La materia e gli stati di aggregazione

Fin qui abbiamo considerato oggetti e corpi come punti materiali, o nel caso dei corpi celesti come sfere rigide e omogenee, internamente inanimate e prive di struttura. Per lo studio della cinematica e della dinamica dei corpi soggetti a forze meccaniche questa è una semplificazione ragionevole E’ sufficiente però osservare qualcun dei tanti fenomeni naturali intorno a noi per capire che in realtà un corpo non è un’entità indistruttibile o immodificabile: quando due corpi si urtano (come le meteoriti sul suolo terrestre), possono rompersi, disintegrarsi, cedere o assorbire energia Inoltre i corpi non sono affatto inanimati: essi sono costituiti da un’enorme numero di particelle che si muovono a velocità elevatissima vibrando e scontrandosi tra loro, ma troppo piccole per essere visibili dal nostro occhio Per comprendere nel profondo molti fenomeni naturali dobbiamo quindi capire di cosa è costituita la materia e come queste entità primarie si aggregano per formare la materia che appare ai nostri occhi

Che cos’è la MATERIA?

Per la FISICA CLASSICA la materia è tutto ciò che occupa uno spazio e che possiede una massa. Tutto ciò che ci circonda è fatto di materia: il cucchiaio, il libro, la penna, la bicicletta, ma anche le stelle e i pianeti

Per la FISICA QUANTISTICA che descrive corpi leggerissimi e velocissimi come le particelle elementari, i concetti di spazio occupato e massa sono ancora validi; però bisogna tener presente che:

✓ occupare uno spazio è un concetto probabilistico, non deterministico: lo vedremo studiando l’elettrone

✓ non tutte le particelle hanno massa: ad esempio i fotoni, le particelle di luce che colpendo la retina dell’occhio ci permettono di vedere, hanno energia ma sono prive di massa

In questo capitolo ci limitiamo allo studio della materia composta da entità fisiche dotate di massa; è importante però tenere presente che esistono entità fisiche prive di massa, come le particelle di luce, le quali interagiscono fortemente con la materia (lo vedremo nello studio dell’ottica)

Gli stati di aggregazione della materia

In natura la materia si presenta in tre stati di aggregazione: lo stato solido, lo stato liquido e lo stato gassoso o aeriforme

SOLIDO

LIQUIDO

AERIFORME

Stato Solido

Un corpo solido ha:

✓ Massa propria

✓ Volume proprio

✓ Forma propria

I corpi solidi sono indeformabili (ovvero non possono cambiare forma, che non significa indistruttibili) ed occupano un volume ben preciso

Stato liquidoUn liquido ha:

✓ Massa propria

✓ Volume proprio

✓ I liquidi non hanno forma propria, assumono la forma del recipiente che li contiene. Se versiamo 100 ml di acqua da un cilindro graduato in 3 contenitori di diversa forma, notiamo che l’acqua raggiunge livelli diversi assumendo la forma del recipiente che la contiene. Se la travasiamo nuovamente nel cilindro di partenza graduato notiamo che il volume è rimasto uguale, cioè 100 ml

I liquidi sono incomprimibili: proviamo a riempire una siringa con un liquido qualsiasi: premendo sul tappo non riusciremo a ridurne il volume in alcun modo

Stato gassoso o aeriforme✓ I gas hanno massa propria✓ Non hanno né forma né volume proprio; essi assumono la forma e il volume del recipiente che li contiene, occupando tutto lo spazio a disposizione.

Provate a:

✓ friggere senza chiudere la porta della cucina ✓ rompere una boccetta di profumo ✓ preparare il caffè In tutti i casi l’odore si spanderà per tutta la casa; l’odore è dovuto alle molecole di olio, profumo o caffè allo stato di vapore che si mescolano con le molecole d’aria della casa cercando di occupare tutto lo spazio a disposizione

I gas sono parzialmente comprimibili; possiamo comprimere l’aria all’interno della siringa, ma fino ad un certo punto

Stati intermedi

Sostanze elastiche (elastici, molle)Sono solidi, ma con la particolare caratteristica di deformarsi sotto sforzo meccanico in modo non permanente; quando lo sforzo viene rilasciato la sostanza torna alla forma naturale.

