Disegna l atomo con il nucleo ed il suo contenuto e gli elettroni che gli girano attorno.

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1 ATOMO Le particelle che formano tutto ciò che ci circonda sono gli atomi. Gli atomi sono i mattoni che puoi usare per costruire tutto. Come sono fatti? Immagina di osservarli ingranditi un sacco di volte. Quello che puoi vedere è una sfera, con il diametro di circa 4 km. Al centro sta il nucleo, una pallina di circa 4 cm di diametro. Nel nucleo trovi i nucleoni: PROTONI, con carica elettrica positiva NEUTRONI, con carica elettrica neutra. Protoni e neutroni hanno la stessa massa. La massa dell atomo è determinata da protoni e neutroni (sono loro che hanno peso nell atomo!!!). Attorno al nucleo ruotano delle particelle molto piccole, dette ELETTRONI, con carica elettrica negativa. La massa degli elettroni (e - ) è trascurabile: non hanno peso. Disegna l atomo con il nucleo ed il suo contenuto e gli elettroni che gli girano attorno. Osserva che: - la carica elettrica dei protoni, positiva, vale 1,6 * C (Coulomb,unità di misura della carica elettrica); - la carica elettrica dell elettrone (negativa) vale -1,6 * C; Esattamente il valore assoluto della carica positiva del protone, ma cambiato di segno!!! - il neutrone, come dice il nome, è neutro (senza carica); - la massa del protone vale 1,67 *10-27 kg come quella del neutrone, mentre la massa dell elettrone è trascurabile; 1

2 Riassumi nello schema: particella subatomica Carica elettrica (C) Massa (kg) - ricorda che gli elettroni sono molto distanti dal nucleo e che tra il nucleo e gli elettroni non c è materia, quindi gran parte dell atomo è vuoto; - gli elettroni stanno lì a girare attorno al nucleo perché: o nel nucleo ci sono le cariche positive o gli elettroni hanno carica negativa o cariche opposte si attraggono:. Gli elettroni, negativi, sono quindi attratti dal nucleo, positivo; - tieni bene a mente che neutroni, protoni ed elettroni sono le particelle subatomiche. IMPORTANTE: l atomo è elettricamente neutro (se sommi tutte le cariche elettriche che contiene ottieni come risultato 0). Nell atomo il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Osserva la tavola periodica, nella quale sono raccolti tutti i tipi di atomo che sono finora conosciuti. Le particelle subatomiche sono tutte uguali per ogni atomo, perché allora ci sono elementi diversi? Quello che distingue un atomo dall altro è il numero di protoni che ci sono nel suo nucleo. Questo numero è detto numero atomico. Lo trovi nella tavola degli elementi. Osserva in che modo sono messi in file orizzontali gli elementi: il loro numero atomico aumenta sempre di 1, da sinistra verso destra. RICORDA: che il numero atomico ti dice quanti protoni ci sono nel nucleo dell atomo, ma poiché il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni, il numero atomico ti dice anche quanti elettroni sono presenti proprio in quell atomo. 2

3 Es.: quanti protoni e neutroni ci sono nei seguenti elementi: cerca nella tavola periodica. Elemento Oro simbolo chimico stato di aggregazion e a 20 C numero protoni numero elettroni raggio atomico (Å) Argento Piombo Idrogeno Elio Sodio Cloro Osserva le dimensioni reali degli atomi: si misurano in Å (ångström). Sappi che 1 Å= m = 1/10 nm. Quella che vedi nella scheda sono le dimensioni del raggio della sfera-atomo. Le dimensioni del raggio della sfera-nucleo sono dell ordine dei 10-6 nm Come sono messi gli elettroni? Sappiamo che ruotano attorno al nucleo. Ruotano in zone precise dello spazio. Immagina l atomo come un nucleo al centro di tante sfere concentriche (7 al massimo, come le righe della tavola periodica). Ogni sfera (guscio) possiede un diverso livello energetico e può contenere solo un certo numero di elettroni: - I guscio: può contenere al massimo 2 elettroni - II guscio: può contenere al massimo 8 elettroni - III guscio: può contenere al massimo 8 elettroni Un atomo è stabile quando il suo guscio più esterno è pieno completamente di elettroni. Sono stabili i gas nobili (vedi tavola periodica). 3

