Capitolo 4 Le teorie della materia

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1 Atomo: Prime Teorie

2 Capitolo 4 Le teorie della materia 1. L atomo e la sua storia 2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica 3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali 4. La teoria atomica e le proprietà della materia 5. Le formule chimiche 6. Le particelle e l energia 7. La teoria cinetica e i passaggi di stato 8. Sosta termica e calore latente

3 STM microscopia Non è possibile osservare un oggetto più piccolo della più piccola lunghezza d onda appartenente alla luce visibile (400 nm). L atomo ha una dimensione di circa metri, 40,000 volte più piccolo del limite della visione. Le immagini che offrono una visione degli atomi sono semplicemente misurazioni convertite tramite programmi informatici. Non devono essere considerate come fotografie degli atomi. La tecnica Scanning Tunnel Microscopy permette una ricostruzione della forma degli atomi (sferiche, o coni se adagiati su una superficie) analizzando la distribuzione delle cariche elettriche negative che li circondano (orbitali elettronici).

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5 1. L atomo e la sua storia La materia è formata da particelle microscopiche, gli atomi. Democrito ( a.c.) fu il primo che attribuì il nome «atomi» a particelle infinitamente piccole, immutabili, indistruttibili e indivisibili. Nell 1808, John Dalton ipotizzò il primo modello atomico su basi sperimentali, basato su esperimenti ed osservazioni sia proprie che di Antoine Lavoisier e di Joseph-Louis Proust.

6 Le tre leggi ponderali della chimica.

7 2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica Lavoisier studiò sperimentalmente le trasformazioni chimiche arrivando a enunciare nel 1789 la legge di conservazione della massa. In una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti.

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9 2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica Proust scompose numerosi composti minerali negli elementi costitutivi misurandone le diverse quantità e proporzioni, arrivando nel 1799 a enunciare la legge delle proporzioni definite. In un composto, il rapporto tra le masse degli elementi che lo costituiscono è definito e costante. NaCl CuCO3

10 3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali In 58, 4 grammi di NaCl ci sono 35,4 grammi di Cl e 23 grammi di Na. In 29, 3 grammi di NaCl ci sono 17,7 grammi di Cl e 11,5 grammi di Na. Il rapporto massa Cl/Na è sempre 1,54. Massa atomica dell atomo di Cl è di 23 u, dell atomo di Na è di 35,4 u.

11 Per esempio, in riferimento alla reazione di formazione dell acqua, possiamo scrivere i seguenti dati sperimentali: a) 2 volumi di idrogeno + 1 volume di ossigeno 2 volumi di acqua (ovviamente i volumi devono essere misurati nelle medesime condizioni di pressione e temperatura) b) 1 g di idrogeno + 8 g di ossigeno 9 g di acqua Rapporto massa H/O è sempre 1/8

12 2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica Dalton osservò che alcune coppie di elementi possono combinarsi tra loro in modi diversi e dare origine a più di un composto.

13 2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica Dalton nel 1808 arrivò così a enunciare la legge delle proporzioni multiple. Quando un elemento si combina con la stessa massa di un secondo elemento per formare composti diversi, le masse del primo elemento stanno fra loro in rapporti semplici, esprimibili tramite numeri interi piccoli.

14 Teoria atomica di Dalton

15 3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali John Dalton fu il primo a formulare una teoria atomica moderna.

16 La teoria proposta da Dalton presuppone che: 3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali la materia è fatta di atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili; tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa; gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi; gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di un altro elemento; gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto all altro. La teoria concorda con le leggi della conservazione della Zanichelli massa editore e delle proporzioni definite.

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18 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno identiche proprietà chimiche. Nel 1811 Amedeo Avogadro comprese la distinzione tra atomo e molecola: Una molecola è un raggruppamento di due o più atomi che ha proprietà chimiche caratteristiche.

19 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Le proprietà macroscopiche sono il risultato degli effetti cooperativi di un enorme numero di atomi e di molecole; non sono il prodotto delle proprietà microscopiche. Esempi di proprietà macroscopiche: colore, densità, temperatura di ebollizione, conducibilità elettrica, stato di aggregazione.

20 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Le proprietà microscopiche, ovvero le proprietà chimiche, dipendono dalla natura degli atomi e delle molecole che costituiscono le sostanze.