Sostanze plastiche (pongo, plastilina)Sono uno stato intermedio tra solido e liquido, in quanto non hanno forma propria; una volta deformati conservano permanentemente quella forma

Abbiamo detto che i solidi, a differenza dei liquidi, hanno forma propria. In realtà esistono eccezioni, ovvero solidi la cui forma può essere modificata temporaneamente o permanentemente:

Competizione tra agitazione termica e forze di coesione

Ogni sostanza è frutto dell’aggregazione di un enorme numero di atomi o molecole (le molecole sono aggregati di pochi atomi)

Atomi e molecole si attraggono tra loro mediante forze elettriche, dette anche forze di coesione; in assenza di forze elettriche non esisterebbero gli atomi, le molecole, né alcuna sostanza da essi composta

Atomi e molecole sono sempre in continuo movimento causato dall’agitazione termica; il grado di agitazione termica è dato dalla temperatura: più un corpo è caldo, più le molecole e gli atomi di cui la sostanza è costituita vibrano e urtano tra loro

Lo stato di una sostanza dipende da quale di queste due grandezze prevale: è una competizione tra agitazione termica e forze coesive

✓ se prevalgono le forze di coesione la sostanza assume stato solido

✓ se prevale l’agitazione termica la materia assume stato gassoso

✓ lo stato liquido è quello intermedio tra i due

Competizione tra agitazione termica e forze di coesione

AGITAZIONE TERMICA FORZA COESIVA

STATO LIQUIDO: l’agitazione termica è abbastanza forte da disordinare le particelle ma non sufficiente per separarle del tutto

STATO GASSOSO:prevale l’agitazione termica, gli atomi (o molecole) si distaccano tra loro e diffondono in tutto lo spazio disponibile

STATO SOLIDO: prevalgono le forze di coesione, gli atomi si dispongono in reticoli ordinati, vibrando come palline connesse da molle

I passaggi di stato A temperatura ambiente e pressione atmosferica ogni sostanza assume

uno specifico stato di aggregazione (solido, liquido, aeriforme) che dipende dell’intensità delle forze coesive tra le particelle componenti

In generale, al variare di temperatura e pressione ogni sostanza può assumere ciascuno di questi 3 stati di aggregazione. Ad esempio l’acqua a pressione atmosferica assume:

✓ lo stato solido (ghiaccio) per temperature inferiori a 0 oC

✓ lo stato liquido per temperature tra 0 e 100 oC

✓ lo stato gassoso (vapore acqueo) per temperature oltre i 100 oC

Fornendo o sottraendo calore (ovvero innalzando o abbassando la temperatura) si può indurre un passaggio da uno stato all’altro

sublimazione

brinazione

Come sono fatti gli oggetti?

Possiamo pensare gli oggetti come strutture da montare e smontare, come i LEGO

Negli oggetti i mattoncini LEGO sono gli atomi. Come i LEGO, anche gli atomi hanno gli agganci

In pratica gli agganci sono forniti da alcuni elettroni, detti elettroni di valenza, che tengono uniti gli atomi proprio come dei piccoli ponti connettori. A seconda dei tipi di atomo presenti nella struttura possiamo avere mattoncini con un diverso numero di agganci

L’atomo ( ‘atomos‘, indivisibile)

0Nq

Neutrone KgM N

27107.1

ProtoneKgM P

27107.1

CeqP

19106.1

ElettroneKgM e

31101.9

Ceqe

19106.1

✓ Ogni atomo è composto da un nucleo al centro formato da neutroni e

protoni; il neutrone è privo di carica elettrica, il protone ha carica +e✓ All’esterno del nucleo vi sono gli elettroni, i quali hanno carica –e; la massa dell’elettrone è 1800 volte minore di quella di protone e neutrone✓ Normalmente l’atomo è neutro poiché contiene un uguale numero di elettroni di carica negativa, e protoni di carica uguale ma positiva✓ Delle 3 particelle che compongono l’atomo, soltanto l’elettrone è una particella elementare, mentre il protone ed il neutrone sono composti dall’unione di 3 quarks

Democrito di Abdera (460 a.c.) propose la teoria atomistica

Dimensione dell’atomo

✓ La dimensione del nucleo è all’incirca 5 ordini di grandezza più piccola di quella dell’intero atomo !! Se il nucleo fosse grande quanto la testa di uno spillo, circa 1 mm, l’atomo intero avrebbe un diametro di 100 m, ovvero sarebbe grande come un campo da calcio. ✓ L’atomo è come un immenso spazio vuoto, abitato da particelle leggerissime e velocissime (gli elettroni) che vagano a folle velocità attorno al nucleo, piccolissimo e pesante, posto al centro di questo spazio

mdN

1510

mdA

1010

L’atomo: una lunghissima storia di ipotesi e scoperte, dai Greci ai nostri giorni

Democrito e i filosofi greci, nel IV sec. a.C., propongono la “teoria atomistica”: la materia è costituita da minuscole particelle, diverse tra loro, chiamate atomi la cui unione dà origine a tutte le sostanze conosciute. Queste particelle erano la più piccola entità e non potevano essere

ulteriormente divise (dal greco atomos, “indivisibile”)

Il filosofo latino Lucrezio Caro nel “De Rerum Naturae” (I sec. a.C.) afferma che i corpi sono composti da particelle elementari: «principi primi, semi generatori delle cose», e che « gli stessi elementi sono comuni a molte cose, e a seconda di come sono aggregati, grazie alla forza che li lega, danno vita a strutture diverse». Oggi sappiamo che è così !!