4 Come riempi di elettroni i gusci che circondano il nucleo dell atomo? Prima di tutto prepari il simbolo chimico dell elemento e lo circondi con tre cerchi concentrici, che rappresentano i gusci. Nel cerchio più interno prepari 2 posti e negli altri cerchi ne prepari 8, a coppie. Gli spazi che hai predisposto su ogni livello energetico sono pari al numero massimo di elettroni che quel livello può ospitare. Prepara lo schema per l atomo di Mg. Ora puoi partire: scopri, guardando la tavola periodica, quanti protoni possiede l elemento (ossia il suo numero atomico). Mg ha 12 protoni e perciò anche 12 elettroni; inizia a riempire gli spazi che hai preparato, partendo dal livello più interno, più vicino al nucleo; solo quando un livello è completamente pieno puoi passare al successivo. L atomo di Mg risulterà perciò così: Ora che hai capito come fare puoi anche non predisporre i cerchi con gli spazi vuoti e segnare direttamente solo i livelli con gli elettroni presenti. 4

5 NOTA che gli elettroni che ci interessano sono solo quelli del livello più esterno; perciò i chimici non riportano tutti i livelli con tutti gli elettroni, ma solo quelli del livello più esterno. In questo modo l atomo di Mg diventa: Questo modo di rappresentare l elemento e i suoi elettroni più esterni è detto diagramma elettronico a punti (o simboli di Lewis). Rappresentiamo con il diagramma elettronico a punti i seguenti elementi: He Li (il primo guscio è già pieno,quindi non lo rappresento più) C Ricorda che nel guscio più esterno gli atomi possono ospitare al massimo 8 elettroni. Ricorda che l atomo tende a riempire di elettroni il suo guscio più esterno acquistando gli elettroni, se ha pochi posti liberi, o perdendo elettroni, se ne ha pochi nell ultimo guscio. NOTA che in tutti i simboli chimici degli elementi la prima lettera è maiuscola, e la seconda è minuscola. Esercizio: rappresenta con i due metodi gli atomi di: H, Li, Na, Be, Mg, O, F, Cl, He, Ne, Ar Ora osserva: quali atomi hanno uguale rappresentazione con i simboli di Lewis? Ti accorgi che nella tavola periodica gli elementi che hanno uguale numero di elettroni nel livello più esterno stanno nella stessa colonna (che è detta GRUPPO). Ogni gruppo ha comportamento chimico simile, dovuto all uguale numero di elettroni presenti nel guscio più esterno degli atomi di quel gruppo. Ancora sulla tavola periodica: A. METALLI: sono metalli una gran parte degli elementi: da sinistra fino alla grossa riga nera a scalini. Le caratteristiche dei metalli sono: - a temperatura ambiente sono tutti solidi (tranne il Hg); - sono lucenti: riflettono la luce e le immagini; 5

6 - si deformano, ma non perdono le loro caratteristiche: sono duttili (poso farne fili sottili) e malleabili (posso farne lastre sottili); - sono buoni conduttori di calore e di corrente elettrica. B. NON METALLI: a destra della riga nera a scalini. Sono detti così perché non hanno le caratteristiche dei metalli. C. SEMIMETALLI: a cavallo della linea nera scalini, hanno caratteristiche intermedie. D. GAS NOBILI: la colonna più a destra: hanno il guscio più esterno pieno di elettroni, quindi sono stabili non reagiscono chimicamente. Quindi: un atomo è stabile (= non reagisce chimicamente) quando il suo livello più esterno è riempito completamente con elettroni. Cosa succede allora nel caso degli altri elementi? Quelli che nel livello più esterno possiedono meno di quattro elettroni tendono a cederli (come fa il Na) e quelli che nel livello più esterno possiedono più di quattro elettroni tendono ad acquistarli (come fa il Cl). Si hanno così degli atomi non più elettricamente neutri, perché hanno perso o acquistato elettroni. Gli atomi che hanno perso elettroni possiedono carica positiva in più, sono caricati positivamente e sono detti CATIONI. Disegna l atomo di Na, con tutti i suoi elettroni svuota il livello più esterno, togliendo gli elettroni di troppo, e scopri come si carica il Na. Gli atomi che hanno acquistato elettroni possiedono carica negativa in eccesso, sono caricati negativamente e sono detti ANIONI. Disegna l atomo di Cl, con tutti i suoi elettroni completa il livello più esterno, aggiungendo elettroni di un altro colore e scoprir come si carica il Cl. Ed i neutroni? Il numero di neutroni presenti in un atomo non cambia le sue caratteristiche chimiche. Cambia certamente la sua massa Ad esempio, esistono tre tipi di H diversi: - con un solo neutrone nel nucleo (idrogeno comune) 6

