Caratteristiche della materia Da questo possiamo concludere
che:
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La diversit della varie sostanze dovuta alla diversit della
composizione chimica della materia spiegata dalla teoria atomica
Comuque spezziamo del sale otteniamo sempre granellini che hanno le
proprieta del sale Questo non va all'infinito a un certo punto
otteniamo una coppia di atomi di Na (sodio) e Cl (cloro)
Halite
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La chimica quella scienza che si occupa della struttura della
materia e le trasformazioni che subisce La fisica si occupa di quei
fenomeni che riguardano la materia lasciandone inalterata la
struttura
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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 H 2 O non cambia perci ci troviamo
davanti ad una trasformazione fisica
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Combustione del metano La combustione del metano comporta la
trasformazione del metano in due molecole di acqua e una di
anidride carbonica Lossidazione del ferro comporta la sua
trasformazione in ruggine
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Tutte le sostanze sono fatte di molecole Definiamo molecola la
pi piccola particella di materia che ne conserva tutte le
caratteristiche chimiche Se divido la molecola ottengo cli atomi ma
questi non hanno pi nulla a che vedere con la sostanza di partenza
Molecola di acqua ossigeno Molecola di idrogeno rompo
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H 2 idrogeno He elio O 2 ossigenoN 2 azoto
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C 4 H 10 butano composto formato da 4 atomi di carbonio e 10
atomi di ossigeno CO 2 anidride carbonica formata da un atomo di
carbonio e 2 di ossigeno H2O acqua formata da un atomo di ossigeno
e 2 di idrogeno
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Dal greco indivisibile e tale considerato dalla chimica mentre
per la fisica esso risulta suddiviso in particelle pi piccole Esso
risulta infatti suddiviso in protoni, neutroni ed elettroni I
protoni e neutroni occupano la parte centrale dellatomo detta
nucleo e per questo essi sono anche detti nucleoni I protoni sono
particelle cariche ed hanno una carica positiva mentre i neutroni,
come dice lo stesso nome, sono privi di carica protoni
Neutroni
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I nucleoni sono anch'essi costituiti da particelle pi piccole
dette quark Di 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 -1/3 I neutroni sono
formati da due quark down e un quark up pertanto la loro carica
sar: -1/3 -1/3 +2/3 = 0 I protoni sono formati da due quark up e un
quark down perci la sua carica sar: +2/3 +2/3 -1/3 = + 1 I quark
cono tenuti insieme dalla forza nucleare forte
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Intorno al nucleo ruotano delle altre particelle che prendono
il nome di elettroni Lelettrone una particella di carica negativa e
(-1) a differenza dei nucleoni non composta da particelle pi
piccole Nellatomo il numero dei protoni uguale a quello degli
elettroni perci latomo neutrolatomo neutro
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I costituenti degli atomi sono sempre gli stessi ma non il loro
numero perci sar proprio questo a distinguere un atomo dallaltro In
particolare due atomi diversi avranno un diverso numero di protoni
(e perci anche di elettroni) H Z =1 C z=6
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Se 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 leggeri Perci la
massa degli atomi data dalla somma dei protoni e degli elettroni in
essi presenti
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Gli elettroni che ruotano intorno al nucleo non sono
distribuiti a caso a si trovano in particolari zone dette gusci
elettronici Teoricamente 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 scoperto Ad ogni guscio
compete una particolare energia che ne determina il livello
energetico Il primo guscio contiene 2 elettroni, lultimo guscio al
massimo 8 elettroni Argo
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Sappiamo gi dallo scorso anno che atomi di uno stesso elemento
hanno lo stesso numero di protoni Ma non assolutamente detto che
abbiano lo stesso numero di neutroni anzi non assolutamente cos Se
il numero di neutroni pu variare significa che nellatomo di un
elemento fisso il numero Z ma pu variare il numero A Si 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 lorodiversi fra loro
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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 giusta Nel
1870 il chimico tedesco Iulius Mever pubblic un modello di tavola
degli elementi. In maniera indipendente, il professore di chimica
russo Dmitrii Mendellev pubblic nel 1869 la 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 simili
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La tavola periodica di Mendeelev presentava diversi spazi vuoti
Il chimico sosteneva che questi spazi contenessero degli elementi
che ancora dovevano essere scoperti In 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: 1.
Lesistenza di elementi che ancora dovevano essere scoperti 2.
