LA M A T E R I A. Ma, allora chiediamoci come è fatta la materia?

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Alfonso Di Lorenzo
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LA M A T E R I A Nel mese di marzo 2007, alcuni scienziati tedeschi ed americani hanno dato l annuncio di avere creato il materiale più piccolo mai esistito al mondo e lo hanno chiamato grafene (

1 LA M A T E R I A Nel mese di marzo 2007, alcuni scienziati tedeschi ed americani hanno dato l annuncio di avere creato il materiale più piccolo mai esistito al mondo e lo hanno chiamato grafene ( vedi figura ) Il grafene è una membrana fatta di carbonio così sottile che per raggiungere lo spessore di un capello, bisognerebbe posarne duecentomila uno sopra l'altro! Ma, allora chiediamoci come è fatta la materia?

2 Macroscopico e Microscopico Il Il livello macroscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un batterio (10-6 m) a quelle usuali del mondo accessibile al nostro corpo ( m) Il livello microscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un nucleo atomico (10-15 m) a quelle di una grossa proteina (100 X10-9 m)

3 L'atomo La materia è costituita da atomi. L atomo è la più piccola porzione di materia che conserva tutte le caratteristiche di un unico elemento. Ogni atomo è composto da un nucleo ed da uno o più elettroni disposti su orbite circolari. il nucleo che è costituito da particelle ad alta densità caricate positivamente, i protoni, e da particelle con carica neutra chiamate appunto neutroni. L'atomo è un sistema microscopico costituito da protoni neutroni elettroni

protoni, ma non portano nessuna carica elettrica, sono perciò particelle neutre GLI ELETTRONI

4 Protoni Neutroni Elettroni I PROTONI sono particelle pesanti che portano ognuna una carica elettrica positiva I NEUTRONI sono particelle che hanno una massa leggermente maggiore dei protoni, ma non portano nessuna carica elettrica, sono perciò particelle neutre GLI ELETTRONI sono invece particelle molto più piccole dei protoni e portano ognuno una carica elettrica negativa.

Modello Planetario dell Atomo Gli atomi possono essere considerati come sfere di diametro molto piccolo 2 5 Å (1 Å = 10-10 m), consistenti in un nucleo posto al centro ed in uno o più elettroni

Gli elettroni, di massa piccolissima, in numero tale da neutralizzare la carica positiva nucleare, non sono mai in quiete, ma si muovono rapidamente attorno al nucleo e delimitando così lo spazio

5 Modello Planetario dell Atomo Gli atomi possono essere considerati come sfere di diametro molto piccolo 2 5 Å (1 Å = m), consistenti in un nucleo posto al centro ed in uno o più elettroni disposti su orbite circolari. Il nucleo ha un diametro di volte più piccolo rispetto a quello dell atomo; è composto da neutroni che non hanno carica e da protoni che hanno carica positiva. Gli elettroni, di massa piccolissima, in numero tale da neutralizzare la carica positiva nucleare, non sono mai in quiete, ma si muovono rapidamente attorno al nucleo e delimitando così lo spazio atomico. La massa dell'atomo è determinata dal nucleo, mentre il suo volume, è dipendente dalla distanza alla quale gli elettroni ruotano attorno al nucleo. Gran parte dell'atomo è spazio vuoto. Il volume della sfera atomica è occupato da un piccolissimo nucleo, che si trova al centro, e dagli elettroni che gli ruotano attorno.

6 Le molecole Gli atomi possono legarsi con altri atomi e formano sostanze con caratteristiche completamente diverse. In molti casi gli atomi si organizzano in gruppi discreti (distinguibili l uno dall altro), uguali tra loro, formati da uno o più atomi: le molecole Gli atomi nella molecola sono tenuti insieme da un legame: Atomo Legame Atomo

7 Molecole e Ioni Una molecola è un sistema costituito da uno o più atomi, in grado di esistere isolato. Es. H2 O acqua 2 atomi idrogeno + 1 ossigeno Le molecole sono dette mono-, bi-, tri- atomiche a seconda che siano costituite da 1, 2, 3 atomi La γ-globulina è costituita da atomi Uno ione è un atomo o una molecola con carica elettrica intera, positiva o negativa Il solfato di rame è costituito da ioni Cu 2+ e SO 4 2-

8 I cristalli Molte sostanze importanti, specie allo stato solido, non sono costituite da molecole 'isolabili, ma sono cristalli ; I cristalli possono avere diversi componenti : Nel sale da cucina solido NaCl esistono solo ioni Na + e Cl - separati ; Il diamante è un corpo semplice formato da carbonio C ; gli atomi di carbonio legati fra di loro in modo da costituire un'unica molecola.

