SEZIONE A Dentro la materia 2. La tavola periodica degli elementi 65. Le particelle subatomiche 4. Materiali digitali. La chimica nucleare 18

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1 I SEZIONE A Dentro la materia 2 Le particelle subatomiche 4. Materia ed elettricità 4.2 Le particelle subatomiche 6.3 I primi modelli atomici 9.4 Il nucleo atomico.5 Gli isotopi 2 Riassumiamo 4 About chemistry 5 Esercizi 6 4 La tavola periodica degli elementi La tavola di Mendeleev e la scoperta della periodicità La tavola periodica moderna La notazione di Lewis Le proprietà periodiche 7 Riassumiamo 76 About chemistry 77 Esercizi 78 Materiali digitali 2 La chimica nucleare 8 2. La stabilità del nucleo La radioattività naturale Il tempo di decadimento: le famiglie radioattive La radioattività artificiale Le reazioni nucleari 25 Riassumiamo 27 About chemistry 28 Esercizi 29 3 La struttura atomica La duplice natura della luce La luce: onde elettromagnetiche La luce: quanti di energia Spettri di emissione e di assorbimento Il modello atomico di Bohr L energia di ionizzazione Dall energia di ionizzazione ai livelli energetici Il modello atomico a strati La configurazione elettronica La natura ondulatoria degli elettroni Il modello quantomeccanico I numeri quantici La sequenza di riempimento degli orbitali 55 Riassumiamo 59 About chemistry 6 Esercizi 62 MULTI BOOK Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimenti cap. Materia e antimateria cap. 2 Centrali nucleari Esercizi di ripasso Verifi che di fi ne sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Laboratorio (video) cap. 3 Saggi alla fiamma Esperienza guidata cap. 3 Effetti della fiamma ossidante Esperienza virtuale interattiva cap. L esperimento di Rutherford Laboratori (video) Esperienze guidate Esperienze virtuali interattive

2 SEZIONE B Dagli atomi alle molecole 82 5 Gli atomi si legano Il legame chimico La regola dell ottetto Il legame covalente Il legame ionico La forma delle molecole 95 Riassumiamo 00 About chemistry 0 Esercizi 02 6 Il legame chimico e la meccanica ondulatoria Dalla teoria di Lewis alle nuove teorie La teoria del legame di valenza Gli orbitali ibridi La teoria dell orbitale molecolare Orbitali leganti e orbitali antileganti 4 Riassumiamo 7 About chemistry 8 Esercizi 9 7 Dalle molecole alle sostanze La polarità delle molecole I legami intermolecolari I solidi I cristalli I liquidi 30 Riassumiamo 34 About chemistry 35 Esercizi 36 8 Nomi e formule dei composti Dai simboli alla formula Il numero di ossidazione La determinazione del numero di ossidazione Classificazione e nomenclatura dei composti inorganici I composti binari dell ossigeno: gli ossidi I composti binari dell idrogeno: gli idruri e gli idracidi I composti ternari 49 Riassumiamo 55 About chemistry 56 Esercizi 57 Multi Book Materiali digitali Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimento cap. 7 Una colla bestiale Esercizi di ripasso Verifiche di fine sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Laboratori (video) cap. 7 Polarità dei legami cap. 7 La misura della tensione superficiale cap. 7 La forma delle gocce Esperienze guidate cap.5 Determinazione della lunghezza di un legame c-c cap. 7 La polarità delle molecole Laboratori (video) Esperienze guidate RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

3 I SEZIONE C Le soluzioni 62 9 Aspetti generali delle soluzioni Il processo di solubilizzazione La concentrazione delle soluzioni in unità chimiche La diluizione 72 Riassumiamo 74 About chemistry 75 Esercizi 76 0 Il comportamento delle soluzioni Il comportamento delle soluzioni ioniche Le proprietà colligative Abbassamento della tensione di vapore: la legge di Raoult L abbassamento crioscopico L innalzamento ebullioscopico La pressione osmotica Proprietà colligative delle soluzioni di elettroliti Determinazione della massa molare attraverso le proprietà colligative 9 Riassumiamo 93 About chemistry 94 Esercizi 95 MULTI BOOK Materiali digitali Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimenti cap. 0 L osmosi e i globuli rossi cap. 0 Acqua pura per osmosi Esercizi di ripasso Verifi che di fi ne sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Laboratorio (video) cap. 0 Misure di conducibilità Esperienze guidate cap. 9 La solubilità cap. 0 Conducibilità delle soluzioni Laboratori (video) Esperienze guidate

