L'atomo: storia e struttura, dal Politecnico di Torino

Chimica Politecnico di Torino A.A.2023-2024

1859 Francesco Savorani Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia Telefono: 011-0904562 E-mail: francesco.savorani@polito.it Ricevimento: su appuntamento1859

Sommario della lezione

In questa lezione vi parlerò di:

• Che cos'è e come è stato immaginato e scoperto l'atomo
• Da Democrito al modello atomico di Dalton (indivisibile)
• La scoperta delle particelle subatomiche: elettrone, protone e neutrone
• La forza nucleare ed il difetto di massa
• Gli isotopi
• Le radiazioni nucleari
• (Fissione e Fusione nucleare: i loro usi bellici e civili)1859

Lavoisier: la natura atomica della materia (1/2)

Legge della conservazione della massa: "La massa totale dei prodotti formati in una reazione chimica è esattamente uguale alla massa totale delle sostanze di partenza (reagenti)" Esempi: 2HgO CaCO3 2Hg + O2 CaO + CO2 ·aBio ZUCCHERO Antoine Lavoisier Line engraving by Louis Jean Desire Delaistre, after a design by Julien Leopold Boilly Born 26 August 1743 Paris, France Died 8 May 1794 (aged 50) Paris, France Fields biologist, chemist Influences Guillaume-François Rouelle Signature Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 21859

Lavoisier: la natura atomica della materia (2/2)

legno + ossigeno combustione cenere + anidride carbonica + acqua magnesio + combustione ossido di ossigeno magnesio legno magnesio Dopo la combustione il legno è consumato diventando cenere (si formano CO2 e H2O), mentre il magnesio incrementa la sua massa passando a MgO. Complessivamente però la massa dei reagenti è uguale a quella dei prodotti. Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 31859

Proust: la composizione definita

LEGGE DELLA COMPOSIZIONE DEFINITA E COSTANTE (Proust) "Un certa massa di una sostanza pura consiste in un gran numero di particelle identiche, ciascuna delle quali costituita dallo stesso piccolo numero di elementi disposti nello stesso identico modo" Frazione in massa = massa dell'elemento/massa del composto Percentuale in massa = frazione * 100 Es. 20.0 g di CaCO3 contengono 8.0 g Ca; 2.4 g C e 9.6 g O. 200 g contengono 80 g Ca; 24 g di C e 96 g O Ca 8.0 g/20 g = 0.4 (40%) C 2.4 g/20 g = 0.12 (12%) O 9.6 g/20 g = 0.48 (48%) = 1.00 (100%) Joseph Proust Born Joseph Louis Proust September 26, 1754 Angers, France Died July 5, 1826 (aged 71) Angers, France Occupation Chemist Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 41859

Dalton: la teoria atomica (1/2)

LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE (Dalton) "Se A e B reagiscono per formare due composti (AB e AB ), le diverse masse di B che si combinano con una massa fissa di A possono essere espresse come rapporti di numeri interi piccoli" TABELLA 1.1 Illustrazione della legge di Dalton Composti Elementi a) azoto b) ossigeno c) azoto d) ossigeno N2O 28 16 14 8 1 NO 14 16 14 16 2 N2O3 28 48 14 24 3 NO2 14 32 14 32 4 N2O5 28 80 14 40 5 a) e b) grammi di azoto ed ossigeno nei vari composti; c) quantità fissa in grammi di azoto; d) quantita di ossigeno che reagiscono con la quantità fissa di azoto. Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 51859

Dalton: la teoria atomica (2/2)

Postulati di Dalton

1. Tutta la materia è costituita da ATOMI (Democrito - 400 a.C.), piccolissime particelle indivisibili di un elemento che non possono essere né create né distrutte (eterne).
2. Gli atomi di un elemento non si possono trasformare in atomi di un altro elemento: in una reazione chimica, le sostanze originali si separano in atomi che si ricombinano per formare differenti sostanze.
3. Gli atomi di un elemento sono identici nella massa e nelle proprietà e sono diversi dagli atomi di ogni altro elemento.
4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di uno specifico rapporto di atomi di diversi elementi.

John Dalton 50.00 Born 6 September 1766 Eaglesfield, Cumberland, England Died 27 July 1844 (aged 77) Manchester, England Notable students James Prescott Joule Known for Atomic Theory, Law of Multiple Proportions, Dalton's Law of Partial Pressures, Daltonism Influences John Gough Signature John Dator 5.2.2 Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 61859

Gay-Lussac, Avogadro, Cannizzaro

Legge dei rapporti multipli in volume (Gay-Lussac)

"Nelle reazioni tra sostanze gassose i volumi dei reagenti e dei prodotti, misurati nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, stanno tra di loro in rapporti di numeri interi e semplici"

Principio di Avogadro (L.R.A. Avogadro)

"Volumi uguali di gas, misurati nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di particelle" amedeo avogadro

Regola di Cannizzaro (S. Cannizzaro)

"Le varie quantità in peso di uno stesso elemento, contenute nelle molecole di sostanze diverse, sono tutte multipli di una stessa quantità, la quale deve ritenersi il peso atomico dell'elemento" Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 71859