John Dalton, chimico inglese, all’inizio del XIX secolo rielabora la teoria di Democrito (precedentemente abbandonata) fondando la teoria atomica moderna, secondo la quale l’atomo è la parte più piccola della materia

Joseph Thomson, nel 1897 scopre l’esistenza dell’elettrone !! Propone quindi che l’atomo sia una sfera fluida carica positivamente resa neutra da un certo numero di elettroni disseminati in essa come uvetta nel panettone

L’atomo: una lunghissima storia di ipotesi e scoperte, dai Greci ai nostri giorni

Ernest Rutherford nel 1911 scopre le particelle che formano il nucleo dell’atomo: il protone, dotato di carica elettrica positiva, e il neutrone privo di carica elettrica. La forza elettrica che tiene uniti gli elettroni al nucleo è analoga a quella gravitazionale tra i pianeti ed il Sole !! Dunque, gli elettroni descrivono delle orbite intorno al nucleo, e l’atomo viene descritto come un sistema planetario in miniatura, con il nucleo al centro e gli elettroni che orbitano attorno a esso

MODELLO PLANETARIO: L’ATOMO è quindi UNA STRUTTURA VUOTA e DINAMICA: la massa e la carica positiva sono concentrate in una piccola zona, gli elettroni si muovono velocissimi attorno nucleo, essendo molto più leggeri (1800 volte più leggeri di neutrone e protone). Ci sono però alcune differenze col sistema solare: i pianeti non sono tutti uguali, gli elettroni si. I pianeti si attraggono tra di loro, gli elettroni si respingono!

Esperimento di Rutherford - 1911Al fine di verificare il modello a panettone di Thomson, Rutherford nel 1911 all’Università di Manchester (in realtà furono i suoi collaboratori Geiger e Marsden ad effettuare l’esperimento) lanciò un fascio di particelle alfa (ovvero nuclei di Elio, carichi positivamente) prodotti da una sorgente radioattiva contro una sottilissima lamina d’oro, nel cui spessore vi erano poche migliaia di atomi. Uno schermo fluorescente venne posizionato tutt’intorno alla lamina d’oro, in modo da evidenziare l’arrivo di ogni particella alfa. Dopo l’urto le particelle deflesse venivano rivelate dallo schermo su cui producevano scintille.

Nell’ipotesi di atomo descritto dal modello a panettone di Thomson, le particelle alpha lanciate a grandissima velocità avrebbero dovuto attraversare la lamina subendo piccolissime deflessioni (al massimo di pochi gradi) poiché la carica elettrica distribuita in modo omogeneo nel panettone era troppo poco concentrata per produrre campi elettrici sufficientemente forti da deviare significativamente le particelle.

Le particelle alpha sono nuclei di Elio, ovvero l’unione di 2 protoni

+ 2 neutroni

Esperimento di Rutherford - 1911

L’atomo dunque non ha una struttura uniforme, come ipotizzato nel modello a panettone: dentro la materia ci sono piccolissimi centri, i nuclei, in cui si concentra tutta al massa e la carica positiva dell’atomo

In anni recenti è stato possibile determinare in modo completo la struttura del nucleo, rivelando che esso è formato da protoni e neutroni, entrambi i quali sono a loro volta formati da particelle più piccole: i quark.

Con sua enorme sorpresa, Rutherford osservò che

una certa frazione di particelle veniva deviata di molto; addirittura una piccolissima porzione (una ogni 8000) veniva deflessa con angoli maggiori di 90°, ovvero veniva rispedita all’indietro !!

La diffusione all’indietro era spiegabile soltanto con la presenza di una carica positiva estremamente localizzata in una regione piccolissima di spazio IL NUCLEO !!

Dalle parole di Rutherford: ”Fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. Era come sparare un proiettile a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro…ho capito che questa diffusione all'indietro … era impossibile … a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. Fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico”

La Meccanica QuantisticaNegli anni tra il 1900 e il 1930 il danese Niels Bohr, il francese Louis De Broglie, e i tedeschi Max Planck, Werner Heisenberg, l’austriaco Erwin Schrodinger tra gli altri, elaborano la MECCANICA QUANTISTICA, o TEORIA DEI QUANTI, che rivoluziona i concetti fondamentali della meccanica classica.

L’assunto fondamentale è il cosiddetto PRINCIPIO di INDETERMINAZIONE, o PRINCIPIO di HEISENBERG, per il quale non è MAI possibile conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità esatte di una particella elementare.