7 - con due neutroni nel nucleo (deuterio) - con tre neutroni nel nucleo (trizio) Il deuterio ed il trizio sono detti ISOTOPI dell idrogeno; hanno uguale numero atomico, ma diverso numero di neutroni nel nucleo. Si definiscono quindi due quantità per identificare ogni atomo: Numero di massa (A): la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo Numero atomico (Z): il numero dei protoni nel nucleo Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al numero di massa il numero atomico SEMPRE SULL ATOMO PROTONI: il loro numero determina il tipo di elemento e le sue caratteristiche chimiche (n atomico) NEUTRONI: contribuiscono a rendere più stabile il nucleo. Il diverso numero di neutroni non fa variare le caratteristiche chimiche dell elemento. I NUCLEONI determinano la massa dell elemento. ELETTRONI: - determinano la dimensione dell atomo; - la loro disposizione attorno al nucleo (la struttura elettronica dell atomo) determina le proprietà chimiche dell atomo; - gli elettroni (negativi) sono attratti dal nucleo (positivo); - più protoni contiene il nucleo, più fortemente gli elettroni sono attratti dal nucleo stesso; - più gli elettroni sono lontani dal nucleo, meno fortemente sono attratti. MOLECOLA: particelle formate da due o più atomi, tra loro legati. E la più piccola particella nella quale posso suddividere una sostanza, in modo che mantenga ancora le sue caratteristiche. La descrivo con una formula chimica. FORMULA CHIMICA: ad ogni sostanza è stata assegnata una formula chimica che descrive la composizione delle molecole di quella sostanza in forma elementare (ti dice come è fatta la molecola di quella sostanza). Ad esempio: se scrivi Fe vuoi dire1 atomo di ferro, se scrivi 3 Hg vuoi dire 3 atomi di mercurio, se scrivi O 2 vuoi dire una molecola di ossigeno (formata da due atomi di ossigeno), se scrivi 3 Cl 2 vuoi dire 3 molecole di cloro (formate ciascuna da 2 atomi di cloro). 7

8 Quando scrivi Cl 2 il numero in basso a destra, dopo il simbolo chimico, si chiama indice e ti indica quanti atomi di quel tipo ci sono nella molecola. Quando nella molecola è presente un solo tipo di atomi parli di elementi. Composti: la molecola è formata da atomi diversi. Dalla sua formula chimica puoi capire quanti e quali elementi la formano. Ad esempio: H 2 O si legge acca-due-o e rappresenta la formula chimica della molecola d acqua; è un composto ed è formata da 2 atomi di H e da un atomo di O. CO 2 è la formula dell anidride carbonica, è un, si legge ci-o-due ed è formata da 1 atomo di e da 2 atomi di. C 6 H 12 O 6 è il glucosio, è un, è formata da atomi di, da atomi di e da atomi di. Di come si legano tra loro gli atomi, per formare molecole parleremo la prossima volta. Intanto ricorda che: se una trasformazione non cambia la natura della sostanza si chiama fenomeno fisico; è un fenomeno fisico un oggetto che si rompe (non cambia il materiale che lo forma), il ghiaccio che si scioglie (sempre di acqua si tratta) Un fenomeno chimico cambia la sostanza: è un fenomeno chimico un chiodo di ferro che si arrugginisce (il ferro si ossida e diventa ruggine), un foglio di carta che brucia (la carta si trasforma in una sostanza diversa da quella che era prima di bruciare). 8

9 Ora non pensare più ad atomi isolati, servono almeno due atomi, infatti, per avere un LEGAME CHIMICO Il legame chimico è una forza di tipo elettrico che lega tra loro gli atomi. Gli atomi legandosi danno origine a tutte le sostanze. Se e come gli atomi si legano tra loro dipende dagli elettroni presenti nel loro guscio più esterno. Descriviamo di seguito le caratteristiche principali del: - legame ionico - legame metallico - legame covalente tre tipi di legame tra ATOMI. Sono legami forti,legami primari. LEGAME IONICO Un atomo cede elettroni, un altro li acquista. Sei perciò in presenza di ioni di segno opposto, che si attraggono. Il legame ionico è la forza di attrazione tra ioni con carica opposta. Un esempio di legame ionico è quello del sale da cucina, NaCl. Na + Cl Na Cl Il sodio cede al cloro il suo elettrone. Si ottengono così due ioni di segno opposto, che si attraggono. Da notare che ogni atomo, diventando ione, ha riempito di elettroni il suo guscio più esterno e così è diventato più stabile. Nel sale da cucina ci sono molte coppie NaCl, come si dispongono? Ogni anione è circondato da cationi. Si forma così una struttura cristallina. Nota che il tutto è elettricamente neutro, perché hai ugual numero di anioni e cationi. Caratteristiche del legame ionico: 1. quelli che si formano sono COMPOSTI ionici, perché si legano atomi tra loro diversi; 2. allo stato liquido i composti ionici conducono bene l elettricità (perché ci sono gli ioni); 3. sono materiali duri (non riesci a scalfirli facilmente) e fragili (se cerchi di deformarli si rompono); 4. a temperatura ambiente sono solidi. 9