Prediceva le caratteristiche che dovevano avere questi elementi e
perci dava delle indicazioni ben precise su come andarli a cercare
Il 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. Fonte Antonio F. Gimigliano, Il sistema
periodico degli elementi in La materia in formule, 2000, Brescia,
Editrice La Scuola, pp. 120.
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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 atomi Lattuale tavola periodica conta 118 atomi di
cui 92 maturali e 26 artificiali (transuranici) ottenuti in
laboratorio, il pi pesante il UnunoctiumUnunoctium In essa si
contano: 7 righe orizzontali dette periodi 8 colonne verticali
dette gruppi Un gruppo di elementi detti di transizione Due
sottogruppi dei lantanidi e degli attinidi Due sottogruppi Tavola
Periodica
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Nella tavola di Mendeleev gli elementi sono raggruppati in
metalli non metalli semimetalli e gas nobili ma cosa li
contraddistingue? I metalli: 1. Salvo il Hg a temperatura ambiente
sono tutti solidi 2. Sono lucidi e splendenti 3. Hanno alto punto
di ebollizione e fusione (ecc. alcalini) 4. Sono duttili (ridotti
in fili) 5. Sono malleabili (ridotti in fogli) 6. Conduttori di
elettricit e calore
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1. A temperatura ambiente la maggior parte si trova allo stato
gassoso, il Br liquido mentre C, S, e Si sono solidi 2. Sono opachi
3. Hanno bassi punti di fusione e di ebollizione 4. Non sono ne
duttili ne malleabili 5. Sono cattivi conduttori di calore (ecc. C)
ZolfoGrafite Diamante
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Ogni atomo ha un suo simbolo che deriva dal suo nome latino
ElementoNome latinoSimboloLettura Idrogeno Ossigeno Calcio Ferro
Mercurio Carbonio hydrogenum oxygenum calcium ferrum hydrardyrum
carbonium H O Ca Fe Hg C acca o ci-a effe-e acca-g ci
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idrogen0ossigeno Nella molecola ci son 2 atomi di idrogeno La
presenza del simbolo e lassenza di un numero indica che nella
molecola c un solo atomo di ossigeno Acqua Si legge accadueo
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Simbolo del calcio Simbolo del carbonio Simbolo dellossigeno
Sono privi di indice quindi c un solo atomo Sono presenti 3 atomi
di ossigeno Si legge ciaciotre Simbolo del carbonio Simbolo
dellidrogeno Sono presenti 4 atomi di idrogeno Si legge
ciaccaquattro
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Atomo di idrogeno Atomo di ossigeno Sono presenti 2 atomi di
idrogenoatomi di idrogeno Sono presenti 2 atomi di ossigeno Si
legge accadue-odue
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Un numero relativamente piccolo di atomi pu originare un numero
elevatissimo di composti chimici Come abbiamo gi visto questo si
origina mettendo insieme diversi tipi di atomi Tutto questo pu
grazie alla capacit degli atomi di formare legami chimici Ma come
si formano questi legami?
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Gli elementi dei gas nobili hanno 8 elettroni sullorbitale
esterno Sappiamo che tali elementi erano tutti sconosciuti a
Mendeleev perch non formano composti con gli altri atomi Ci si
verifica perch tali atomi hanno lorbitale esterno completo perch
Perch non pensare che anche gli atomi possano cercare di legarsi
per raggiungere questa configurazione elettronica esterna
particolarmente stabile? Lelio e il neon sono due gas nobili e
hanno lorbitale esterno completo (2e e 8 e)
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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
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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
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Gli atomi quando si incontrano entrano i contatto tramite gli
elettroni dellorbitale esterno perci sono questi che formano legami
Questi elettroni sono anche detti elettroni di valenza e il loro
numero stabilisce quanti legami pu formare latomo Si dice valenza
il numero di legami chimici che un atomo pu fare
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Gli elementi del gruppo I hanno valenza 1 Gli elementi del
gruppo II hanno valenza 2 Gli elementi del gruppo III hanno valenza
3 Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 4 Gli elementi del
gruppo V hanno valenza 3 Gli elementi del gruppo VI hanno valenza 2
Gli elementi del gruppo VII hanno valenza 1 Gli elementi del gruppo
VIII hanno valenza 0
Il termine deriva dal greco che significa andare uno strano
nome per un atomo ma vediamo cosa indusse Faraday nel 1834 ad
introdurre questo termine Gli 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
elettrica
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Gli 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 acquistati Prendiamo in considerazione
latomo di sodio Esso ha un solo elettrone nellorbitale 3 Questa
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
