Chimica: Struttura atomica e sistema periodico, Politecnico Milano 1863

Struttura Atomica e Sistema Periodico

CHIMICA.
STRUTTURA ATOMICA E
SISTEMA PERIODICO
Atomi, molecole e ioni.
N
H
`H
H
metano, CH4
Gruppo 7A
Bromo-BrPOLITECNICO
MILANO 1863

La Struttura Atomica: Protoni, Elettroni e Neutroni

2.1 La struttura atomica: protoni, elettroni e neutroni
Democrito (460-370 a. C.): Il mondo materiale come costituito da piccolissime
particelle indivisibili > atomos dal greco "indivisibile".
Platone e Aristotele formularono il concetto che non potevano
esistere particelle indivisibili e la visione "atomica" della materia non
venne più considerata per molti secoli.
Il concetto di atomo riemerse in Europa il s. XVII.
2A + B > A2B
I chimici impararono a misurare la quantità degli
elementi che reagivano fra loro per formare nuove
sostanze. Furono poste le basi per la nuova teoria
atomica-> concetto di elemento con l'idea di
atomoPOLITECNICO
MILANO 1863

Teoria Atomica di Dalton

2.1 La struttura atomica: protoni, elettroni e neutroni
Fra il 1803 e il 1807 John Dalton sviluppo la teoria atomica di Dalton:

1. Ciascun elemento è composto da particelle estremamente piccole chiamate atomi.
   Un atomo di ossigeno
   Un atomo di azoto
2. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici tra loro, hanno la stessa massa
   e le stesse proprietà, ma gli atomi di un elemento sono differenti dagli atomi di
   tutti gli altri elementi.
   Ossigeno
   Azoto
3. Gli atomi di un elemento non si trasformano in atomi di un differente elemento
   mediante reazioni chimiche; gli atomi non sono né creati né distrutti durante le
   reazioni chimiche.
   Ossigeno
   Azoto
4. I composti sono formati quando gli atomi di elementi
   diversi si uniscono; un dato composto ha sempre lo stesso
   numero relativo e lo stesso tipo di atomi.
   +
   N
   O
   NO
   Elementi
   Composto

Modello Atomico di Dalton e Leggi Fondamentali

Modello atomico di Dalton
Atomo come particella solida, dotata di
massa, dura, impenetrabile e mobile.
Legge della conservazione della massa.
La massa totale di materia presente dopo
una reazione chimica è uguale a quella
presente prima della reazione.
Legge della composizione costante.
Il numero relativo e il tipo di atomi in un
dato composto sono costanti.
EdiSES
Brown, Lemay
Fondamenti di chimica
EdiSESPOLITECNICO
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Particelle Subatomiche

2.1 La struttura atomica: protoni, elettroni e neutroni
Con questo capitolo cominciamo a esplorare la chimica degli elementi, i costituenti
base della Chimica e dei composti che essi formano.
J. J. Thompson (1856-1940) ed E. Rutherford (1871-1937) definirono un modello
dell'atomo che rimane ancora alla base della teoria atomica.
Gli atomi sono formati da particelle subatomiche:
Protoni
(Carica +)
Elettroni
(Carica -)
Neutroni
(Elettricamente neutri)
Modello: particelle di massa maggiore (protoni e i neutroni) si trovano in un nucleo
molto piccolo, che contiene tutte le cariche +. E praticamente tutta la massa
dell'atomo.
Elettroni (e-): massa molto minore, circondano il nucleo e occupano la maggior parte
del V atomico.
Le propiertà chimiche degli elementi e delle molecole
dipendono in gran parte degli e -.POLITECNICO
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Scoperta dell'Elettrone: Il Modello di Thomson (1897)