Consideriamo un elettrone in movimento:

✓ se misuriamo esattamente la velocità, la sua posizione diventa indeterminata: possiamo affermare che sia probabilmente in una certa zona, ma non in un punto preciso

✓ se misuriamo esattamente la posizione, la velocità diventa indeterminata: possiamo affermare che probabilmente ha una certa velocità v, ma mai conoscerne il valore con certezza

Max Planck 1858-1947

Werner Heisenberg 1901-1976

Posizione chiara, v indeterminata v determinata, posizione incerta

L’atomo ‘ai nostri giorni’: l’elettrone secondo la meccanica quantistica

Se per gli elettroni che orbitano attorno al nucleo deve valere la meccanicaquantistica, poiché la velocità orbitale è determinata, la posizione non puòpiù essere esattamente conosciuta come quella dei pianeti attorno alSole. Dunque gli elettroni non percorrono orbite precise, ma sonocome NUVOLETTE di carica attorno al nucleo.

L’immagine sottostante rappresenta la struttura orbitale di un atomo diidrogeno (costituito da un protone ed un elettrone), ottenuta recentementeutilizzando un “microscopio quantistico” che fa uso del principio dellamicroscopia fotoionizzante. Questa nuova metodologia ha permesso per laprima volta di “fotografare” direttamente l’elettrone

Il nucleo (1 protone) è invisibile su questa scala;la scala dei colori rappresenta la probabilità concui l’elettrone occupa una posizione nello spazio:vicino al nucleo il colore rosso indica massimaprobabilità di trovare l’elettrone; poi abbiamo conprobabilità decrescente giallo, celeste, ed infineblu scuro per indicare probabilità nulla di trovarel’elettrone

massima probabilità

minima probabilità

L’atomo con molti elettroni Avendo tutti carica negativa, agli elettroni piace stare vicino al nucleocarico positivamente, ma non troppo vicini tra loro poiché cariche di stessosegno si respingono

Quando vi è più di un elettrone (e un corrispondente numero di protoni) ilvolume dell’atomo è suddiviso in gusci approssimativamente sferici;ogni guscio può essere occupato da un massimo numero fissato di elettroni,come se l’atomo fosse un palazzo a più piani di cui il nucleo è a piano terra

✓ nel 1° guscio possono abitare al massimo 2 elettroni

✓ nel 2° guscio possono esserci fino ad 8 elettroni

✓ nel 3° guscio ci sono al massimo 8 elettroni

✓ nel 4° guscio al massimo 18 elettroni

✓ nel 5° guscio al massimo 18 elettroni

L’atomo di Cloro (simbolo “Cl”) ha 17 elettroni, 2 al 1o guscio, 8 al 2o, 7 al 3o

Più ci si allontana dal nucleo, più i gusci diventano ampi e quindi in grado di alloggiare un maggior numero di elettroni

Gli elettroni non possono occupare un guscio più in alto finché quello inferiore non è completamente pieno; questo perché gli elettroni gusci più vicini al nucleo sono più legati al nucleo e quindi energeticamente più stabili

L’atomo con molti elettroni

Iniziando dall’idrogeno (H) con un solo elettrone, costruiamo tutti gli altri tipi di atomo aggiungendo un elettrone per volta: l’elio (He) con 2 elettroni, il litio (Li) con 3 elettroni, e così via, fino a comporre tutta la Tavola Periodica degli Elementi

Ad eccezione dell’idrogeno, che ha solo un protone e un elettrone, ogni atomo ha lo stesso numero di elettroni, protoni e neutroni. Ad esempio il neon (Ne) ha 10 elettroni, e nel nucleo 10 protoni e 10 neutroni

Z 1° 2° 3°

Il numero di protoni presenti nel nucleo si dice NUMERO ATOMICO dell’elemento, e si indica con Z (per un atomo neutro Z è anche il numero di elettroni). Quindi per l’idrogeno Z=1, per il Neon Z=10.

La Tavola Periodica Fu il chimico russo Dmitri Mendeleev nel 1869 a redigere la prima Tavolaperiodica degli elementi. Si definisce elemento uno specifico tipo diatomo, ovvero un atomo con uno specifico numero di elettroni, protoni eneutroni. Mendeleev posizionò tutti i tipi di atomo allora conosciuti (unasessantina circa) in una Tabella.

Al tempo di Mendeleev elettrone e nucleo non erano ancora statiscoperti, non c’era nessuna idea precisa di come fosse fatto un atomo.Come fece a classificarli ?