4 SEZIONE D Le reazioni chimiche 98 Aspetti formali delle reazioni chimiche 200. L equazione chimica Il bilanciamento di un equazione chimica La classificazione delle reazioni chimiche Le reazioni tra ioni Aspetti ponderali delle reazioni chimiche 2.6 Il reagente limitante 23.7 Resa percentuale di una reazione 25 Riassumiamo 26 About chemistry 27 Esercizi 28 2 Aspetti energetici delle reazioni chimiche Le reazioni chimiche e l energia Classificazione dei sistemi materiali Le variabili termodinamiche Il lavoro in termodinamica Trasformazioni irreversibili e trasformazioni reversibili Il primo principio della termodinamica Applicazioni del primo principio della termodinamica L entalpia di formazione L entalpia di reazione La legge di Hess L entalpia di legame Il secondo principio della termodinamica L entropia L energia libera La forza guida delle reazioni 245 Riassumiamo 247 About chemistry 248 Esercizi La legge cinetica L equazione di Arrhenius Meccanismo di reazione e molecolarità 266 Riassumiamo 268 About chemistry 269 Esercizi Aspetti dinamici delle reazioni chimiche: equilibrio I sistemi in equilibrio L equilibrio chimico La costante di equilibrio La costante di equilibrio in funzione delle pressioni parziali L equilibrio omogeneo e l equilibrio eterogeneo Lo spostamento dell equilibrio Gli equilibri di solubilità Effetto dello ione comune 287 Riassumiamo 288 About chemistry 289 Esercizi 290 Multi Book Materiali digitali Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimenti cap. Chimica splendente cap. 3 Sicurezza esplosiva cap. 4 Fenomeni carsici Laboratori (video) cap. Emissione di calore cap. Emissione di luce cap. Formazione di un gas cap. Formazione di un precipitato Esperienze guidate cap. Reazioni con sviluppo di gas cap. 2 Trasformazioni con scambi di calore Esperienza virtuale interattiva cap. 2 Trasformazioni endotermiche ed esotermiche 3 Aspetti dinamici delle reazioni chimiche: velocità La velocità di reazione Come avviene una reazione I fattori che influenzano la velocità di reazione 259 Esercizi di ripasso Verifiche di fine sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Laboratori (video) Esperienze guidate Esperienze virtuali interattive

5 I INDICE SEZIONE E Le reazioni in soluzione Gli acidi e le basi Le proprietà degli acidi e delle basi La teoria di Arrhenius La teoria di Brönsted e Lowry La teoria di Lewis Il prodotto ionico dell acqua Il ph 305 Riassumiamo 308 About chemistry 309 Esercizi 30 6 Il ph delle soluzioni Le soluzioni di acidi e basi forti Le soluzioni di acidi e basi deboli Le soluzioni saline Le soluzioni tampone Le reazioni di neutralizzazione Gli indicatori 324 Riassumiamo 325 About chemistry 326 Esercizi Le reazioni di ossidoriduzione I fenomeni ossidoriduttivi La reazione di ossidazione La reazione di riduzione Le reazioni redox Il bilanciamento di un equazione di ossidoriduzione Stechiometria delle reazioni redox 34 Riassumiamo 343 About chemistry 344 Esercizi I processi elettrochimici La spontaneità delle reazioni redox Le pile La forza elettromotrice di una pila Equazione di Nernst Termodinamica della pila L elettrolisi Le leggi di Faraday 364 Riassumiamo 366 About chemistry 367 Esercizi 368 Multi Book 9 Materiali digitali Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimenti cap. 5 Capelli opachi, doppie punte: il ph ci viene in aiuto cap. 6 L acidità di mari e oceani Esercizi di ripasso Verifiche di fine sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Multi Book Laboratori (video) cap. 5 Indicatori e ph cap. 6 Titolazione acido-base cap. 8 Costruzione di una pila con zinco e rame Esperienze guidate cap. 5 Comportamento degli indicatori e misura del ph cap. 6 Titolazione di una soluzione commerciale di acido cloridrico cap. 8 Misura della differenza di potenziale di una pila cap. 8 L elettrolisi dell acqua Esperienza virtuale interattiva cap. 6 Titolazione acido-base Laboratori (video) Esperienze guidate Esperienze virtuali interattive Elementi e composti inorganici 9. L idrogeno 9.2 L ossigeno 9.3 L acqua 9.4 I metalli e le loro proprietà 9.5 I metalli alcalini 9.6 I metalli alcalino-terrosi 9.7 I metalli di transizione 9.8 I metalli nobili 9.9 Alluminio, stagno e piombo 9.0 Non metalli e loro proprietà 9. Il silicio 9.2 L azoto 9.3 Il fosforo 9.4 Lo zolfo 9.5 Gli alogeni Esercizi

6 SEZIONE F Il carbonio e i suoi composti Introduzione alla Chimica del carbonio L elemento carbonio Il carbonio nel mondo inorganico Dai composti inorganici ai composti organici Il carbonio nel mondo organico Le formule dei composti organici Come scrivere le formule di struttura 38 Riassumiamo 383 About chemistry 384 Esercizi Usi e fonti industriali 44 Riassumiamo 442 About chemistry 443 Esercizi Classi di composti organici I gruppi funzionali Gli alcoli, i fenoli, gli eteri Le aldeidi e i chetoni Gli acidi carbossilici e i loro derivati Le ammine I composti eterociclici 468 Riassumiamo 47 About chemistry 472 Esercizi Alcani e cicloalcani Gli alcani La nomenclatura degli alcani I cicloalcani La stereoisomeria Le proprietà fisiche e chimiche degli alcani Metodi di preparazione degli alcani Usi e fonti industriali degli alcani 406 Riassumiamo 408 About chemistry 409 Esercizi 40 Multi Book Materiali digitali Videoapertura Esempi svolti Concept map English corner About chemistry Soluzioni Approfondimenti cap. 20 I nanotubi cap. 22 Fiori, frutti ed... etilene cap. 22 Le materie plastiche Laboratori (video) cap. 22 Riconoscimento dei doppi legami cap. 24 Saggio di Tollens Esperienza guidata cap. 24 Saggio di Tollens 22 Alcheni e alchini Gli alcheni L isomeria geometrica degli alcheni Preparazione degli alcheni Le proprietà fisiche e chimiche degli alcheni Gli alchini Preparazione degli alchini Le proprietà fisiche e chimiche degli alchini La polimerizzazione 425 Riassumiamo 427 About chemistry 428 Esercizi 429 Esercizi di ripasso Verifiche di fine sezione English practice Per saperne di più Protagonisti Laboratori (video) Esperienze guidate 476 Indice analitico Idrocarburi aromatici Introduzione agli idrocarburi aromatici Nomenclatura dei composti aromatici Proprietà fisiche e chimiche dei composti aromatici 435 Multi Book glossario Soluzioni