2.1 SCOPERTA DELL'ELETTRONE: IL MODELLO DI THOMSON (1897)
alla pompa da vuoto
Modello Atomico
Thomson
ELETTRONE:
Carica: - 1.6 x 10-19 C; massa: 9.11 x 10-31 kg
PROTONE:
Carica: +1.6 x 10-19 C; massa: 1.67 x 10-27 kg
Massa PROTONE = 1833 x massa ELETTRONE!
+
-
1
0
0
0
+
generatore di corrente continua
Gli elettorni galeggiano fra i protoni.
Atomo neutro-> num. elettorni = num. protoni
0
Fenditure che
concentrano i raggi
in fasci ristretti
Piastre di deflessione
cariche elettricamente
+
Fascio elettronico
deflesso elettricamente.
+
Fascio elettrico
non deflesso.
Elettrodo Elettrodi positivi,
negativo accelerano gli elettroni
- Schermo
fluorescente
sensibilizzato
€
Fascio elettrico
deflesso
magneticamente.
Alla pompa da vuoto
Spira del campo magnetico
perpendicolare al campo elettrico
Un fascio di raggi elettronici
(raggi catodici) viene accelerato
da due fenditure che li concentrano
Il fascio di elettroni viene
deflesso quando passa
attraverso un campo elettrico.
L'apparecchiatura è disposta in modo
che il campo elettrico defletta il fascio
elettronico in una direzione, mentre il
campo magnetico lo defletta nella
direzione opposta.
Bilanciando gli effetti del
campo magnetico ed elettrico,
è possibile determinare il
rapporto massa su carica
dell'elettrone.
+POLITECNICO
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Scoperta del Nucleo: Il Modello di Rutherford (1911)

SCOPERTA DEL NUCLEO: IL MODELLO DI RUTHERFORD (1911)
Fascio di
1
Nuclei di
Atomi nella
lamina di oro
Gli elettroni occupano la
parte esterna dei nuclei
Particelle con
carica + (He2+)
Particelle &
non deflesse
Lamina
di oro
Particelle
deflesse
Alcune particelle Poche particelle &
sono molto
deflesse
collidono frontal-
mente con i nuclei e
sono respinte verso
la sorgente
Gran parte delle
particelle passa
attraverso la lamina
con deflessione nulla
o molto piccola
Sorgente di un fascio stretto
di particelle « veloci
Schermo
fluorescente
di ZnS
· La maggior parte delle particelle a attraversano la lamina di oro.
· Alcune particelle vengono deflesse o rispinte indietro.
•
Il nucleo è piccolo e la maggior parte dello spazio intorno ad esso è vuoto.
Nº Protoni = Nº Eletroni > ATOMO NEUTRO
particelle &
atomi di oroPOLITECNICO
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Confronto tra Modelli Atomici: Thomson e Rutherford

IL MODELLO DI THOMSON E IL MODELLO DI RUTHERFORD
+
+
+
+
4
+POLITECNICO
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Scoperta del Neutrone: Chadwick (1932)

SCOPERTA DEL NEUTRONE: CHADWICH (1932)
NEL NUCLEO ESISTONO ANCHE I NEUTRONI, SPECIE NEUTRE (CARICA 0), DI
MASSA SIMILE A QUELLA DEL PROTONE (1.675 X 10-27 Kg)
NUCLEO: PROTONI + NEUTRONI - MASSA ATOMO
ELETTRONI (e-): OCCUPANO LO SPAZIO ATTORNO AL NUCLEO E
DETERMINANO LE PROPRIETA' CHIMICHE DELL'ATOMO.
QUINDI:
1. L'atomo è una struttura
VUOTA (nucleo centrale con e-
che ruotano intorno).
2.
La materia occupa una regione limitatissima dello spazio
disponibile (se l'atomo fosse grande come lo stadio San
Siro, il nucleo, che contine la massa effettiva, sarebbe
rappresentabile con una ciliegia al centro del campo).
Inucleo = 10-15m
atomo =10-10m
dnucleo = 1011-1014 g/cm3
datomo ~ ... g/cm3
-raggio atomo è 100.000 volte maggiore del raggio nucleo
-se il nucleo fosse grande come un punto su un foglio
peserebbe 100 tonnellate !!!
3.
L'atomo è elettricamente neutro:
Nº PROTONI = Nº ELETTRONIPOLITECNICO
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L'Atomo dal Punto di Vista Chimico

L'atomo dal Punto di Vista Chimico
Il Nucleo non è mai interessato nelle reazioni chimiche.
Gli elettroni hanno un ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche. Entrano in gioco nella
formazione dei legami fra atomi uguali (elementi: O2, N2, Cl2) e/o diversi (composti: H2O,
NH3, CO2)
Le Energie in gioco nelle reazione chimiche (coinvolti solo gli elettroni con la rottura e
formazioni di nuovi legami) sono milioni di volte inferiori alle energie in gioco nelle
reazioni nucleari (in cui sono coinvolte solo le particelle del nucleo.)
Rompere un legame > fornire energia.
Formare un legame > sviluppare energia.
Δ
br
18
CK
a
CrystEngComm, 2014, 16, 969-973POLITECNICO
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Il Numero Atomico e la Massa Atomica