La struttura del diamante Struttura cristallina Struttura del diamante cristallina del diamante Ogni Ogni atomo di carbonio carbonio è legato è

9 La struttura del diamante Struttura cristallina Struttura del diamante cristallina del diamante Ogni Ogni atomo di carbonio carbonio è legato è legato ad altri 4 atomi ad altri 4 atomi Un Un diamante perfetto è costituito perfetto da è una unica 'molecola' costituito da una unica 'molecola'

10 Solidi cristallini Cristalli di NaCl sale da cucina Reticolo dell'nacl

Caratteristiche dei solidi metallici Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi metallici sono presenti ioni positivi legati da legame metallico.

11 Caratteristiche dei solidi metallici Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi metallici sono presenti ioni positivi legati da legame metallico. Il reticolo è avvolto dalla nuvola elettronica Temperatura di fusione generalmente alta Elevata densità Buona conducibilità termica ed elettrica Lucentezza al taglio Esempi: i vari metalli

12 Gli isotopi I nuclei degli atomi sono caratterizzati dal numero di protoni e di neutroni che contengono. Gli atomi di un elemento hanno tutti lo stesso numero di protoni, ma possono avere un numero diverso di neutroni. Gli atomi di un elemento che hanno un numero diverso di neutroni sono detti isotopi di quell elemento

Ad esempio il carbonio si trova sotto forma di diamante ( struttura c f

13 Allotropia Se uno stesso elemento dà origine a cristalli diversi si parla di ALLOTROPIA. Ad esempio il carbonio si trova sotto forma di diamante ( struttura c f c ) o di grafite (struttura a strati). Pressione e temperatura determinano le condizioni di stabilità di una fase o dell altra.

14 Stati di aggregazione Uno stesso materiale può avere tre stati di aggregazione : solido, liquido, gassoso. Le proprietà della materia nei suoi tre stati di aggregazione sono essenzialmente determinate dal tipo e dall entità delle forze di interazione fra le particelle. Lo stato solido è caratterizzato da una distribuzione ordinata delle particelle, essendo le forze tra le particelle molto forti tanto che le particelle hanno soltanto la possibilità di oscillare intorno a posizioni ben definite. Tale oscillazione può essere esaltata per azione della temperatura. I solidi quindi possiedono forma e volume propri e sono considerati incomprimibili. Nello stato liquido le forze intermolecolari sono abbastanza forti ma non a tal punto da impedire il movimento delle particelle. I liquidi sono quindi facilmente deformabili ma anch essi incomprimibili poiché il loro volume può essere solo minimamente variato con la pressione e la temperatura. Nello stato gassoso le forze intermolecolari sono praticamente trascurabili e le particelle sono disposte in modo del tutto disordinato. I gas non hanno quindi né volume né forma propria. I liquidi ed i gas per la loro capacità di variare la loro forma vengono detti fluidi. SOLIDO LIQUIDO GAS

15 Passaggio di stato Abbiamo già visto come una sostanza possa presentarsi in diversi stati di aggregazione,ciascuno dei quali esiste a determinati valori di pressione e di temperatura Non sempre però una sostanza esiste in tutti e tre gli stati di aggregazione in quanto può ad esempio decomporsi durante la fusione o durante l'evaporazione.( esempio naftalina)

16 Solido metallico Elettroni mobili Cationi Un metallo puro è costituito da un reticolo di cationi immersi in una nuvola di elettroni mobili I legami sono delocalizzati nell intero cristallo e gli elettroni di valenza non sono legati ad un particolare atomo, ma possono muoversi liberamente.

17 Solido metallico Un metallo puro è costituito da un reticolo di cationi immersi in una nuvola di elettroni mobili. Gli elettroni sono delocalizzati nell intero cristallo e non sono legati ad un particolare atomo, ma possono muoversi liberamente da un atomo all altro Elettroni Cationi

18 I tipi di Solidi

Conducibilità e Densità dei Metalli La conducibilità termica ed elettrica dei metalli è spiegabile con il fatto che gli elettroni di valenza che fanno parte della nuvola elettronica che avvolge il

19 Conducibilità e Densità dei Metalli La conducibilità termica ed elettrica dei metalli è spiegabile con il fatto che gli elettroni di valenza che fanno parte della nuvola elettronica che avvolge il reticolo sono liberi di muoversi. L elevata densità dei metalli si deve al fatto che gli atomi si dispongono in modo da lasciare il minor spazio vuoto possibile ( impacchettamento ) ; in tal modo ogni atomo è circondato da altri atomi.

20 Lavorabilità e Fusione di Metalli La malleabilità e duttilità dei metalli si deve alla struttura del reticolo cristallino ; tirando o piegando il reticolo infatti le forze che legano i vari ioni e la nuvola che li avvolge rimangono invariate. La temperatura di fusione di un metallo dipende dalla forza del legame metallico che varia anche di molto da metallo a metallo.

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