10 LEGAME METALLICO I metalli tendono a diventare ioni positivi, ma allora a chi cedono gli elettroni di troppo? I cationi del metallo si sistemano su un reticolo regolare ed i loro elettroni vagano lì attorno, formando una nuvola elettronica (detta anche mare di elettroni). Il legame metallico è dunque la forza di attrazione tra i cationi sul reticolo e la nuvola elettronica. Il fatto che nei metalli gli elettroni non siano saldamente legati ad un solo atomo, ma siano mobili spiega perché i metalli conducono la corrente elettrica. LEGAME COVALENTE Gli atomi mettono in comune gli elettroni, non li cedono né li acquistano. Gli elettroni in comune appartengono quindi al guscio più esterno di entrambi gli atomi, sono attratti da entrambi i nuclei. Ogni coppia di elettroni condivisi è detta coppia di legame. Anche qui si ottiene, per ogni atomo, il completamento del livello energetico più esterno, però con elettroni condivisi e non ceduti. Il legame covalente è la forza di attrazione tra due atomi dovuta a coppie di elettroni condivisi. Caratteristiche del legame covalente: 1. possono essere elementi (Cl 2 ) o composti (H 2 O); 2. non conducono la corrente elettrica; 3. a temperatura ambiente possono essere solidi, liquidi o gassosi. 10

11 ELELTTRONEGATIVITÀ Ogni elemento della tavola periodica possiede una proprietà detta elettronegatività. Come puoi ben vedere qui sotto, ad ogni elemento della tavola periodica è associato un numero: il valore dell elettronegatività di quell elemento. H 2.20 Li 0.96 Na 0.96 K 0.84 Rb 0.85 Cs 0.82 Fr 0.86 Be 1.50 Mg 1.29 Ca 1.02 Sr 0.97 Ba 0.93 Ra 0.97 Sc 1.28 Y 1.16 Lu 1.20 Ti 1.54 Zr 1.27 Hf 1.23 V 1.54 Nb 1.23 Ta 1.33 Cr 1.61 Mo 1.73 W 2.88 Mn 1.57 Tc 1.36 Re 1.46 Fe 1.74 Ru 1.42 Os 1.52 Co 1.79 Rh 1.87 Ir 1.88 Ni 1.83 Pd 1.78 Pt 1.86 Cu 1.67 Ag 1.57 Au 1.98 Zn 1.60 Cd 1.52 Hg 1.72 B 2.02 Al 1.63 Ga 1.86 In 1.69 Tl 1.74 C 2.56 Si 1.94 Ge 1.93 Sn 1.84 Pb 1.87 N 2.81 P 2.04 As 2.12 Sb 1.83 Bi 1.76 O 3.37 S 2.46 Se 2.45 Te 2.03 Po 1.76 F 4.00 Cl 3.00 Br 2.82 I 2.48 At 1.96 La 1.09 Ac 1.00 Ce 1.09 Th 1.11 Pr 1.10 Pa 1.14 Nd 1.10 U 1.30 Pm 1.07 Np 1.29 Sm 1.12 Pu 1.25 Eu 1.01 Am 1.2 osservare che il valore dell elettronegatività tende a crescere nella direzione indicata dalle frecce. Infatti: il Cs ha elettronegatività pari a 0,82 e il Hg ha elettronegatività pari a 1,72 noti che l elettronegatività cresce se ti sposti a destra sullo stesso periodo; lo I ha elettronegatività pari a 2,48e il F ha elettronegatività pari a 4,00: l elettronegatività cresce se risali nello stesso gruppo. Gd 1.15 Cm 1.2 Tb 1.10 Bk 1.2 Dy 1.16 Cf 1.2 Ho 1.16 Es 1.2 Er 1.17 Fm 1.2 Tm 1.18 Md 1.2 Yb 1.06 Puoi 11

