Modulo 1 Gli atomi: fondamenti di chimica e tavola periodica

Modulo 1

Gli atomiLeggi ponderali La materia è infinitamente divisibile. Platone 428/7-348/7 a.C. Aristotele 384-322 a.C. No! La materia è composta da unità indivisibili chiamate atomos. Democrito 460-370 a.C.

Fino al XVIII secolo, l'infinita/finita divisibilità della materia non trovò una conoscenza condivisa e riconosciuta ...Seppur l'atomos rimaneva ancora un concetto "per pochi", tra il XVIII ed il XIX secolo, si studiarono con particolare importanza gli aspetti quantitativi delle trasformazioni chimiche, arrivando a descrivere il comportamento delle sostanze attraverso leggi che ancora oggi sono chiamate leggi fondamentali della chimica o leggi ponderali.

Leggi fondamentali della chimica

• Legge di conservazione della massa (Lavoisier, 1789)
• Legge delle proporzioni definite (Proust , 1799)
• Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1803)

Legge di conservazione della massa (Lavoisier, 1789)

In una reazione chimica, la somma delle masse dei reagenti è sempre uguale alla somma delle masse dei prodotti di reazione. es. 2 Na (s) + 2 H2O (1) -> 2 Na+ (aq) + H2 (g) + 2 OH (aq) LA MATERIA NON SI CREA E NON SI DISTRUGGE, MA TUTTO SI TRASFORMA.

Legge delle proporzioni definite (Proust , 1799)

Il rapporto tra le masse degli elementi di un determinato composto è fisso e costante . es 1. Il cloruro di sodio, NaCl, sarà sempre caratterizzato da un rapporto di masse pari a 1.54, massa cloro/massa sodio. es 2. Il carbonato di calcio, CaCO2, qualunque sia la sua origine, contiene calcio, carbonio e ossigeno sempre negli stessi rapporti di massa.

Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1803)

Quando due elementi si combinano in modi diversi per formare diversi composti, posta fissa la quantità di uno dei due elementi, la quantità dell'altro elemento necessaria a reagire per formare un diverso composto risulterà essere un multiplo o sottomultiplo di se stessa, in rapporti esprimibili con numeri piccoli ed interi. es. 1 carbonio 1 g ossigeno 1,33 g monossido di carbonio 2,33 g + CO Quando l'ossigeno è poco, si forma il monossido di car- bonio. carbonio 1 g ossigeno 2,66 g diossido di carbonio 3,66 g CO. 2 + O/O=1/2 + 3'e0 aes. 2 28 g di azoto (N) possono combinarsi con diverse quantità di ossigeno (O), tra di loro in rapporti ben definiti, originando diversi composti:

• 16 g O2 N2 + 1/2 O2 -> NO Protossido di azoto (ossido di diazoto)
• 32 g O2 N2 + O2 -> 2 NO Ossido di azoto (monossido di azoto) O/O=2
• 48 g O2 N2 + 3/2 O2 -> N2O2 Anidride nitrosa (triossido di diazoto)
• 64 g O2 N2 + 2 O2 -> N2O4 Ipoazotide (diossido di azoto) O/O=4
• 80 g O2 N2 + 5/2 O2 -> N Of Anidride nitrica (pentossido di diazoto es. 3 In qualsiasi campione d'acqua, H,O, vi sono 8 g di ossigeno per ogni grammo di idrogeno, mentre, nell'acqua ossigenata, H2O2, sono presenti 16 g di ossigeno per ogni grammo di idrogeno. O/O=2

La prima teoria atomica

In seguito a queste osservazioni/leggi, nel 1807, Dalton formulò la prima teoria atomica nota oggi come teoria atomica di Dalton.

1. Ogni elemento è composto da particelle estremamente piccole chiamate atomi;
2. Tutti gli atomi costituenti un dato elemento sono uguali;
3. Atomi di elementi diversi possiedono proprietà diverse;
4. I composti si formano quando gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in proporzioni espresse da numeri semplici interi e piccoli;

Secondo Dalton, gli atomi sono degli oggetti indivisibili, diversi a seconda dell'elemento che costituiscono, i quali possono reagire formando composti con rapporti di massa ben definiti. Gli atomi, dunque, erano come delle sfere prive di struttura. Ma perché due atomi di elementi diversi sono caratterizzati da proprietà diverse?

Modelli atomici

+ + @ + + +Thomson, 1897 + O - + + - - 1 + - + Modello a panettone o plum pudding: gli elettroni (negativi) sono dispersi come l'uvetta in un panettone, in una massa elettricamente positiva, in modo da determinarne l'equilibrio delle cariche

50000 alto voltaggio + Il rapporto carica/massa dell'elettrone si deter- mina misurando la de- flessione dei raggi. - piastra negativa (+) anodo (-) catodo fenditura + collegamento alla pompa a vuoto Lo schermo ricoperto con solfuro di zinco rileva la «scia» dei raggi catodici. piastra positiva La deviazione dei raggi catodici è causata dalla carica elettrica delle pia- stre. 10000 Thomson dimostrò che i raggi catodici (dal catodo, in seguito ad applicazione di un alto voltaggio tra due elettrodi) sono fasci di particelle caricate negativamente. Inoltre, cambiando il materiale del catodo, le particelle prodotte erano identicamente cariche. -Thomson dimostrò che le particelle dotate di carica negativa, denominati elettroni (e"), porvenivano dall'interno degli atomi. che costituiscono l'elettrodo di carica negativa, definito catodo. - Determinazione del rapporto carica/massa dell'elettrone, pari a e/m =1,7588 1011 C/kg

Esperimento di Millikan, 1909

Goccioline d'olio Microscopio 1 d Alta tensione Campo elettrico uniforme Piccole goccioline di olio atomizzato sono immesse mediante uno spruzzatore in una camera, sostanzialmente costituita dalle due armature di un condensatore caricato ad un potenziale regolabile. Si misura la velocità di deriva (a condensatore scarico) di una gocciolina, dovuta all'equilibrio fra la forza di gravità e quella di attrito viscoso con l'aria della camera. Le goccioline sono dotate di cariche elettriche negative superficiali (carica incognita), indotte dallo sfregamento con il condotto che la immette nella camera (o per ionizzazione).

