Elettrostatica, elettrizzazione e modello atomico del Prof. G. Pintori

Elettrostatica 1: Elettrizzazione e modello atomico

Corso di chimica prof. G. Pintori

1Indice

1. Fenomeni di elettrizzazione pag. 3
2. Il modello microscopico della materia pag. 4-9

La struttura atomica della materia

pag. 10

Nucleo centrale

pag. 13

La struttura elettronica e gli orbitali

pag. 14

Modello quantistico e tavola periodica

pag. 19

1. Elettrizzazione per strofinio nei conduttori e negli isolanti pag.21

Tavola periodica e proprietà periodiche degli elementi: dimensione atomica, potenziale di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività

pag.25

1. Prime classificazioni della materia pag.28

Classificazione degli elementi nella tavola periodica

pag.28

Classificazione generale delle sostanze: introduzione

pag. 29

1. Elettrizzazione per contatto e per induzione pag. 31

Elettrizzazione per contatto

pag. 31

Elettrizzazione per induzione

pag. 32

1. L'elettroscopio a foglioline

pag. 33

Funzionamento per contatto

pag.33

Elettrizzazione di un elettroscopio. funzionamento per induzione

pag.35

1. Definizione di carica elettrica come grandezza pag. 36

Le grandezze: richiami

pag.36

La carica elettrica come grandezza: definizione operativa

pag.39

1. Riassunto elettrizzazione pag. 41

21. Fenomeni di elettrizzazione https://www.youtube.com/watch?v=EHAa3MWnkC8 https://www.youtube.com/watch?v=aKK9k4StluY L'esperienza mostra che:

• Due oggetti, entrambi strofinati, possono attrarsi o respingersi:

Due bacchette di plastica elet- Irizzate si respingono reciproca- mente. plastica plastica Anche due bacchette di vetro elettrizzate si respingono l'una con l'altra. vetro vetro Però una bacchetta di vetro ¢ una penna, entrambe elettrizza- le, si attirano. vetro plastica Ipotesi di Franklin (1706-1790): esistono due tipi di elettricità o cariche elettriche Elettricità positiva e negativa Si definiscono

• carichi positivamente i corpi che si comportano come il vetro
• carichi negativamente I corpi che si comportano come la plastica

Due corpi elettricamente carichi si respingono se le cariche da essi possedute sono dello stesso tipo (entrambe positive o entrambe negative). si attraggono se sono di tipo diverso Si pensava all'elettricità come un fluido:

• Ogni corpo elettricamente neutro era composto da entrambi i fluidi in equilibrio
• Durante l'elettrizzazione (per esempio per strofinio) alcuni corpi hanno la tendenza a rilasciare un tipo di fluido e altri corpi ad acquistarlo. Si crea in questo modo uno squilibrio nei due fluidi e i corpi si dicono carichi: a) Dello stesso segno (stesso tipo di fluido in eccesso) se si respingono 3b) Di segno opposto (diverso tipo di fluido in eccesso) se si attraggono.

Quando i corpi si toccano si scaricano, riacquistando l'equilibrio Per cui: La formazione di una carica elettrica è sempre accompagnata dalla formazione di un'altra carica uguale e opposta. Quindi enunciò il suo principio di conservazione della carica: Non è possibile creare una carica o distruggerla, essa può essere solo trasferita da un corpo ad un altro

Il modello microscopico della materia

(primi del 900)

Particelle, forze e campi

In natura ci sono 4 forze fondamentali:

• Gravitazionale
• Elettrica/magnetica
• Nucleare forte
• Nucleare debole

Tutte queste forze sono "a distanza" (i corpi che interagiscono non sono a contatto) per cui per spiegare questo "mistero" è stato introdotto da M. Faraday nella prima metà dell'800 il concetto di campo di forze: regione di spazio in cui si manifesta l'azione di una forza (definizione qualitativa). a) Nel caso gravitazionale abbiamo visto che questa forza è sempre attrattiva b) Nel caso elettrico l'esperienza mostra che la forza può essere attrattiva o repulsiva La materia è formata da tre particelle fondamentali (in realtà è un'approssimazione):

• Protoni (+)
• Elettroni (-)
• Neutroni (particelle prive di carica)

Definizione:

• Protoni ed elettroni: si chiamano cariche elettriche:
• Carica elettrica; proprietà che hanno protoni ed elettroni di generare un campo di forze
• Campo di forze: spazio in cui si manifesta l'azione di una forza che può essere attrattiva o repulsiva

Come possiamo visualizzare qualitativamente un campo elettrico? 4Visualizzazione metaforica Supponiamo che lo spazio sia rappresentato da un telo elastico: Se appoggiamo una grossa sfera sul telo la sua superficie si deforma: Se appoggiamo sulla tela una pallina ad una certa distanza dalla sfera: La pallina inizierà a muoversi come se fossa attratta dalla sfera: 5In realtà il suo moto è dovuto all'avvallamento del telo. La comunicazione tra le due sfere avviene grazie alla deformazione del telo che si è formata quando abbiamo appoggiato la prima sfera. La sfera è in grado di esercitare un'azione su altri corpi perché ha modificato le proprietà dello spazio che la circonda. Un fenomeno simile avviene nello spazio in presenza di una carica elettrica. Si dice che la carica Qo genera un campo elettrico:

6La presenza di una carica Qo cambia le proprietà dello spazio che la circonda. Q Come il telo elastico era deformato indipendentemente dalla presenza di altre sfere sulla superficie, anche in questo caso siamo in presenza di un campo elettrico indipendentemente dalla presenza di un'altra carica che lo registri. Se introduciamo nello spazio una carica q+ nel punto P:

La presenza di una carica Qo cambia le proprietà dello spazio che la circonda. Qo F q+ P Questa permette di rivelare la presenza del campo elettrico: la carica prova è come un termometro che permette di misurare e/o di rilevare la presenza di un campo di energia che è già presente. 7Qo q+0 La carica di prova q+ viene accelerata. Alla fine del percorso daremo una definizione quantitativa di questa forza. Visualizzare il campo elettrico con le linee di forza Le linee di forza del campo elettrico ¥ + 1 4 Convenzione Carica positiva: linee uscenti Carica negativa: linee entranti Le linee sono più fitte in vicinanza delle cariche dove il campo è più intenso. Attraverso l'utilizzo Delle linee di forza, che ci danno indicazioni su:

• direzioni in cui si manifesta l'azione della forza
• verso
• Intensità (la forza diminuisce con la distanza dalla sorgente del campo) 0 E' come se il corpo carico introducesse nello spazio circostante nuove proprietà .... di cui gli altri corpi sentono gli effetti (vengono accelerati).

La struttura atomica della materia

In realtà non esistono cariche elettriche isolate: le cariche elettriche si organizzano a formare l'unità fondamentale della materia: L'ATOMO L'atomo è formato da tre tipi di particelle PROTONI = p Formane il NUCLEO NEUTRONI = n ELETTRONI = @ Formano la NUBE ELETTRONICA che gira intorno al nucleo GLI ELETTRONI HANNO CARICA NEGATIVA + I PROTONI HANNO CARICA POSITIVA " I NEUTRONI NON HANNO CARICA P In ogni atomo gli elettroni sono tanti quanti sono i protonl. perciò l'atomo NEUTRO. ELETTRICAMENTE Modello atomico semplificato L'ATOMO è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura, che ne conserva le caratteristiche chimico-fisiche cos'è ha carica neutra perché ha costituito da 3 tipi di particelle uguale numero di protoni e elettroni PROTONI (carica elettrica positiva) ELETTRONI (carica elettrica negativa) NEUTRONI (senza carica elettrica) MASSA ATOMICA NUMERO ATOMICO si ottiene sono nel ruotano attorno al sono nel è determinato da sommando Il numero di protoni con il numero di neutroni nucleo il numero di protoni (elettroni che possiede) l'elemento chimico a cui l'atomo appartiene che ha carica + mappe-scuola.blogspot.com In natura esistono 92 atomi diversi, ognuno indicato con un proprio simbolo e organizzati in una tavola periodica:

10 nel complesso atomi con lo stesso nº atomico ma diverso nº di massa ISOTOPI determina NUMERO DI MASSA1 BA 1 1.00rg 1 H

