262) (265) (266)

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18

8B8B

Metalli, Non-metalli e Semimetalli

Gli elementi sono classificati in due categorie principali metalli enon-metalli divisi sulla tavola da una linea a zigzag

I metalli sono solidi (eccetto il mercurio) con una caratteristicalucentezza, malleabilita e duttilità; sono inoltre buoni conduttoridi calore ed elettricità

I non-metalli sono gas o solidi (eccetto il bromo) che nonpresentano caratteristiche metalliche

Gli elementi attorno alla linea a zigzag hanno caratteristicheintermedie fra metalli e non-metalli e sono noto comesemimetalli o metalloidi. (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At)

Le caratteristiche metalliche aumentano da destra verso sinistrae dall’alto verso il basso.

Gas Nobili

• Sono gli elementi meno reattivi• Sono gas, poco abbondanti sulla Terra, però

l’elio è l’elemento più abbondantenell’universo dopo l’idrogeno

• Il Neon viene utilizzato nelle insegneluminose

• Alcuni laser utilizzano He, Ar, Kr

La Mole

• Fisicamente è impossibile contare gli atomi.

• E’ necessario mettere in relazione il n. di atomicon una massa misurabile.

Mole: è unità di misura.

Numero di Avogadro• La quantità di atomi, ioni, molecole, elettroni in un

composto sono misurati in moli.

• 1 mole di atomi, … = 6.0221367 × 1023 unità(6.0221367 × 1023 = N Numero di Avogadro).

• in1 mole di atomi di 12C vi sono 6.02 x 1023 atomi• in 1 mole di molecole di H2O vi sono 6.02 x 1023 molecole• in1 mole di ioni NO3

- vi sono 6.02 x 1023 ioni

Massa Molare

• La massa molare, M, è la massa in grammi di unamole di sostanza, ed è numericamente uguale alpeso atomico/molecolare della sostanza

Per definizione, 1 mole of 12C = 12 g. (12g/mol)

Massa molare di Massa molare di Na Na = 22.990 = 22.990 g/molg/molMassa molare di Cl Massa molare di Cl = 35.453 g/mol= 35.453 g/molMassa molare di Massa molare di O O = 15.999 g/mol= 15.999 g/mol

Calcoli di moli

1) grammi ⇒ moli

A quante moli corrispondono 10,0 g di C2H5OH ?

PM(C2H5OH) =12,0 x 2 +16,0 + 6 x 1,01= 46,1 u.m.a.

Massa molare Massa molare = 46,1 g/mol= 46,1 g/mol

mol 0,217g/mol 46,1

g 10,0n ==

(g/mol) molare massa

g) massa( (n) moli di numero =

2) Moli ⇒ grammi

Quanto pesano 0,0654 moli di ZnI2 ?

PM(ZnI2)= 65,39 + 126,90 x 2= 319,2 u.m.a.

Massa molare di ZnI2= 319,2 g/mol

Peso = 0,0654 mol x 319,2 g/mol= 20,9 g

Esercizio

• Quanti atomi di C ci sono in 0.350 moli diC6H12O6 (glucosio)?

Atomi di C = [0.350 moli C6H12O6 x (6.02 x 1023

molecole/1 mol C6H12O6) x (6 C atomi/1 molecola)] =1.26 x 1024 C atomi

Esercizio

Convertire le moli in massa• Calcolare il numero di moli di glucosio

contenute in 5.380 g. (glucosio C6H12O6; PM 180g/mol)

• Moli di C6H12O6 = [5.380 g C6H12O6 x (1 moleC6H12O6/ 180 g C6H12O6)] = 0.02989 mol C6H12O6

In pratica: moli di A = grammi di A / PA o PM di A

Esercizio

Convertire la massa in n. particelle

• Calcolare il numero di atomi presenti in 3 gof Cu? (PA 63,5 g/mol)

• Atomi di Cu = [3 g Cu x (1 mole Cu/63,5gCu) x (6.02 x 1023 atomi Cu/1 mole Cu)] =2,84 x 1022 atomi di Cu

Combinazione di diversi fattori di conversione in unproblema. Massa Molare, Costante di Avogadro,Abbondanze Percentuali

Il potassio-40 è uno dei pochi isotopi radioattivinaturali degli elementi a basso numero atomico. Lasua abbondanza percentuale è 0.012%.

Quanti atomi di 40K sono presenti in 371 mg di K?

(PA = 39,1)

Esempio 2-8

Soluzione

mK (g) x 1/MK (mol/g) nK(mol)

1. Convertire la massa del K (mg K) in moli di K (mol K)

2. Convertire le moli di K in atomi di 40K

nK(mol) x NA atomi K x 0.012% atomi 40K

nK = (0.371 g) x (1 mol) / (39.10 g) = 9.49 x 10-3 mol K

atomi 40K = (9.49 x 10-3 mol) x (6.022 x 1023 atomi /mol)

x (1.2 x 10-4 40K/K) = 6.9 x 1017 40K atomi

Radioattività

La radioattività è un fenomeno spontaneo e implical’emissione di radiazioni da parte di una sostanza.

Raggi X e γ sono radiazioni ad alta energia.

Particelle α sono i nuclei dello ione, He2+.

Particelle β sono elettroni ad alta velocità che

si originano nel nucleo.