7 A MULTI Nel MULTIBOOK BOOK Materia e antimateria Centrali nucleari In questa sezione cap. Le particelle subatomiche cap. 2 La chimica nucleare cap. 3 La struttura atomica cap. 4 La tavola periodica degli elementi Effetti della fiamma ossidante Saggi alla fiamma L esperimento di Rutherford Esempi svolti Concept map English corner About chemistry In Aula digitale Per saperne di più Ripasso e verifiche English practice Laboratori Protagonisti Glossario interattivo Tavola periodica interattiva Risorse web

8 Guarda il video sul MULTIBOOK DENTRO LA MATERIA Se della materia possiamo percepire la forma, il colore e studiarne il comportamento, vi sono altri aspetti che non possiamo direttamente cogliere con la semplice osservazione sensoriale. Gli studi sull atomo hanno permesso di scoprire la natura particellare della materia: un insieme di tre particelle elementari costituisce infatti qualunque atomo di qualunque tipo di materia. Ma questo primo livello di conoscenza non permetteva di giustificare molti altri fenomeni, dunque occorreva spingersi oltre per attribuire alla materia anche un altra natura. Quale reazione genera, ad esempio, i meravigliosi colori che osserviamo durante i fuochi di artificio? Perché alcuni minerali presentano una splendida luminosità dai più svariati colori? A che cosa attribuiamo la sequenza dei colori dell arcobaleno dopo uno scroscio di pioggia? Lo studio della natura della luce e la sua capacità di interagire con la materia ha portato gli Scienziati ad attribuire alla materia una natura simile a quella della luce, vale a dire una natura ondulatoria. Un altra caratteristica dei fenomeni osservati, che ha portato alla scoperta delle proprietà della materia, è la periodicità con la quale si presentano alcuni aspetti della natura: i petali dei fiori come le rose o le margherite, ad esempio, sono distribuiti in sequenze regolari e la loro bellezza dipende proprio da questa armonica regolarità. Perfino l armonia della musica deriva da una sequenza di toni che, di ottava in ottava, formano l insieme dei suoni. L alternanza del giorno e della notte, il ripetersi delle stagioni, le fasi lunari e l alternanza delle maree sono altri esempi di fenomeni che ciclicamente si ripetono. Allo stesso modo, le proprietà degli elementi si ripetono ciclicamente periodo dopo periodo, così come scoprirai quando studierai nel dettaglio la tavola periodica.

9 LE PARTICELLE SUBATOMICHE Materia ed elettricità Numerosi fenomeni ci inducono a pensare che esista una stretta correlazione tra materia ed elettricità, cioè che la materia possieda al suo interno una natura elettrica. Già gli antichi Greci avevano scoperto che gli oggetti di ambra o di altri tipi di resina, se strofinati con un panno di lana, acquistavano la capacità di attrarre corpi molto leggeri come una foglia, una piuma o la paglia finemente sminuzzata. Tale fenomeno è da attribuire alla proprietà che hanno alcuni materiali di elettrizzarsi per strofinio e il termine elettricità deriva da elektron, il nome che in greco si dà all ambra, sostanza che presenta questa caratteristica. Non tutti i materiali però si elettrizzano allo stesso modo: il vetro per esempio, ha un comportamento completamente diverso da quello dell ambra. La natura delle cariche elettriche Sospendi con un filo di nylon una pallina di ambra e una di vetro e strofinale ciascuna con un diverso panno di lana. Le due palline tenderanno ad attrarsi. Ripeti lo stesso esperimento con due palline dello stesso materiale, entrambe di vetro o di ambra. Esse tenderanno a respingersi si attraggono si respingono si respingono Il fatto che si potessero avere due tipi di elettrizzazione condusse lo scienziato Benjamin Franklin ( ) a postulare l esistenza nella materia di due tipi di particelle, di carica positiva e negativa, che si attraggono o si respingono reciprocamente. Pertanto, i corpi non elettrizzati possiedono i due tipi di carica in numero uguale e non danno luogo a nessun fenomeno elettrico. Se, invece, per qualche causa esterna, come lo strofinio, alcune cariche presenti in un corpo (come la pallina di ambra o di vetro) si trasferiscono a un altro (il panno di lana), il corpo si elettrizza per eccesso di uno dei due tipi di carica (Fig. ).