Da chimico, egli era in grado di misurare le masse e le densità dellesostanze composte dai diversi tipi di atomi allora conosciuti. Dispose quindigli elementi in ordine di massa atomica crescente, dal più leggero(idrogeno con Z=1) al più pesante

Si accorse che gli elementi così ordinati potevano essere raggruppatiin base a caratteristiche simili, come densità e colore, e che questesimilitudini si ripetevano periodicamente. Ordinò quindi la Tavola inmodo che ogni riga fosse un ‘periodo’ ed ogni colonna rappresentasseelementi con caratteristiche simili

L’evoluzione nelle conoscenze della struttura atomica fece comprendereche la periodicità con cui si ripetono le proprietà chimiche dipendedal numero di elettroni che l’atomo possiede nel livello energeticopiù esterno

La Tavola Periodica La Tavola periodica che usiamo oggi comprende tutti gli elementiconosciuti, ordinati in base al numero atomico Z, dall’idrogeno (Z=1= alCopernicium (Cn, Z=112, scoperto nel 1996). La Tavola periodica ècostituita da caselle nelle quali sono scritti il simbolo, il numero atomico, e ilnome. Inoltre possono essere aggiunte altre informazioni come la massaatomica e le temperature relative ai passaggi di stato

La Tavola periodica comprende 18 colonne chiamate gruppi e 7 righechiamate periodi; gli elementi appartenenti alla stessa colonna hanno uncomportamento chimico simile, avendo lo stesso numero di elettroni nellivello energetico più esterno

atomi con 1 solo elettrone nel guscio più

alto (detti alogeni)

atomi con i gusci completamente pieni

(detti gas nobili)

Le proprietà fisiche e chimiche delle sostanze dipendono fortemente da quanti elettroni alloggiano nel guscio più alto; ecco

perché gli atomi appartenenti ad una stessa colonna hanno proprietà simili

I quanti di energia Perché la chiamiamo Teoria dei Quanti, o Meccanica Quantistica ? Il “quanto” deriva dal latino “quantum” e indica una certa quantità determinata. La quantità in questione è l’energia Le energie degli elettroni all’interno di un guscio si dicono quantizzate poiché non possono assumere un valore qualsiasi, ma solo quantità specifiche, detti quanti di energia. Ciò è molto diverso da quanto avviene in Meccanica Classica: ad esempio, la velocità (e dunque l’energia cinetica) di un pianeta in orbita attorno al Sole può essere qualsiasi, purché inferiore alla velocità di fuga. Chiamiamo n il numero del guscio in cui dimora l’elettrone, detto NUMERO QUANTICO PRINCIPALE; l’energia di un singolo elettrone è:

Rn

ZEn 2

2

R = 2.210-18 J è una costante universale detta costante di Rydberg. Il segno – dell’energia significa che è un’energia legante: il nucleo carico positivamente lega a sé l’elettrone. Per n=1 questa energia è massima, ovvero gli elettroni del primo guscio sono quelli più legati al nucleo. Andando verso l’esterno l’energia legante degli elettroni cala, poiché aumenta la distanza dal nucleo Dunque, l’energia interna totale dell’atomo, uguale alla somma delle energie elettroniche, dipende solo da quanti elettroni ci sono nell’atomo

I quanti di energia

RRREEE4

3

4

112

Il fatto che le energie degli elettroni nell’atomo sono quantizzate lo si è capito inviando luce (ovvero radiazione elettromagnetica) sugli atomi. La luce, colpendo un elettrone, è in grado di farlo saltare da un guscio all’altro, ovvero di “eccitare” l’elettrone, ma solo se l’energia del raggio luminoso è esattamente uguale alla differenza di energia tra guscio di arrivo (stato eccitato) e guscio di partenza (stato fondamentale) Consideriamo l’elettrone nell’atomo di idrogeno (Z=1); per far saltare l’elettrone dal guscio 1 al guscio 2 occorre un quanto di energia esattamente uguale alla differenza tra energia del guscio 2 al guscio 1

RE4

12

RE 11n

2n

Dopo un tempo molto piccolo l’elettrone eccitato ricade nel piano sottostante, riemettendoil quanto di luce che aveva assorbito durante l’eccitazione

La stabilità energetica Ma perché agli atomi piace riempire completamente i gusci di elettroni ? Cosa ci guadagnano ? Ci guadagnano energia legante, diventando più energeticamente stabili

In natura il principio fondamentale che regola i processi chimici e fisici è quello della stabilità energetica: il sistema cerca di RIDURRE la propria energia totale in modo da aumentare la stabilità energetica.

Un elettrone aggiunto ad un guscio non pieno di numero quantico nfornisce un “quanto” di energia coesiva aggiuntivo all’energia totale atomica dato da:

Rn

ZEn 2

2

Notiamo che il quanto di energia si aggiunge all’energia totale dell’atomo, ma a causa del segno – l’energia totale diventa più negativa, dunque diminuisce, ed il sistema diventa più stabile. In altri termini, più è alta l’energia legante tra elettroni e nucleo, più è bassa l’energia totale dell’atomo, e dunque più il sistema diventa stabile.