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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 variato Uno ione con carica
negativa si chiama anione Fonte:
http://www.apprendiscienza.ithttp://www.apprendiscienza.it
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Normalmente gli atomi del primo e secondo gruppo formano
cationi quando formano legami Quelli del sesto e settimo gruppo
tendono a formare anioni specie quando si legano con quelli del
primo e secondo gruppo Negli altri casi gli atomi tendono a
condividere gli elettroni nei legami chimici piuttosto che formare
ioni Questo comportamento tipico anche dellidrogeno pur
appartenendo al primo gruppo
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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 A questo punto
abbiamo un catione sodio con carica positiva e un anione cloruro
con carica negativa Gli ioni con carica opposta si attraggono per
forza elettrostatica Si origina cos un nuovo composto: il cloruro
di sodio con la formazione di un legame ionico Il legame ionico la
conseguenza dell'attrazione elettrostatica che si manifesta tra i
due ioni di carica opposta. Fonte immagini:
http://www.apprendiscienza.ithttp://www.apprendiscienza.it
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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 Nel legame covalente i
due elettroni appartengono contemporaneamente ai due atomi di
cloro
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Prendiamo in considerazione un atomo di cloro e uno di idrogeno
Un atomo di cloro pu raggiungere la configurazione elettronica di
un gas nobile se acquisisce un elettrone La stessa cosa succede per
latomo di idrogeno che in questo modo acquisisce la configurazione
elettronica esterna dellelio A ciascuno dei due perci serve un
elettrone Se condividono due elettroni risolvono il problema
raggiungendo entrambi 8 elettroni La coppia condivisa forma un
legame covalente fra latomo di cloro e latomo di idrogeno I due
elettroni condivisi si muovono intorno ad entrambi gli atomi Fonte
http://www.apprendiscienza.ithttp://www.apprendiscienza.it
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Nei metalli gli atomi perdono facilmente gli elettroni pi
esterni trasformandosi in ioni positivi Questi ioni vanno ad
occupare il minor spazio possibile sistemandosi all'interno di un
reticolo cristallinoreticolo Gli elettroni persi non appartengono
ad un singolo atomo ma a tutto il reticolo del solido Essi sono
liberi di muoversi fra gli ioni positivi garantendo la neutralit
del sistema e fungendo da collante per gli ioni metallici
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La teoria della materia ha da sempre rappresentato unidea
portante della scienza anzi essa nata insieme alla scienza Talete
sostenne che il principio di tutte le cose fosse lacqua Anassimene
lo ricondusse allaria Anassimandro ad una sostanza primigenia detta
apeiron Eraclito al fuoco Empedocle introdusse i 4 elementi che
dominarono la scena fino al rinascimento (terra, acqua, aria
fuoco)
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Accanto a questa visione dominante si mantenne sempre viva la
teoria atomica formulata da Democrito Democrito 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:
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1. la materia costituita da particelle elementari, dette atomi;
2. gli atomi sono indivisibili e inalterabili; 3. gli atomi di uno
stesso elemento sono identici tra loro, possedendo la stessa massa
e le stesse propriet; 4. gli atomi di elementi diversi sono
differenti; 5. gli atomi di elementi diversi si combinano tra di
loro formando particelle composte (atomi composti, come allora si
diceva), o composti; in ogni determinato composto, il rapporto
numerico con cui sono combinati gli atomi costituenti definito e
costante.
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Nel 1897 Thomson studiando il passaggio della corrente
elettrica nei gas rarefatti, dimostra che i raggi emessi dal catodo
(raggi catodici) sono particelle di carica negativa(raggi catodici)
Siccome latomo neutro debbono esistere particelle di carica
positiva Nel 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.
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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 deviazioni Da questo esperimento si accorse che le cariche
negative dovevano trovarsi allesterno dellatomo e quelle positive
al suo interno e che latomo era sostanzialmente vuoto Rutherford
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.
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Gli elettroni in movimento dovrebbero emettere energia
elettromagnetica e cadere sopra il nucleo perci il modello di
Rutherford da origine ad un atomo instabile Per superare questo
inconveniente Bohr propose un nuovo modello basata sulla moderna
fisica quantistica sviluppata da lui stesso, Plank ed Einstein Nel
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:
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