2.2 Il numero atomico e la massa atomica
La composizione dell'atomo è legata alla sua massa > è importante per considerare gli
aspetti quantitativi delle reazione chimiche.
Il numero atomico.
Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo.
Il numero di protoni in un elemento rappresenta il numero atomico (Z).
Rame
29 ........ Numero atomico
Cu ······· Simbolo
La massa atomica relativa e l'unità di massa atomica.
Il carbonio-12 è lo standard: all'atomo di C con 6 protoni e
6 neutroni nel nucleo è stata assegnata una massa
esattamente pari a 12.
Dalle misure fisiche e dagli esperimenti chimici >l'O con 8 neutroni e 8 protoni ha
una massa di 1.33291 x C. Cioè una massa relativa -> 15.994.
Le masse degli altri elementi sono state assegnate in un modo simile.POLITECNICO
MILANO 1863

Massa Atomica Relativa e Unità di Massa Atomica

2.2 Il numero atomico e la massa atomica
La massa atomica relativa e l'unità di massa atomica.
Le masse delle particelle atomiche fondamentali sono spesso espresse in
unità di massa atomica (u) o (uma).
Il numero di massa (A).
Poichè i protoni e i neutroni hanno una massa molto vicina e l'elettrone ha una
massa = 1/3000 di questo valore, la massa approssimata di un atomo è la
somma del numero dei protoni più quello dei neutroni e viene chiamata:
numero di massa (A). A = num. protoni + num. neutroni.POLITECNICO
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Massa Atomica Assoluta e Relativa

2.2 Il numero atomico e la massa atomica
La Massa Atomica Assoluta (MAA) è scomoda da usare perchè, operando in grammi, i
valori assoluti con cui si opera diventano molto piccoli.
Le masse atomiche dei vari elementi sono note in valore assoluto.
Ad esempio: 12C massa atomica assoluta = 1.99 x 10-23 g
1H
massa atomica assoluta = 1.67 x 10-24 g
Valori molto scomodi da usare !!!
209
Bi
massa atomica assoluta = 3.47 x 10-22 g
83
Dividendo per uno standard di riferimento opportunamente scelto (u.m.a = unità di massa atomica) si ha la
MASSA ATOMICA RELATIVA
Lo standard scelto (SI = Sistema Internazionale) è la dodicesima parte del 12C:
(1/12) 16C= 1 uma. Considerando che la MAA di12C è 1.99 x 10-23 g, è possibile ricavare la massa
assoluta di 1 uma dividendo questo valore per 12 -> 1 uma = 1.99 x 10-23 g / 12 uma = 1.66 x 10-24 g/uma
MASSA ATOMICA RELATIVA (uma) =
MASSA ATOMICA ASSOLUTA (g)
1.66 x 10-24 g/umaPOLITECNICO
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Calcolo della Massa Atomica Relativa

2.2 Il numero atomico e la massa atomica
Ad esempio:
12℃ massa atomica assoluta = 1.99 x 10-23 g
1H massa atomica assoluta = 1.67 x 10-24 g
209
„Bi
83
massa atomica assoluta = 3.47 x 10-22 g
Z
1. 67 x 10-24 g
MAR 1H =
=
1.008 uma
1. 66 x 10-24 g/uma
Hydrogen
1.008
I
Z
3. 47 x 10-22 g
MAR BIE
209
=
209.03 uma
Bismyth
183
Bi
208.98
P: 83
N: 126
1. 66 x 10-24 g/uma
1
1
HPOLITECNICO
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Massa Molecolare e Massa Formula

2.2 Il numero atomico e la massa atomica (massa molecolare)
Gli elementi possono essere costituiti da singoli atomi (C) o da molecole di atomi uguali (N2).
I composti sono formati da atomi di elementi diversi e, a seconda del tipo di legame fra questi
atomi, si parla di composto molecolare (legame covalente) o composto ionico (legame
ionico)
ATOMI
MASSA ATOMICA (uma)
MOLECOLE
MASSA MOLECOLARE (uma)
COMPOSTI IONICI
MASSA FORMULA (uma)
La massa molecolare e la massa formula si determinano sommando le masse atomiche
degli elementi che costituiscono le molecole e i composti ionici.
O2 = 2 x 15.994 uma = 32 uma
H2O = (2 x 1.008 uma) + 16 uma = 18 uma
NaCl = 23 uma + 35.45 uma = 58.45 uma