Dalton: limiti della teoria atomica

Perché gli elementi si combinano nei composti in certe proporzioni e non in altre? Ad esempio perché due atomi di H e uno di O e non 3 atomi di H e uno di O, nella molecola d'acqua? Il modello dell'atomo indivisibile di Dalton (modello delle palle da biliardo) non era peraltro in grado di spiegare l'esistenza di particelle subatomiche cariche elettricamente, come messo in evidenza dagli esperimenti successivi di THOMSON, MILLIKAN e RUTHERFORD che condussero al modello nucleare dell'atomo. ... che cosa avevano scoperto questi scienziati? L'atomo secondo Dalton Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 81859

Thomson (1897): il tubo catodico e la scoperta dell'elettrone

lomson Catod Inghilterra - 1856 - 1940 · Thon · Dete · Tubi · Risul Esperimento di Von Guericke - 1654 Ratisbona va ettroni Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 91859

Thomson (1897): il tubo catodico e la scoperta dell'elettrone

+ Anodo I Alto voltaggio Catodo A S S Alto voltaggio ! + J. J. Thomson Inghilterra - 1856 - 1940 . Thomson dimostra esistenza di particelle con carica elettrica negativa · Determinazione rapporto carica/massa delle particelle incognite: Elettroni · Risultati in contrasto con Dalton ... Atomi divisibili? Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 101859

Il modello atomico di Thomson

Nube di materia diffusa carica positivamente Particelle negative - Elettroni Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 111859

Millikan (1909): carica e massa dell'elettrone

Robert A. Millikan Insieme di gocce di olio Nebulizzatore Forellino Piastra positiva Microscopio Raggi X . Piastra negativa · Misurazione della carica dell'elettrone (1,6 - 10-19 C) · Calcolo massa elettrone (dalla relazione di Thomson) Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 121859

L'esperimento di Rutherford (1909) (1/2)

The Lord Rutherford of Nelson Particelle deviate Lamina d'oro Particelle riflesse Sorgente di particelle a Schermo trattato con ZnS Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 131859

L'esperimento di Rutherford (2/2)

Nuovo modello Rutherford Secondo modello Thomson Incoming a particles Almost no deflection Elettrone Atomo ~ 1Å = 102 pm= 10-8 cm Particelle a Nucleo 10-4Å= 10-2pm= 10-12 cm Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" Nucleo positivo 141859

L'atomo: particelle subatomiche

Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche: elettroni, protoni e neutroni aventi le seguenti cariche e masse.

PARTICELLA	CARICA	MASSA
Neutrone (n)	Nulla	1.67 · 10-27 kg
Protone (p)	Positiva +1	1.67 · 10-27 kg
Elettrone (e)	Negativa -1	9.07 · 10-31 kg (1840 volte più leggero)

Il nucleo è circondato da elettroni (e-) caricati negativamente. Il nucleo è tenuto insieme da "interazioni nucleari forti". Oggi sappiamo che anche p e n sono in realtà costituiti da "quark". +2/3 ) quark 'up' +2/3 -1/3 -1/3 )quark 'down' protone (+1) -1/3 +2/3 +2/3 -1/3 neutrone (0) Neutroni Protoni NUCLEO Elettroni 4He Composizione in quark del protone e del neutrone Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 151859

L'atomo: numero atomico e di massa

Nell'atomo neutro; protoni ed elettroni sono sempre presenti in eguale numero A Simbolo Z Ciò che rende qualitativamente e chimicamente diversi gli atomi è il numero di protoni Z, detto numero atomico. Il numero di nucleoni (protoni + neutroni) si chiama numero di massa A. L'atomo ha dimensioni dell'ordine dell'Ångstrom (1Å = 1·10-10 m). Protoni e neutroni, detti nucleoni, invece misurano 1.10-15 m, mentre i quark 1.10-18 m. Il nucleo è 4-5 ordini di grandezza più piccolo dell'atomo. Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 161859

Unità di massa atomica

Proprietà fondamentale dell'atomo è la sua massa la cui misura è relativa e si misura in unità di massa atomica (uma) oppure in Dalton (Da) 1 Da = 1 uma Per convenzione la massa di C = 12 uma 12 6 1 uma = 1/12 massa 12 6 C 1 uma = 1.66 10-27 kg = 1.66 10-24 g massa protone =1.6726 10-27 kg =1.007 uma ! massa neutrone =1.6749 10-27 kg =1.008 uma ! massa elettrone =0.00055 uma Per il 12C: E massa nucleoni + e = 12.093 uma ! Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 181859

Perché i protoni non si respingono?

Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d ~ 10-15 m). Essi risentono delle forze di: attrazione gravitazionale FG = - G mpm r 2 p = - 6.67.10-11 (1.67 . 10-27 ) 2 = - 2.10-34 N (10-15)2 repulsione elettrostatica 1 qpqp = 9.109 = 230 N 4πεο r 2 (10-15)2 FE FG G FG F E - P P ?!? In base alle forze che ci sono ben note (gravitazionale ed elettrostatica) i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici. Francesco Savorani, Capitolo 2 "L'atomo" 19 (1.6.10-19)2 FE =+