Quantizzazione della carica elettrica

Applicando una differenza di potenziale (E) si può esercitare una forza elettrica (Fe) sulla goccia, in modo da controllare la sua posizione, tenendo sempre presente la forza di gravità che si oppone. F = Ee Variando E, è possibile giungere alla condizione in cui la goccia rimarrà in equilibrio, ferma, se Fe = Fp (peso). F = E e = m g = F 2 Misurando il diametro della goccia e conoscendo la densità dell'olio, si può calcolare la massa m (m = d V) della goccia. L'unica incognita, e, puo essere ora calcolata. Ripetendo l'esperienza più volte e con diverse gocce, il minimo incremento risultò essere 1,602 10-1º C, ovvero la carica dell'elettrone, espresso ora come -e. Dal rapporto e/m =1,7588 1011 C/Kg, m = 9,1 10-31 kg.

Esperimento di Rutherford, 1912

Sebbene gli elettroni siano caratterizzati da carica negativa, gli atomi nel loro insieme risultano essere neutri. La carica positiva deve essere sufficiente per elidere quella negativa degli elettroni. (+) = (-) foglio d'oro Lo schermo rileva la deviazione delle particelle. sorgente di particelle & particelle ax deviate La maggior parte delle particelle non devia. Quasi tutte e particelle a oltrepassavano la lamina d'oro. 1 su 20000 veniva deviata di > 90°. Pochissime, rimbalzavano nella direzione di provenienza. Era incredibile, l'atomo di Thomson non avrebbe mai potuto dare questi risultati !!!

Modello atomico di Rutherford

Thomson risultati dell'esperimento di Rutherford, condotto da Geiger e Marsden, lasciavano pensare che l'atomo avesse un centro, puntiforme e denso, di carica positiva, circondato da un grande volume, pressoché vuoto, con all'interno qualche elettrone. Rutherford È come se una palla da tennis si scagliasse contro una palla di cannone.

Limiti del modello di Rutherford

Gli elettroni dovevano muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del nucleo doveva essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo. Rutherford ipotizzò un modello atomico planetario, come quello del sistema solare. All'interno del nucleo, termine che Rutherford non utilizzava, c'erano tanti protoni (oggetti di carica positiva) quanti elettroni nelle orbite intorno. Il diametro del nucleo, doveva essere circa 100000 volte inferiore a quello degli elettroni. Limiti ... Il moto dell'elettrone è il risultato dell'equilibrio tra la forza centrifuga e la forza di attrazione elettrostatica verso il nucleo. Tuttavia, la teoria elettromagnetica prevede che quando una carica subisce un'accelerazione emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Gli elettroni, essendo cariche elettriche in movimento, avrebbero dovdovrebbero emettere una radiazione elettromagnetica, perdere progressivamente energia, essere molto instabile e collassare sul nucleo ... Questo non si verifica (fortunatamente) !!!

Teoria quantistica di Bohr, 1913

Le leggi della fisica classica, ricavate dallo studio dei corpi macroscopici, non erano corrette se applicate a particelle microscopiche, in movimento, dotate di carica. Bohr riprende la teoria quantistica, introdotto all'inizio del XX secolo da Planck ed Einstein. Planck, nel 1900, propose che lo scambio di energia tra la materia e la radiazione avvenisse per quanti o pacchetti discreti di energia. Si focalizzò sugli atomi in rapida oscillazione, ad una frequenza v, in grado di scambiare energia con l'ambiente solo in pacchetti h v. h è la costante di Planck, vale 6.626 10-34 Js

La luce come onda

La luce è un'onda !! Per la fisica classica (XIX secolo, Maxwell), la luce è un movimento ondulatorio di un campo elettrico e di un campo magnetico che si propagano nello spazio. Campo Elettrico (2) Y f = n di oscillazioni /s [Hz] 1 (lunghezza d'onda) ouMlazione Direzione di propagation x Z Campo magnetico (H) X Lunghezza d'onda (2) (nm) Frequenza (V) (s-1 0 Hz) Ampiezza (A) Velocità (c = ) V ) nel vuoto è 3,0 × 108 m/s nm 400 500 600 700 1 spettro visibile 1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 100 v(Hz) raggi y raggi X ultravioletto luce infrarosso microonde onde corte onde medie onde lunghe onde radio lunghissime onde radio 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 λ(m)

Esperimento di Young sull'interferenza

1 Luce Frangia chiara Frangia scura Interferenza costruttiva Creste Interferenza distruttiva Ventri Prima dell' elettromagnetismo di Maxwell, nel 1801 Young aveva dimostrato la natura ondulatoria della luce. L'esperimento si basa su una singola sorgente che illumina due fenditure parallele in uno schermo opaco, di larghezza sufficientemente piccola in confronto alla lunghezza d'onda della luce incidente. Le fenditure diventano due sorgenti lineari di luce che generano, su uno schermo a distanza, una figura di interferenza formata da bande alternativamente scure e luminose. L'interferenza costruttiva e distruttiva, è tipica delle onde. ..