Meccanica quantistica vs. meccanica classica

ATTENZIONE: Newton non è andato in pensione !!

La Meccanica Quantistica è necessaria per particelle elementari dimassa piccolissima come gli elettroni; i nuclei sono abbastanza pesantida poter essere ben descritti dalla meccanica classica di Newton

Per tutti gli oggetti macroscopici continua a valere la meccanicaclassica: per gli ingegneri che costruiscono case, strade e ponti lameccanica classica è assolutamente perfetta.

I fisici e i chimici che studiano le proprietà dei materiali a livellomicroscopico utilizzano entrambe le teorie: la meccanica quantistica perdescrivere gli elettroni, la meccanica classica per descrivere il motodei nuclei

I fisici nucleari che studiano le particelle elementari generate negliacceleratori di particelle attraverso gli urti, o provenienti dai raggi cosmici,utilizzano la meccanica quantistica

Il legame atomicoLa grande maggioranza degli elementi della tavola periodica ODIANO LA SOLITUDINE !! Ad eccezione degli elementi dell’ultima colonna della Tavola Periodica, i cosiddetti GAS NOBILI, agli atomi NON PIACE STARE SOLI, per cui SI AGGREGANO in grandi quantità, stabilendo LEGAMI tra un atomo e l’altro (LEGAME ATOMICO)

✓ Le sostanze che a temperatura ambiente si presentano allo stato solido sono tipicamente aggregati macroscopici di un enorme numero di atomi fortemente legati, e distribuiti nello spazio secondo sequenze regolari

✓ Gli atomi possono anche legarsi fortemente in poche unità, formando le MOLECOLE, le quali a loro volta si legano tra loro più debolmente. Le sostanze che a temperatura ambiente sono allo stato liquido o gassoso sono tipicamente aggregati macroscopici di molecole debolmente legate tra loro, distribuite in modo disordinato

Il legame atomico

Tra atomi e molecole si possono stabilire diversi tipi di legame; i più importanti sono:

✓ LEGAME COVALENTE: è il modo caratteristico con cui gli atomi si aggregano per formare la MOLECOLA, ed è anche il meccanismo di aggregazione degli atomi in una vastissima gamma di sostanze e composti solidi, detti SOLIDI COVALENTI. Il legame covalente è in genere molto robusto, e produce alcune delle sostanze solide più dure esistente in natura, come il diamante.

✓ LEGAME IONICO: è il meccanismo di aggregazione di una vastissima gamma di composti solidi, detti SOLIDI IONICI. Generalmente è un tipo di legame meno forte del covalente. Sono solidi di questo tipo sali e ceramiche. Questo legame tende a sciogliersi facilmente in acqua.

✓ LEGAME METALLICO: caratteristico di uno speciale tipo di solidi, i METALLI, detti anche CONDUTTORI per la loro la capacità di condurre corrente elettrica e calore

✓ LEGAME DIPOLARE: molto più debole dei precedenti, è il legame che tiene unite le molecole nei liquidi; quando l’agitazione termica (ovvero la temperatura) supera un certo limite, le molecole si separano e il liquido si trasforma in gas

Il legame covalente: l’acqua Consideriamo una molecola d’acqua, H2O, formata da due atomi di idrogeno (H) e un atomo di ossigeno (O).

L’ossigeno ha 8 elettroni, di cui 2 occupano il primo guscio, e 6 alloggiano nel secondo guscio; ma sappiamo che nel secondo guscio c’è posto per 8 !! All’ossigeno dà enorme fastidio la presenza di questi due posti liberi al secondo guscio, per cui cercherà in ogni modo di acquisire due elettroni aggiuntivi dall’esterno. Si dice che l’O è fortemente elettronegativo, per indicare la forte tendenza a rubare elettroni ad altri atomi che si aggirano nei paraggi

L’idrogeno ha un solo elettrone al 1° piano, che può contenerne 2: quindi anch’esso vorrebbe aggiungere un altro elettrone per completare il piano

Incontrandosi, due H ed un O risolvono le rispettive necessità METTENDO IN COMUNE alcuni elettroni:l’elettrone di ciascun H si sposta verso l’O, che a sua volta sposta due elettroni di quelli del guscio 2 verso gli H. Si formano quindi COPPIE di ELETTRONI cheaddensano le loro nuvolette tra i due atomi; in questo modo essi formano un LEGAME COVALENTE

Dunque formare un legame covalente equivale a mettere in comune due elettroni in modo da saturare gusci atomici non pieni

Il legame covalente: altri esempi

La molecola di metano CH4, formata da 4 idrogeni e un carbonio (C): il carbonio ha 6 elettroni, di cui 4 nel secondo guscio: al fine di riempire il guscio, C mette in comune questi 4 elettroni con gli elettroni dei 4 atomi H, in modo che tutti gli atomi della molecola completino i rispettivi gusci

La molecola di ammoniaca NH3, formata da 3 idrogeni e un azoto (N): l’azoto ha 7 elettroni, di cui 5 nel secondo guscio: N mette in comune 3 di questi elettroni con i 3 elettroni degli idrogeni, in modo che tutti completino i gusci semipieni

LE MOLECOLE

H

H H

H

C

H

H

H

NO

H

H

Le molecole sono in genere rappresentate da palline e bastoncini; ciascuna pallina rappresenta un atomo; il bastoncino indica il legame tra due atomi, formato da una coppia di elettroni messi in comune tra i due atomi.