10 Possiamo pertanto concludere che: MULTI BOOK ENGLISH CORNER Listening positive charge subatomic particles negative charge 5 nella materia esistono due tipi di cariche elettriche: cariche positive (+) e cariche negative ( ) e che: cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre cariche elettriche di segno opposto si attraggono. Verso la fine del Settecento, lo scienziato francese Charles A. Coulomb ( ) determinò la relazione, nota come legge di Coulomb, che permette di calcolare con quale forza due corpi puntiformi carichi si attraggono o si respingono: due corpi puntiformi dotati di carica q e q 2 posti alla distanza r, si attraggono o si respingono con una forza F che dipende dal prodotto fra le cariche e dall inverso del quadrato della loro distanza. L intensità della forza è espressa dalla relazione: MULTI BOOK Esempio F = k q q 2 r 2 dove k è una costante di proporzionalità. L unità di misura della carica elettrica nel SI è il coulomb, definito come la carica che posta nel vuoto alla distanza di m da una carica identica, determina una forza elettrica di intensità 9,0 0 9 N. Numerosi altri fenomeni, come ad esempio la conducibilità elettrica dei metalli, la capacità che ha la corrente elettrica di trasformare la materia e, viceversa, la capacità che ha la materia di produrre elettricità, testimoniano inequivocabilmente il legame tra elettricità e materia. Si è cercato allora di mettere in relazione i fenomeni elettrici con la nascente teoria atomica, ritenendo che la natura elettrica della materia dovesse essere ricercata proprio all interno dell atomo. Quest ultimo allora cessava di essere considerato la particella più elementare e quindi indivisibile della materia, essendo invece costituito da particelle più semplici di natura elettrica. Esperimenti successivi dimostrarono appunto l esistenza di tre particelle più semplici, le particelle subatomiche: gli elettroni, i protoni e i neutroni, che sono i costituenti dell atomo. Tutto chiaro? Fai un test Completa la frase inserendo le parole mancanti. La legge di Coulomb afferma che l... della forza elettrostatica di..... o di repulsione tra due corpi.... carichi è.. proporzionale al prodotto delle loro e.. proporzionale al della loro distanza. Vero o Falso? True or False? 2 Cariche elettriche di segno opposto si respingono. V F 3 L unità di misura della carica elettrica è il coulomb. V F 4 Tutti i materiali si elettrizzano allo stesso modo. V F 5 Nei corpi non elettrizzati le cariche negative e positive sono in ugual numero. V F RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

11 6 Dentro la materia LE PARTICELLE SUBATOMICHE 2 Le particelle subatomiche Per indagare l interazione tra materia ed elettricità, furono condotti numerosi esperimenti per osservare i fenomeni associati al passaggio della corrente nei gas rarefatti, dove gli atomi sono pochi e distanti gli uni dagli altri. Tali esperimenti permisero non solo di scoprire l esistenza delle tre particelle subatomiche, ma anche di conoscerne le proprietà caratteristiche. L elettrone L elettrone, scoperto da Joseph J. Thomson nel 897 ha una massa di 9, 0 3 kg e una carica elettrica di,6 0 9 C, come determinato da Millikan nel 909 con un ingegnoso esperimento. Tale particella, alla quale per convenzione è stato attribuito il valore di carica elettrica, viene identificata con il simbolo e. L elettrone, e-, è la più piccola particella con carica elettrica negativa presente all interno dell atomo. Gli elettroni sono le particelle che più ci interessano in quanto da essi dipendono tutte le proprietà chimiche degli elementi. Gli esperimenti di Thomson Il tubo di Crookes, utilizzato da Thomson per i suoi esperimenti, è formato da un tubo di vetro resistente sotto vuoto spinto, alle estremità del quale sono applicati due elettrodi collegati rispettivamente con il polo positivo (anodo) e con il polo negativo (catodo) di un generatore di corrente (Fig. 2). Quando la differenza di potenziale tra gli elettrodi raggiunge un valore elevato (0000 volt) e la pressione interna un valore bassissimo (/000 di atmosfera) si osserva l emissione di raggi luminosi che, partendo dal catodo in linea retta, si dirigono verso l anodo provocando sul vetro una tenue luminosità (Fig. 3). Con questi tubi, Thomson effettuò ulteriori esperimenti e osservò che, facendo passare i raggi tra due piastre metalliche elettricamente cariche, essi venivano attratti verso la piastra positiva (Fig. 4). Osservò inoltre che tali radiazioni erano in grado di mettere in movimento un mulinello a pale posto lungo la loro traiettoria. Da ciò si può concludere che tali raggi, chiamati anche raggi catodici perché emessi dal catodo, sono particelle aventi una certa massa e una certa carica negativa, chiamate elettroni. Poiché la natura di tali particelle era indipendente dal tipo di catodo e dal tipo di gas utilizzati, Thomson dedusse anche che gli elettroni erano componenti comuni a tutta la materia. alla pompa per il vuoto elettrone catodo anodo - + Fig. 2 Schema di un tubo di Crookes per lo studio dei raggi catodici. catodo - raggio catodico - anodo + schermo luminescente + Fig. 4 Esperimenti effettuati da Thomson per lo studio degli elettroni. Fig. 3 Tubi di Crookes.

