I componenti della materia: elementi, composti e modello nucleare dell'atomo

I componenti della materia

Politecnico di Torino 1859 Anno Accademico: 2023/2024 Corso: Chimica Docente: Prof. Federico Bella federico.bella@polito.it 0110904640

Elementi, composti e miscele

La materia può essere classificata distinguendo:

• Elemento: è una sostanza fondamentale che non può né essere modificata chimicamente, né divisa in parti più piccole mantenendo le sue proprietà. Col termine sostanza (o sostanza pura) si indica materia la cui composizione è fissa (es: un campione di silicio contiene soltanto atomi di silicio). In natura, un elemento può esistere come:
  • Popolazioni di singoli atomi (es: neon): un atomo è la più piccola parte di un elemento in grado di conservarne le proprietà chimiche.
  • Popolazione di singole molecole (es: azoto): una molecola è un'unità strutturale indipendente costituita da due o più atomi legati chimicamente tra loro.
• Composto: è un tipo di materia costituito da due o più elementi diversi legati chimicamente tra loro. Nel composto gli elementi sono presenti in parti fisse in massa (essendo costituito da numeri fissi di atomi degli elementi costituenti) e, in virtù di ciò, un composto è considerato anche una sostanza. Le proprietà di un composto sono differenti da quelle dei suoi elementi costituenti. Inoltre, un composto può essere scomposto in sostanze più semplici (gli elementi costituenti) mediante trasformazioni chimiche.

Atomi di un elemento Molecole di un elemento Molecole di un composto CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024

Elementi, composti e miscele/2

Proprietà Sodio + Cloro Cloruro di sodio Temperatura (punto) di fusione 97,8 ℃ Temperatura (punto) di ebollizione 881,4 ℃ Colore Argenteo 0,97 g/cm3 Densità Comportamento in acqua Reattivo -101 ℃ - 34 ℃ Giallo-verde 0,0032 g/cm3 Lievemente solubile 801 ℃ 1413 ℃ Incolore (bianco) 2,16 g/cm3 Solubile

• Miscela: è un gruppo di due o più sostanze che sono mescolate fisicamente, e le rispettive parti in massa possono variare. Una miscela (es: acqua salata) conserva molte delle proprietà dei suoi componenti, e questi ultimi possono essere separati mediante trasformazioni fisiche.

Riassumendo: Materia Miscele Sostanze pure Miscela di due elementi e un composto Elementi Composti chimici CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024

Arti chimiche e origini della chimica moderna

La chimica ha le sue origini in un passato prescientifico che comprendeva tre tradizioni parzialmente sovrapposte:

• Alchemica: lo studio occulto della natura, secondo cui la materia ha una tendenza naturale verso la perfezione e si cercano procedimenti per trasformare sostanze di minore valore in altre di maggiore valore. Nel corso di indagini di laboratorio, gli alchimisti inventarono i metodi di distillazione, filtrazione ed estrazione.
• Medica: gli alchimisti ebbero una notevole influenza sulla pratica medica. Il corpo veniva considerato come un sistema chimico il cui bilancio di sostanze poteva essere ripristinato mediante il trattamento medico.
• Tecnologica: la ceramica, la tintura e la metallurgia diedero grandi contributi alla sperimentazione delle proprietà delle sostanze. Le nuove tecniche venivano scoperte e sviluppate per tentativi e i testi scritti mostravano scarso interesse per l'indagine sul perché una sostanza di trasformasse e come prevedere il comportamento della materia.

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Arti chimiche e origini della chimica moderna/2

L'indagine chimica nel senso moderno cominciò alla fine del XVII secolo, ma la comprensione era ostacolata da una teoria sbagliata della combustione, cioè il processo in cui si brucia una sostanza. Nessuno era infatti in grado di spiegare perché alcune sostanze bruciassero ed altre no, e cosa accadesse durante una combustione. La maggior parte degli scienziati abbraccio la teoria del flogisto, secondo cui le sostanze combustibili contengono flogisto, cioè una sostanza imponderabile che si libera durante la combustione. Antoine-Laurent de Lavoisier mostrò a metà XVIII secolo la natura della combustione tramite una serie di accurate misurazioni che posero in rilievo l'importanza della massa. Nei suoi esperimenti, la massa dei prodotti era uguale a quella dei reagenti e evidenziò l'importanza rivestita dall'aria nel processo di combustione. Ciò si estese a tutti gli altri tipi di reazioni chimiche.

PRIMA DELLA REAZIONE soluzione di nitrato di piombo cromato di piombo solido in soluzione di nitrato di sodio DOPO LA REAZIONE soluzione di cromato di sodio CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024

Leggi fondamentali della chimica

La più importante osservazione chimica del XVIII secolo fu la legge di conservazione della massa (enunciata da Antoine-Laurent de Lavoisier): la massa totale delle sostanze rimane invariata durante una reazione chimica. La conservazione della massa significa che la materia non può essere creata, né distrutta. Un'altra osservazione chimica fondamentale è data dalla legge della composizione definita e costante (o legge delle proporzioni definite, elaborata da Joseph-Louis Proust): in un composto chimico gli elementi sono sempre combinati in rapporti in massa costanti e definiti.