Gli elettroni che partecipano ai legami covalenti distribuiscono le loro nuvolette di carica elettrica lungo i bastoncini, come a formare un ponte tra gli atomi; gli altri elettroni restano nei rispettivi gusci atomici, come nel caso dell’atomo isolato

Gli elettroni impegnati nei legami covalenti si dicono ELETTRONI di VALENZA; quelli che restano nei gusci atomici sono ELETTRONI di CORE

Un atomo può formare al massimo un numero di legami uguale al numero di posti liberi presenti nel suo guscio più esterno; dunque 4 per il carbonio, 3 per l’azoto, 2 per l’ossigeno, 1 per l’idrogeno

Metano CH4

Ammoniaca NH3

Acqua H2O

Il legame Ionico: Sale da cucina Il cloruro di sodio (formula NaCl) più comunemente noto come sale da cucina, è formato dall’unione di atomi di sodio (Na) e cloro (Cl). Il sodio ha 11 elettroni, dunque 2 nel primo guscio, 8 nel secondo, e solo 1 nel terzo. Il cloro ha 17 elettroni, 2 nel primo, 8 nel secondo, 7 nel terzo

Il cloro ha un’enorme voglia di aggiungere un elettrone, in modo da completare il 3° guscio, mentre il sodio non nessuna speranza di completare il terzo guscio, dove abita un solo elettrone … che si fa ?

La soluzione è: il sodio cede l’elettrone più esterno al cloro, cosicché entrambi avranno i rispettivi gusci più esterni totalmente completi !!

Il trasferimento dell’elettrone fa sì che il sodio abbia un elettrone in meno rispetto al numero di protoni del nucleo; dunque Na non è più un atomo neutro ma uno ione carico positivamente (CATIONE), indicato come Na+

Corrispondentemente, il Cl avrà un elettrone in più rispetto ai protoni, dunque diventa uno ione negativo (ANIONE), indicato come Cl-.

Na+ e Cl- sono come palline cariche di segno opposto, che si aggregano per interazione elettrostatica; l’interazione attrattiva tra ioni carichi è detto LEGAME IONICO, tipico di una vasta classe di sistemi solidi, detti appunto SOLIDI IONICI o anche POLARI

Il legame metallico Consideriamo il caso di atomi a cui manchino troppi elettroni nel guscio esterno per sperare di completarlo mediante legami covalenti. Ad esempio il sodio (Na) ha un solo elettrone nel guscio più esterno: è possibile aggregare tanti atomi di sodio tutti uguali ?

In questi casi il meccanismo di aggregazione è il legame metallico. Gli elettroni che abitano in solitudine il guscio esterno di ciascun atomo abbandonano l’atomo e formano una ‘gelatina elettronica’ che permea lo spazio interstiziale tra un atomo all’altro, e rappresenta una specie di colla di carica negativa che tiene uniti gli atomi ionizzati carichi positivamente

Questi elettroni vaganti, detti ELETTRONI di CONDUZIONE, non essendo più agganciati agli atomi di provenienza, possono muoversi liberamente nello spazio, dando vita ad una delle proprietà più importanti della materia: la conduttività elettrica

Il legame metallico è meno robusto di quello covalente: se riscaldati i metalli diventano malleabili e possono essere finemente lavorati. Tra i metalli più comuni vi è il rame(Cu), l’argento (Ag), l’oro (Au), il platino (Pt), il palladio (Pd)

La struttura atomica dei solidi

Nei solidi gli atomi non sono distribuiti a caso, ma occupano posizione ben precise, che si ripetono con sequenza regolare (periodicità) nella spazio tridimensionale, formando il cosiddetto RETICOLO CRISTALLINO In figura è rappresentata la CELLA ELEMENTARE del cristallo; immaginiamo di replicare la cella infinite volte in tutte e 3 le direzioni spaziali: otterremo il solido macroscopico. Poiché la distanza tra due atomi è dell’ordine di 10-10 m, in 1 cm di materia entrano 108 celle elementari come quella disegnata in figura !

m1010

Gli atomi contigui si possono immaginare come connessi da molle, che rappresentano i LEGAMI ATOMICI. Gli atomi non sono fermi, ma vibrano, per effetto dell’agitazione termica, attorno alle posizioni disegnate in figura, le quali rappresentano le POSIZIONI di EQUILIBRIO, o POSIZIONI MEDIE degli atomi, non le posizioni istantanee. Il Volume del solido è determinato dalla distanza media. Con l’aumento di temperatura, le oscillazioni atomiche diventano sempre più ampie, ed anche le distanza media aumenta: effetto di dilatazione termica.