12 MULTI 7 Il protone ENGLISH CORNER Listening electron neutron proton Il protone ha una massa di, kg che, come ricorderai, corrisponde a una unità di massa atomica (u) e risulta 836 volte più grande di quella dell elettrone. La sua carica elettrica corrisponde a quella dell elettrone, ma è di segno opposto. A questa particella, identificata con il simbolo p +, per convenzione viene attribuito il valore di carica elettrica +. Il protone, p +, è la più piccola particella con carica elettrica positiva presente all interno dell atomo. BOOK Gli esperimenti di Goldstein Nell esperienza di Goldstein del 886 il tubo di scarica usato da Thomson veniva modificato spostando il catodo, opportunamente forato, e ponendo all interno del tubo un gas rarefatto. Per valori sufficientemente elevati della differenza di potenziale tra i due elettrodi, Goldstein osservò su un rivelatore, costituito da uno schermo fluorescente posto alla sinistra del catodo, una tenue luminosità. Essa poteva essere interpretata ammettendo che gli atomi del gas presenti all interno del tubo, per effetto degli urti subiti dagli elettroni emessi dal catodo, emettessero a loro volta elettroni, trasformandosi in particelle cariche positivamente. Queste ultime venivano attratte dal catodo e attraverso il foro colpivano il rivelatore. Tali radiazioni, in contrapposizione ai raggi catodici, furono chiamate raggi anodici o raggi canale. Successivamente W. Wien e J.J. Thomson determinarono la carica e la massa di queste particelle, stabilendo che la loro carica positiva era uguale a multipli interi e piccoli di quella dell elettrone e la loro massa corrispondeva alla massa degli atomi utilizzati nell esperienza. Usando in particolare l idrogeno all interno del tubo, verificarono che le particelle positive che si formavano erano le più elementari, avevano cioè la massa più piccola. Ognuna di esse, infatti, corrispondeva a una particella unitaria di carica positiva. Schema dell apparecchio di Goldstein per lo studio dei raggi anodici. + atomo neutro ione positivo elettrone al rivelatore + dal catodo all anodo rivelatore catodo forato anodo - + I protoni, come gli elettroni, sono tra loro identici, indipendentemente dall atomo di appartenenza, e sono numericamente uguali agli elettroni; pertanto l atomo, e di conseguenza la materia tutta, risulta elettricamente neutro. Il neutrone Il neutrone, scoperto da James Chadwick (89-974), è la terza particella elementare presente nell atomo; in accordo con il suo nome, esso è privo di carica elettrica, ma ha una massa di, kg, uguale a quella del protone e quindi corrispondente a u. Esso è identificato con il simbolo n 0. Il neutrone, n 0, è una particella con massa uguale a quella del protone, ma priva di carica, presente all interno dell atomo.

13 8 Dentro la materia LE PARTICELLE SUBATOMICHE Gli esperimenti di Chadwick Con il dispositivo illustrato in figura, W. Bethe e H. Becker per primi bombardarono sottili lamine di berillio con particelle α emesse dal polonio, un elemento radioattivo. In tal modo scoprirono che dal berillio venivano emesse delle radiazioni secondarie che si propagavano a ventaglio e che non risentivano dell azione né di un campo elettrico, né di un campo magnetico. Nel 932 Chadwick, ripetendo l esperimento su molti altri materiali, dimostrò che tali raggi erano costituiti da particelle aventi tutte la stessa massa, indipendentemente dal materiale usato, ma prive di carica e perciò dette neutroni. Anche i neutroni, come le altre particelle subatomiche, sono tutti uguali tra loro qualunque sia l atomo di appartenenza. La tabella riassume le caratteristiche fondamentali delle tre particelle subatomiche. TAB. Particelle subatomiche Particella subatomica Simbolo Carica elettrica (C) Carica relativa Massa (kg) Massa relativa Posizione elettrone e -, , 0-3 /836 intorno al nucleo MULTI BOOK Approfondimento Materia e antimateria protone p + +, , nel nucleo neutrone n 0 0 0, nel nucleo Dal momento che gli atomi di tutti gli elementi sono costituiti dalle stesse particelle elementari (elettroni, protoni e neutroni), l atomo di un elemento si distingue da quello di un altro non per la natura delle sue particelle, ma soltanto per il loro numero. Pertanto, riepilogando, possiamo affermare che: l atomo può essere considerato come la più piccola entità di un elemento di cui conserva le caratteristiche chimiche, che dipendono soltanto dal numero di elettroni e protoni in esso contenuti. Tutto chiaro? Fai un test Completa le frasi. I protoni sono le più particelle con carica elettrica presenti negli atomi. 2 Il neutrone ha massa uguale a quella del, che corrisponde alla massa relativa di. Scegli il completamento corretto. 3 L atomo è elettricamente neutro in quanto il numero di protoni in esso presenti è uguale... a al numero dei neutroni b al numero degli elettroni c alla somma degli elettroni e dei neutroni