13 14 IVA 15 VA 16 VA 17 VILA Ello 5 10.11 6 12.051 7 54,0067 8 55,9994 9 58.9964 10 20.179 3 4 9,0122 Metalli Alcalini Elementi di Transizione 1 1,0009 Numero di 1 Densità 2 Li Be Lantanidi Gas Nobili Temp. Fusione 3 Idrogeno Temp Ebollizione 3 Nome 3 Na Mg 3 4 IVB 5 6 7 VIIB 8 9 10 VIIB 11 8 12 Alluminio Silicio Fosforo Zolfo Cloro Argon 19 59,0083 20 40.08 21 44,9560 22 23 50,8415 24 51,996 25 54.938 55.847 27 28 58.7 29 63,548 30 65,38 31 69,72 32 72.58 33 74,9216 34 18.96 35 E 79,904 36 83.8 4 KE Ca Sc TiE V Cr Mn= Fe Co Ni Cul Zn Ga Ge As Se: Br Kr Potassio Calcio Scandic Titanio Vanadio Cromo Manganese Ferro Cobalto Nikel Rame Zinco Gallio Germanio Arsenico Selenio Bromo Kripton 37 85.4678 38 67.62 39 88.9059 40 91,22 41 92.9064 42 C 95.94 43 44 101.07 45 102:9056 46 108.4 47 107,868 48 11241 49 114,82 50 118.49 51 12175 52 127.6 53 126.9045 54 131,3 5 Rb Sr Y ZrE Nb MOE Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te - Xe Rubidio Stronzio Zirconio Niobio Molibdeno Tecnezio Rubenio Rodio Palladio Acgenito Indio Stagno Antimonio ledio Xenon 55 132.9054 56 137.30 57 138.9065 72 178,49 73 4 500,6-479 74 183.45 75 1M 207 76 190.2 77 182.22 78 #95.09 79 196.9005 80 200.59 81 204.37 82 207.2 83 4 201.9004 84 C (209) 85 (210) 86 (222) 6 Cs BaE Bario Lantanio Afnio Tantalio Tungsteno Renlo Osmio Inridio Platino Oro Mercurio Talio Piombo Bismuto Polonio Astatio Radon 87 (223) 88 22.005 89 227.000 104 (85) 105 (282) 106 (204) 107 (64) 108 (277) 109 (254) 110 (271) 111 (272) 112 STATI di AGGREGAZIONE a 20 ℃ 7 Fr& Ra Ac Rf Db Sg: Bh: Hs: Mt: Ds: Rg: Cn SOLIDI LIQUIDI GASSOSI ARTIFICIALI Franclo Radio Attinio Rutherfordio Dubnilo Seaborplo Bohrio Hassio Meitnerio Darmstadio Roentpenio Coperniclo 140,12 59 140,9077 60 144,24 61 (145) 62 150,4 63 151.96 64 157,25 65 158,9254 66 162.5 67 4 164.8004 68 187,26 69 1 168.8342 70 173,04 71 174,967 6 Ce Pr= Nd = Pm " Sm: Neodimio Promedio Samario Europio Gadolionio Terbio Diaprosio Olmio Erbio Tullio Itterbilo Lutezio 90 4 232.0381 4 91 (209) 238.#29 93 4 237.548 94 (244) (243) 96 (247) 97 C (247) 98 C C 7 Th - Pa U= NE Pu= Am Cm: Bk- Cf: Es: Fm: Md: No: Lr Torio Protoattinio Uranio Nettunio Plutonio Americio Curio Berchelio Californio Einsteinio Fermio Mendelevio Nobelio Laurenzio 18 VILA 2 4.0036 - He Idrogeno 2 5 Metalli Alcalino-Terrosi Alogeni Litio Berillo Attinidi 13 28.9015 14 28,0855 15 30.97:38 16 12.06 17 25.453 18 39.948 11 22.9008 12 24,305 a E Al Si 蔡 惠 花 P S CIF Ar Sodio Magnesio - c 4 1 a c A 1 IrE PtE Au= Hg TIE Pb Bi Po At Rn drogbaster.it Serie dei Lantanidi Cerio Praseodimio (sr) 101 (256) 102 (299) 103 4 E Serie degli Attinidi 11 Tavola Periodica degli elementi Numero Atomico Peso Atomico Metalloidi / Non Metalli "Ossidazione B CEN F Ne Borg Carbonio Azoto Ossigeno Fluoro Neon Gruppo Periodo a 4 PLAZA Eu Gd Tb Dy. Ho Er= Tm Yb= Lu (251) 99 (252) 100 92 4 95 4 26 58.3532 E - Cadmio Tellurio Cesio La Hf- TaE WE Res Os H