I solidi ionici

Nel cloruro di sodio gli ioni Na+ e Cl- si alternano secondo una sequenza regolare nelle tre direzioni, ripetuta periodicamente ed indefinitamente dello spazio, a formare il cosiddetto RETICOLO CRISTALLINO. In questo caso si ha un semplice reticolo cubico Cl-

Na+

Nel caso dell’ossido di zinco (ZnO) gli ioni sono doppiamente carichi: Zn2+ e O2- ovvero ciascun Zn trasferisce 2 elettroni ad un O, allo scopo di completare i gusci esterni.

Vediamo che lo ZnO ha una struttura atomica più complessa del NaCl: gli ioni Zn2+ e O2- si dispongono in piani alternati a simmetria esagonale

Zn2+

O2-

I solidi covalenti: diamante e grafiteSi dicono solidi covalenti quelli in cui gli atomi sono legati da legami covalenti. Un caso tipico è il carbonio in struttura ‘diamante’, detta anche ‘tetraedrica’. Per completare il guscio esterno ogni atomo C forma 4 legami covalenti con altrettanti atomi di carbonio circostanti. Nel diamante i legami tra gli atomi C sono molto forti, per cui la struttura ha un fortissima energia coesiva; questo conferisce al diamante la sua proverbiale durezza.

Il carbonio può aggregarsi in moltissime altre forme. Un’altra molto nota è la struttura ‘grafite’, di cui sono fatte le matite: qui ogni C forma 3 legami covalenti con altrettanti atomi C, in modo da formare piani a simmetria esagonale, legati tra loro da deboli legami di origine elettrostatica. Con 3 legami covalenti il guscio non è completo come nel diamante, per cui la grafite, pur essendo una struttura stabile, è molto meno coesa del diamante: se strofiniamo col dito una matita, gli strati di grafite restano attaccati alla pelle

I Liquidi I liquidi sono aggregati di molecole; gli atomi di ciascuna molecola sono tenuti

insieme da forti legami covalenti, mentre i legami tra molecole sono detti legami dipolari, anch’essi di origine elettrica ma molto più deboli di quelli covalenti.

Poiché i legami dipolari sono molto deboli, i liquidi NON HANNO FORMA PROPRIA: se il liquido viene versato fuori dal contenitore, si espande sulla superficie, poiché le molecole non sono abbastanza legate tra loro da conservare una struttura. Se costretti in un recipiente, acquisiscono la forma del recipiente.

Il liquido resiste alla compressione: nei liquidi la distanza media tra le molecole è fissata, e quando le molecole vengono schiacciate le une contro le altre si manifestano grandi forze elettriche repulsive che si oppongono alla compressione

A differenza degli atomi nei solidi, posizionati nel reticolo cristallino, le molecole nei liquidi non occupano posizioni medie fissate, ma sono libere di muoversi e interscambiarsi tra loro. Il seguente filmato illustra il moto delle molecole d’acqua a temperatura ambiente, realizzato durante una simulazione al computer della durata di 12 picosecondi: www.youtube.com/watch?v=Zl74NCVbA5A

forti legami covalenti

O

H

Hdeboli legami dipolari

I Gas Con l’aumento della temperatura, le molecole diventano così agitate che i deboli legami dipolari non sono più in grado di tenerle attaccate tra loro: le molecole si staccano le une dalle altre ed il liquido passa in fase gassosa

Le molecole sono totalmente libere di muoversi nello spazio; il gas non ha quindi né forma né volume proprio, ma occupa l’intero spazio disponibile

Se il gas è contenuto in un recipiente, possiamo attribuire al gas la forma ed il volume del recipiente; in questo modo possiamo anche determinare la densità del gas.

Si noti che il gas è soltanto parzialmente comprimibile: se comprimiamo il gas al punto da portare le molecole a stretto contatto, si manifesteranno le stesse forze repulsive che rendono incomprimibili i liquidi

Esiste una serie di sostanze che a quasi ogni temperatura si presenta allo stato gassoso: sono i GAS NOBILI, gli elementi dell’ultima colonna della Tavola Periodica. Essi hanno l’ultimo guscio totalmente pieno, per cui sono estremamente stabili come atomi singoli, non hanno alcun bisogno di legarsi ad altri. Pensiamo che l’elio (Z=2) diventa liquido a -269 oC !!