VS. H H -H Si può pertanto esprimere, per ciascun composto, la percentuale in massa (indicata con wt%) di ciascun elemento: si calcola dividendo la massa di un elemento per la massa del composto che lo contiene, dopodiché si moltiplica per 100. ES. 2.1] La pechblenda è il composto dell'uranio industrialmente più importante. L'analisi indica che 84.2 g di pechblenda contengono 71.4 g di uranio, il resto è ossigeno. Calcolare la massa di uranio ottenibile da 102 kg di pechblenda [8.65x104 g] CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024

Leggi fondamentali della chimica/2

John Dalton osservò un particolare fenomeno quando due elementi erano in grado di combinarsi per formare più di un composto. La legge delle proporzioni multiple enuncia che, se gli elementi A e B reagiscono per formare (a seconda delle condizioni sperimentali) due diversi composti, le differenti masse di B che si combinano con una massa fissa di A possono essere espresse come rapporti di numeri interi piccoli. Es: carbonio e ossigeno reagiscono producendo due composti differenti (CO e CO2):

• Il primo ha il 57.1 wt% di ossigeno e il 42.9 wt% di carbonio, da cui deriva un rapporto tra masse di atomi pari a 1.33. Il secondo ha il 72.7 wt% di ossigeno e il 27.3 wt% di carbonio, da cui deriva un rapporto tra masse di atomi pari a 2.66. Pertanto, il rapporto tra i valori di O/C nei due composti è esprimibile 2.66 2 -: a parità di quantità di come 1.33 1 carbonio, il secondo composto ha esattamente il doppio della massa di ossigeno del primo composto. =

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. CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024

Teoria atomica di Dalton

Nel 1808, John Dalton studio dal punto di vista quantitativo come gli elementi si combinassero tra loro, e formulò i postulati della teoria atomica di Dalton:

• Tutta la materia è costituita da atomi, piccolissime particelle indivisibili di un elemento, che non possono essere creati ne distrutti.
• Gli atomi di un elemento non possono essere trasformati in atomi di un altro elemento: le reazioni chimiche ridistribuiscono gli atomi nei composti.
• Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici nella massa e nelle altre proprietà, e sono diversi dagli atomi di ogni altro elemento.
• La combinazione chimica di elementi per dare composti diversi avviene quando numeri interi di atomi si uniscono in proporzioni fisse.

Dopo la pubblicazione della teoria atomica, gli scienziati cercarono di determinare le masse degli atomi ricavandole dalle percentuali in massa degli elementi nei composti. Tuttavia, un singolo atomo è così piccolo da richiedere di far ricorso a misure relative a quelle di altri atomi. Dalton assegno, come base, massa 1 all'atomo di idrogeno. Siccome Lavoisier mostrò che l'acqua contiene 8 g di ossigeno per ogni grammo di idrogeno, Dalton assegnò poi massa relativa 8 all'atomo di ossigeno. Tuttavia, ciò sarebbe stato corretto solo se la molecola d'acqua fosse stata HO, ma all'epoca il concetto di molecola non era ancora stato concepito (né per i composti, ne per gli elementi).

2 3 4 Successivamente, il modello di Dalton fu criticato per alcuni limiti oggettivi; in primis, non era in grado di spiegare perché gli elementi si combinassero soltanto in certi rapporti. Inoltre, non prevedeva l'esistenza di particelle subatomiche.

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Modello nucleare dell'atomo

La prima prova sperimentale della struttura interna degli atomi è datata 1897, quando Joseph John Thomson stava studiando i raggi catodici. Si tratta di raggi luminosi che vengono emessi quando si applica un'elevata differenza di potenziale a due elettrodi* metallici dentro un tubo di vetro posto sotto vuoto. Osservando la direzione in cui questo raggio veniva deflesso, a dell'applicazione di un campo magnetico esterno, Thomson dimostrò che i raggi catodici erano fasci di particelle dotate di carica negativa provenienti dall'interno degli atomi costituenti l'elettrodo di carica negativo (detto catodo). Thomson constatò anche che tali particelle cariche (in seguito chiamate elettroni) erano identiche, qualunque metallo fosse adoperato: quindi gli elettroni dovevano far parte di tutta la materia.

alto voltaggio + Il rapporto carica/massa dell'elettrone si deter- mina misurando la de- flessione dei raggi.

- piastra negativa e- e- (+) anodo e causa (-) catodo fenditura + piastra positiva La deviazione dei raggi catodici è causata dalla carica elettrica delle pia- stre.

collegamento alla pompa a vuoto * Elettrodo: componente di un circuito in grado di condurre elettroni, è usato per stabilire un contatto elettrico con una parte non metallica del circuito. Contrariamente alla teoria di Dalton, gli atomi potevano quindi essere divisi in particelle ancora più piccole. CHIMICA @PoliTO (F. Bella) - Capitolo 2 - 2023/2024