14 9 3 I primi modelli atomici L indivisibilità dell atomo daltoniano (vedi Noi e la Chimica, Dai fenomeni alle leggi, cap. 5) non poté più essere accettata dopo la scoperta delle particelle subatomiche. Si pose quindi il problema di trovare un nuovo modello atomico che tenesse conto dell esistenza di tali particelle elettroni Nel 903 J. J. Thomson propose un modello che dava dell atomo l immagine di una sfera omogenea carica positivamente, all interno della quale si trovano gli elettroni, come l uvetta all interno del panettone, senza una disposizione spaziale definita (Fig. 5). Il modello di Thomson comunque non resse a lungo, ma fu messo in crisi dagli esperimenti che un suo allievo, Ernest Rutherford (87-937), condusse a Cambridge, dove il neozelandese Thomson lavorò tra il 909 e il 9. Gli esperimenti di Rutherford riguardavano in particolare lo studio della radioattività e per questo suo lavoro, nel 908, egli fu insignito del premio Nobel per la chimica. Egli riuscì a dimostrare che le radiazioni emesse dal polonio (un elemento radioattivo), chiamate particelle α, contenevano particelle positive identiche a quelle dell atomo di elio privato dei suoi elettroni. In seguito a tali scoperte Rutherford mise a punto un famoso esperimento con il quale venne sconfessato l atomo di Thomson. L esperimento consisteva nel bombardare con raggi α un sottile foglio d oro, osservando su uno schermo fluorescente gli effetti prodotti sul fascio di particelle α dall attraversamento del sottile strato di atomi di Au. Così come si aspettava, Rutherford osservò che le particelle α, per la maggior parte, passavano indisturbate attraverso la lamina d oro e ciò era in accordo con il modello proposto da Thomson (Fig. 6). Alcuni anni più tardi però Geiger, un brillante allievo di Rutherford, ripeté questo esperimento con una metodica più raffinata, che gli permise di osservare che alcune particelle α venivano deviate, altre addirittura respinte all indietro (Fig. 7). MULTI BOOK Esperienza virtuale L esperimento di Rutherford

15 0 Dentro la materia LE PARTICELLE SUBATOMICHE Questo risultato stupì notevolmente il suo maestro Rutherford, che nucleo considerò tale fenomeno il più sorprendente della sua vita, commentandolo con queste parole: È stato l evento più incredibile che mi sia mai capitato. È come se sparaste un proiettile da quindici pollici contro un foglio di carta e questo rimbalzasse indietro a colpirvi. In seguito a questi esperimenti il modello di Thomson non era più soddisfacente, pertanto Rutherford ne propose un altro che fosse in accordo con i nuovi fenomeni osservati. atomo nuc Egli immaginò l atomo come uno spazio vuoto con gli elettroni che si muovono al suo interno. Solo così, infatti, si poteva giustificare il fatto che la maggior parte delle particelle α attraversava indisturbata la lamina d oro. Al centro, invece, immaginò che vi fosse una porzione di spazio molto piccola rispetto alle dimensioni dell atomo, il nucleo atomico, che conteneva i protoni. In tal modo si giustificava il motivo per cui solo le particelle positive α che passavano in prossimità del nucleo positivo venivano deviate per effetto della repulsione, mentre quelle che lo centravano venivano addirittura rimbalzate indietro (Fig. 8). atomo nucleare nucleo protoni neutroni elettroni diametro atomo 0-8 cm elettroni diametro nucleo 0-3 cm atomo nucleare Secondo il modello atomico di Rutherford (Fig. 9), si può affermare che: l atomo è costituito da un nucleo centrale dove si concentrano tutta la carica positiva e la maggior parte della massa; gli elettroni, molto più leggeri dei protoni, occupano lo spazio vuoto attorno al nucleo, ruotando attorno a esso come i pianeti attorno al Sole; il diametro dell atomo calcolato da Rutherford è 0 8 cm, mentre quello del nucleo, centomila volte più piccolo, è 0 3 cm. Inoltre Rutherford, per giustificare l eccessiva densità nel nucleo, ipotizzò che, assieme ai protoni, esso dovesse contenere anche delle particelle neutre. Venti anni dopo infatti, nel 932, il suo studente J. Chadwick scoprì tali particelle, i neutroni, e per questo motivo anch egli fu insignito del premio Nobel. Tutto chiaro? Fai un test Vero o Falso? True or False? ENGLISH CORNER atomic nucleus MULTI BOOK Listening Il modello atomico nucleare è stato introdotto da Rutherford. V F 2 Protoni ed elettroni sono uniformemente distribuiti nell atomo di Thomson. V F 3 Nel nucleo atomico si concentrano tutta la carica negativa e la massa. V F 4 Nel modello dell atomo di Rutherford gli elettroni ruotano attorno al nucleo. V F