21 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Esistono molecole formate da atomi dello stesso tipo.

22 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Le molecole dei composti sono formate da atomi diversi.

23 4. La teoria atomica e le proprietà della materia La materia non è costituita soltanto da atomi e da molecole: molte sostanze sono costituite da particelle cariche elettricamente (gli ioni).

24 4. La teoria atomica e le proprietà della materia Gli ioni carichi positivamente (per esempio, Na + ) si chiamano cationi. Gli ioni carichi negativamente (per esempio, Cl - ) si chiamano anioni. I composti ionici (come i sali) sono formati da cationi e anioni.

25 5. Le formule chimiche Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che specifica la composizione della sostanza.

26 formule chimiche

27 5. Le formule chimiche La formula bruta, o grezza, di una molecola indica da quali e quanti elementi essa è costituita (per esempio, CH 4, NH 3, CO 2 ecc.).

28 5. Le formule chimiche È importante tenere presente che in un composto il rapporto di combinazione tra le particelle e quello tra le masse non coincide: infatti particelle diverse hanno masse diverse.

29 La formula di struttura di una molecola indica sia la natura degli atomi che compongono la molecola stessa, sia l'indicazione di come essi stessi sono legati tra loro, sia la disposizione spaziale degli stessi. È in effetti il miglior modo di rappresentare, su una superficie piana, la struttura atomica di una molecola.

30 Teoria cinetica

31 6. Le particelle e l energia La teoria cinetica spiega il comportamento della materia quando viene sottoposta a scambi di energia.

32 6. Le particelle e l energia I postulati su cui si basa la teoria cinetica sono: le particelle della materia sono in continuo e inarrestabile movimento; temperatura e calore sono manifestazioni del moto delle particelle; le particelle non sono a contatto, ma separate da spazi vuoti.

33 6. Le particelle e l energia Il contenuto di energia cinetica è diverso a seconda dello stato di aggregazione della materia.

34 6. Le particelle e l energia Nei solidi le particelle non si muovono ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise.

35 6. Le particelle e l energia Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di movimento.

36 6. Le particelle e l energia Le particelle dei gas hanno massima libertà di movimento con un moto totalmente disordinato.

37 6. Le particelle e l energia La teoria cinetica spiega la relazione fra la temperatura e l energia cinetica media: la temperatura assoluta di un corpo è direttamente proporzionale all energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono.

38 6. Le particelle e l energia Scaldando un corpo, tuttavia, aumenta anche l energia potenziale perché le particelle che lo compongono si allontanano le une dalle altre.

39 6. Le particelle e l energia La somma dell energia cinetica E c e dell energia potenziale E P delle particelle che costituiscono un sistema è detta energia interna: E interna = E c + E p

40 7. La teoria cinetica e i passaggi di stato All aumentare della temperatura cresce l energia interna di un sistema, ovvero aumentano anche l agitazione e la distanza media delle particelle.

41 7. La teoria cinetica e i passaggi di stato Le particelle si liberano dalle forze attrattive elettrostatiche passando da uno stato ordinato a uno via via più disordinato.

42 7. La teoria cinetica e i passaggi di stato A parità di massa, l aumento del contenuto energetico è maggiore quando si passa dallo stato liquido a quello aeriforme che da solido a liquido.

43 8. Sosta termica e calore latente Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire (o a sottrarre) calore.

44 8. Sosta termica e calore latente Il calore scambiato durante un passaggio di stato si chiama calore latente (J/kg). Il calore latente non provoca variazioni di temperatura perché il calore fornito durante un passaggio di stato non modifica l energia cinetica media delle particelle.

45 8. Sosta termica e calore latente Il calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione.

46 8. Sosta termica e calore latente Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per fare evaporare completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione.

47 8. Sosta termica e calore latente Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono proprietà intensive della materia e vengono utilizzati per identificare le sostanze pure.

48 8. Sosta termica e calore latente Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi sostanza pura è molto maggiore del calore latente di fusione. Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido che indebolire le forze di coesione di un solido.

49 8. Sosta termica e calore latente Fanno eccezione quei solidi, come la naftalina e lo iodio, le cui forze di coesione sono così deboli, che passano dallo stato solido direttamente a quello aeriforme (sublimazione).