12 Esercizio Trova i valori di elettronegatività dei seguenti elementi, inseriscili in tabella e rappresentali con dei segmenti verticali, in cm. valore in cm elettronegatività dell elemento elemento O F Ba Na Cl H Cs Ne Esercizio: Calcola la differenza tra le elettronegatività dei seguenti elementi: Cs e F: H e O: H e Cl: Hai notato che i gas nobili hanno elettronegatività nulla? Sai già che quando si forma un legame tra due atomi gli elettroni del guscio più esterno di un atomo interagiscono con quelli più esterni dell altro atomo. L elettronegatività ti spiega con quanta forza l atomo attira verso di sé gli elettroni di legame. Esercizio: attirerà più vicino a sé gli elettroni di legame un atomo con il valore di elettronegatività: più alta più bassa Nel legame tra F e Cs gli elettroni di legame saranno più vicini al nucleo di: F Cs 12

13 Vediamo con questo esempio: trova l elettronegatività di: H = Cl = Quale dei due è più elettronegativo? Quando gli atomi di H e di Cl si legano per formare la molecola di HCl il Cl, più elettronegativo, attira gli elettroni di legame dalla sua parte; così dalla parte del Cl c è più carica negativa dalla parte di H c è più carica positiva. Osserva nel disegno sotto come rappresenti questo concetto: con un più dalla parte positiva della molecola ed un meno dalla parte negativa della molecola. δ - Cl H δ + E dici che le due cariche elettriche, positiva e negative, sono concentrate in due centri distinti. Le molecole fatte in questo sono dette MOLECOLE POLARI, oppure DIPOLI. Le sostanze formate da molecole polari sono sostanze polari. Il legame covalente che lega questi atomi è detto LEGAME COVALENTE POLARE. Ottieni molecole polari quando si legano con un legame covalente atomi tra loro diversi, con diversa elettronegatività. Un esempio importantissimo di molecola polare è la molecola H 2 O (l acqua). Gli atomi di H e di O si legano con legami covalenti polari. Controlla i valori di elettronegatività di: H e O. Quale dei due ha il valore più elevato di elettronegatività? Allora gli elettroni di legame sono attirati dalla parte dell Disegna qui sotto la molecola polare dell acqua, come fatto alla lavagna e posiziona su di essa i segni + e che simboleggiano le localizzazioni delle rispettive cariche elettriche. 13

14 MOLECOLE APOLARI e quindi sostanze apolari e LEGAME COVALENTE PURO. Quando si legano due atomi uguali, con uguale valore di elettronegatività, nessuno dei due atomi attira più vicino a sé gli elettroni di legame, la distribuzione della carica elettrica nella molecola è simmetrica e quindi la molecola non è polare. Sono esempi di questo tipo di legame i legami tra 2 atomi di Cl, di O e di N. Puoi osservare che nel Cl 2 si ha solo una coppia di elettroni di legame, in O 2 sono due le coppie di elettroni che si legano e in N 2 ci sono addirittura tre coppie di elettroni di legame. UN LEGAME SECONDARIO: IL LEGAME A IDROGENO Si studia il legame a idrogeno perché è la sua esistenza che spiega le particolari proprietà dell acqua (nota bene che per te, che le sperimenti tutti i giorni, non sono affatto particolari!!). È un legame tra molecole (già fatte!), quindi un legame secondario, più debole dei legami primari. Esistono anche altri legami secondari, che non studieremo. Hai un legame a idrogeno quando ci sono molecole che contengono idrogeno legato a N, O, F. Perché? a. trova l elettronegatività dei seguenti elementi, e rappresentala con il solito segmento verticale, in cm. valore in cm elettronegatività dell elemento elemento N O F H 14

15 b. noti che esiste una buona differenza tra le elettronegatività di N, O, F e quella dell H, quindi sai che dalla parte di,, saranno concentrate le cariche negative e dalla parte di ci saranno invece le cariche ; c. dato che sai che cariche elettriche opposte si attraggono; d. puoi ben capire che si creeranno delle catene di molecole legate da ponti di idrogeno. Proviamo a capire come funziona il legame idrogeno tra molecole d acqua: La parte positiva di una molecola d acqua è quella negativa di un altra sono legate con il legame a idrogeno. Nell acqua liquida le molecole legate con legami idrogeno possono comunque muoversi. Quando la temperatura si abbassa, vicino a 0 C, i legami si irrigidiscono su una posizione fissa (vedi i fiocchi di neve con forma esagonale). Resta così del vuoto tra le molecole, e il ghiaccio occupa uno spazio maggiore di quello occupato da un uguale massa d acqua (pensa alle bottiglie d acqua in freezer). Questa è una delle proprietà particolari dell acqua rispetto a sostanze chimiche simili: che raffreddandosi, da 3,98 C a 0 C essa aumenta di volume, si dilata. 15

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