16 4 Il nucleo atomico ENGLISH CORNER atomic number mass number atomic notation isotopes MULTI BOOK Listening Dal momento che elettroni, protoni e neutroni sono tutti uguali indipendentemente dall atomo di appartenenza, cosa distingue l atomo di un elemento da quello di un altro? L identità di ogni atomo va ricercata non nella natura delle sue particelle, ma nel loro numero e, più precisamente, nel numero di particelle contenute nel nucleo. Ogni elemento, infatti, possiede nel suo nucleo un caratteristico numero di protoni. Questo numero è chiamato numero atomico, viene indicato con il simbolo Z, e costituisce il numero di identificazione di un atomo. Ciascuna specie atomica è caratterizzata da un numero di identificazione, chiamato numero atomico dell elemento e indicato con la lettera Z, che esprime il numero di protoni contenuti nel suo nucleo. Dal momento che l atomo è neutro, Z corrisponde anche al numero di elettroni in esso presenti. Oltre ai protoni, nel nucleo sono presenti anche i neutroni che, come si è detto, hanno massa uguale a quella dei protoni; il numero totale di protoni e neutroni costituisce il numero di massa, indicato con la lettera A. Il numero di massa A è il numero totale di protoni e neutroni presenti nel nucleo di un atomo. Per rappresentare in maniera immediata l atomo di un qualsiasi elemento E si utilizza la notazione atomica che riporta alla sinistra del simbolo dell elemento il numero di massa A e il numero atomico Z, rispettivamente posti ad apice e a pedice. Gli atomi così rappresentati sono anche detti nuclidi. numero di massa (p + + n 0 ) numero atomico (p + ) A ZE simbolo dell elemento E S E M P I O MULTI BOOK Calcola il numero di protoni, elettroni e neutroni presenti nell atomo di cloro rappresentato dalla notazione 37 Cl. 7 Il numero in alto indica il numero di massa: A = 37 Il numero a pedice indica il numero atomico: Z = 7. Tale numero corrisponde al numero di protoni e quindi di elettroni. Dalla differenza A Z possiamo allora calcolare il numero di neutroni: Numero neutroni = A Z = 37 7 = 20 Pertanto l atomo possiede 7 protoni, 7 elettroni e 20 neutroni. Applica Calcola il numero di neutroni contenuti nei 32 seguenti atomi: P 4 C 26 Si 5 O Tutto chiaro? Fai un test Completa le frasi. Il numero atomico indica il numero di presenti nell atomo di un elemento e si indica con la lettera. 2 Il numero di massa è il numero totale di e di presenti nel nucleo e si indica con la lettera.

17 2 Dentro la materia LE PARTICELLE SUBATOMICHE 5 Gli isotopi H D H T In natura soltanto venti elementi presentano atomi con un numero fisso di neutroni nel nucleo; tutti gli altri, invece, presentano atomi con un numero di neutroni variabile. Pertanto è possibile avere atomi dello stesso elemento con lo stesso numero atomico Z, ma con differente numero di massa A. Tali elementi vengono chiamati isotopi. Gli isotopi di uno stesso elemento sono atomi che hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma diverso numero di neutroni. L idrogeno, per esempio, per il 99,9% è costituito da atomi contenenti un protone e nessun neutrone. Esso pertanto ha Z= e A=. Il restante 0,% dell idrogeno presente in natura è costituito da due suoi isotopi, il deuterio e il tritio (Fig. 0). Il deuterio è costituito da atomi che hanno un nucleo contenente un protone e un neutrone (Z=; A=2), mentre il tritio, nel nucleo dei suoi atomi, contiene un protone e due neutroni (Z=; A=3). neutrone protone H 2 H oppure 2 D 3 H oppure 3 T idrogeno deuterio tritio Gli isotopi di uno stesso elemento posseggono lo stesso numero atomico e quindi lo stesso numero di protoni ed elettroni. Le loro proprietà chimiche sono quindi identiche, e per questo motivo essi sono rappresentati dallo stesso simbolo. Possono però differire per le loro proprietà fisiche. L esistenza degli isotopi giustifica il motivo per cui gran parte degli elementi ha massa atomica espressa da numeri decimali, mentre il numero di massa di un isotopo è espresso da numeri interi. Poiché gli elementi contengono una miscela di vari isotopi, la massa atomica viene determinata come media pesata dei numeri di massa degli isotopi presenti. In natura, per esempio, il cloro contiene il 75% dell isotopo 35 e il 25% dell isotopo % 35 7 Cl + 25% 37 7 Cl=00% Cl La massa atomica relativa è pertanto 35,5 così come risulta dal calcolo della media pesata: massa atomica relativa = 35u 0, u 0,25 = 35,5u Lo spettrometro di massa Lo strumento utilizzato per la deteminazione delle masse atomiche è lo spettrometro di massa (Fig. ). Esso consente di determinare il rapporto carica/massa di particelle cariche e, da questo, calcolare l abbondanza relativa dei vari isotopi di un elemento. A tale scopo, il campione dell elemento da analizzare viene introdotto vaporizzato a bassissima pressione nello strumento e bombardato con elettroni a elevata energia. In queste condizioni alcune molecole o atomi perdono elettroni e si trasformano in ioni positivi che, sotto l effetto di un elevato campo elettrico, vengono accelerati e convogliati verso un elettrodo negativo.

18 3 La velocità che gli ioni acquistano è tanto maggiore quanto minore è la loro massa. L applicazione successiva di un campo magnetico provoca la deflessione del raggio ionico dal suo percorso rettilineo e la suddivisione in più fasci, ciascuno dei quali contiene gli ioni dello stesso isotopo. Pertanto, a causa della loro inerzia, le particelle di massa maggiore sono, a parità di carica, meno deviate delle particelle più leggere. Uno speciale rivelatore consente di mettere in evidenza ciascun fascio e, attraverso un elaborazione matematica, dà luogo a un grafico a picchi (Fig. 2). Il numero dei picchi indica quanti isotopi sono presenti nel gas, mentre l intensità dei picchi indica l abbondanza di ciascun isotopo. bombardamento con elettroni a elevata energia 22 Ne + rilevatore ingresso del campione vaporizzato magnete piastre acceleratrici 20 Ne + fascio di ioni Abbondanza relativa degli isotopi Massa degli isotopi Tutto chiaro? Fai un test Scegli il completamento corretto. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno diverso numero... a di massa b di protoni c di elettroni 2 Il deuterio rispetto all idrogeno possiede in più... a un elettrone b un protone c un neutrone 3 Gli isotopi hanno proprietà chimiche... a uguali b simili c diverse 4 Lo spettrometro di massa misura... a la carica elettrica b la massa atomica c il rapporto e/m

19 R 4 Dentro la materia LE PARTICELLE SUBATOMICHE RIASSUMIAMO RIASSUMIAMO Che relazione c è tra materia ed elettricità? Numerosi fenomeni ed esperimenti inducono a pensare che la materia contenga al suo interno delle cariche elettriche, che possono essere di due tipi, positiva e negativa. L atomo, particella elementare della materia, non è più indivisibile, ma è costituito da particelle più semplici di natura elettrica. Quali sono le particelle elementari? Le particelle di cui è costituito l atomo di qualunque elemento sono i protoni, che sono particelle dotate di carica positiva, e gli elettroni, che sono particelle dotate di carica negativa. Soltanto venti anni dopo è stata messa in evidenza l esistenza di particelle neutre, i neutroni, con massa uguale a quella dei protoni. Come sono sistemate le particelle subatomiche all interno dell atomo secondo i primi scienziati? Secondo Thomson, l atomo poteva essere assimilato ad una sfera omogenea carica positivamente con gli elettroni negativi dispersi all interno. Secondo Rutherford, invece, l atomo è costituito da un nucleo centrale, nel quale è concentrata tutta la carica positiva, infinitamente più piccolo rispetto alle dimensioni atomiche attorno al quale si muovono gli elettroni in uno spazio vuoto. Che cosa rappresenta la notazione atomica? La notazione atomica è un modo immediato per descrivere la composizione del nucleo di un atomo. Tutti gli atomi di uno stesso elemento contengono sempre lo stesso numero di protoni, mentre il numero dei neutroni può variare. Il numero dei protoni viene rappresentato dal numero atomico Z, che è il numero che identifica un elemento. La massa invece, viene identificata dal numero di massa A che corrisponde alla somma dei protoni e dei neutroni. Che cosa sono gli isotopi? Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che presentano lo stesso numero atomico ma differente numero di massa. Che cos è lo spettrometro di massa? Lo spettrometro di massa è uno strumento che analizza i campioni di materia separando i componenti di massa diversa in base alla diversa deflessione subita attraversando un campo magnetico. Esso consente di individuare il numero di isotopi e la loro abbondanza relativa. Le relazioni tra i concetti Completa la mappa. TRASFORMAZIONI DELLA ATOMO MATERIA contiene PARTICELLE SUBATOMICHE MULTI BOOK ENGLISH CONCEPT MAP Protoni con massa u e carica... Neutroni con massa u e privi di con massa trascurabile e carica... il cui numero è indicato dal il cui numero totale è indicato dal insieme costituiscono il numero... numero......

20 SUMMARY C HAPTER C HAPTER SUMMARY 5 cs ABOUT CHEMISTRY Listening and Comprehension MULTI BOOK The ancient Greeks had already realized the close relationship between matter and electricity. Indeed, they noticed that by scrubbing some materials such as amber and other resins those could be electrified. The term electricity in fact, comes from the old Greek elektron which means amber. There are several phenomena that can confirm this theory: let s think for instance to metal electrical conductivity or to the dramatic transformations that electricity may cause to matter. Everybody knows how harmful can be a lightning (a discharge of electricity from atmosphere): it burns and destroys everything it strikes. In order to investigate the interaction between matter and electricity many experiments have been performed. In particular Thomson was the first scientist to discover electrons. These are probably the most important subatomic particles because they define the chemical properties of the elements. While electrons are negatively charged, protons are the smallest particles with positive charge. Protons are 836 times bigger than electrons but within each atom the number of protons and electrons is the same. This means that both the atoms and the whole matter are globally neutral. In 932 James Chadwick was awarded with the Nobel Prize for his discovery of the neutron. Neutrons have the same mass of protons but they have no charge. The three elemental subatomic particles (electrons, protons and neutrons) are all the same, no matter the kind of atom they originate from. So the only thing that makes an atom different from another is the number of particles within the atomic nucleus. Each element in fact is characterized by a specific number of protons which is called atomic number. The total number of protons and neutrons that forms the atomic nucleus is named mass number. Thanks to an instrument called mass spectrometer it is possible to detect the atomic mass of atoms identifying the nature of compounds and substances. This analytical technique has several important applications such as carbon dating and detection of contaminants in food and air. Scientists tried to figure out the way in which atomic particles were organized. The first attempt was made by Thomson in 903. Thomson s model was rather imprecise thus it had been quickly replaced by Rutherford s theory. According to this model all the positive charge and nearly all the atomic mass are focused in a central atomic nucleus. Moreover electrons, which are by far lighter than protons, rotate around the nucleus just like planets orbit around the sun. Finally this model stated that the diameter of the nucleus is a thousand times smaller than that of the atom. Review Questions What is the unit used to measure the electric charge? 2 What are the main subatomic particles? 3 What is the mass number? 4 What instrument do you use to estimate the atomic mass?

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