Struttura atomica della materia

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1 Struttura atomica della materia 1

2 FASE fase 3 fase 1 fase 2 FASE: porzione di materia chimicamente e fisicamente omogenea delimitata da superfici di separazione ben definite 2

3 Classificazione della materia MATERIA Sistemi fisicamente eterogenei (proprietà diverse insieme di più fasi) Sistemi fisicamente omogenei (proprietà identiche in ogni puntofasi singole) Sistemi chimicamente eterogenei (più specie chimiche) Sistemi chimicamente omogenei (1 sola specie chimica) elementi composti 3

4 Classificazione della materia Elementi Sono formati da atomi dello stesso tipo. Tutti gli elementi sono classificati nella Tavola o Tabella Periodica dove sono indicati sia il nome che il simbolo Chimico. 90 elementi in natura (gli altri sono artificiali). Crosta terrestre 13 elementi. Composti Sono costituiti da atomi di tipo diverso ed hanno composizione fissa (es. H 2 O, H: 11,9% O: 88,81%) Proprietà dipendono: Natura elementi (NaCl, KCl) Modo in cui gli atomi sono legati (CH 3 CH 2 OH, CH 3 OCH 3 ) 4

5 Oltre il 98% della massa della crosta terrestre è costituita dai seguenti 13 elementi % in massa Ossigeno (O) 46.1 Silicio (Si) 25.7 Alluminio (Al) 7.51 Ferro (Fe) 4.70 Calcio (Ca) 3.99 Sodio (Na) 2.64 Potassio (K) 2.40 Magnesio (Mg) 1.94 Cloro (Cl) 1.88 Idrogeno (H) 0.88 Titanio (Ti) Fosforo (P) Carbonio (C)

6 Struttura atomica della materia Le origini della teoria atomica Democrito ( a.c.) Epicuro ( a.c.) Lucrezio (96-11 a.c.) La materia é costituita da atomi Atomos = indivisibile Lavoisier (1785) enuncia la legge di conservazione della massa Proust (1799) enuncia la legge delle proporzioni definite Dalton (1807) enuncia la legge delle proporzioni multiple 6

7 Struttura atomica della materia La MATERIA è costituita da particelle estremamente piccole: gli ATOMI Teoria atomica di Dalton (1808) La materia è costituita da atomi indivisibili e indistruttibili Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà chimiche Atomi di elementi diversi hanno masse diverse e proprietà chimiche diverse Gli atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeri interi e generalmente piccoli Fine 800-inizio 900 demolizione della teoria atomica di Dalton 7

8 Struttura atomica della materia Esperimenti con raggi catodici: scoperta dell elettrone In un tubo contenente gas rarefatto sottoposto ad elevate differenze di potenziale (tubo di Crookes), dall elettrodo negativo, chiamato catodo, venivano emessi questi raggi. Essi si rivelarono costituiti da particelle materiali portatrici di cariche negative, che si rivelarono sempre identiche indipendentemente dalla natura del gas e del catodo. Si concluse che queste particelle fossero dei costituenti fondamentali di tutti gli atomi e che questi, conseguentemente non fossero unità indivisibili. A queste particelle fu dato il nome di ELETTRONI. L atomo è neutro per cui devono esistere anche delle cariche positive, i protoni 8

9 Struttura atomica della materia L esperimento di Rutheford L esistenza del nucleo 9

10 Struttura atomica della materia Modello atomico di Rutherford Nucleo contenente particelle cariche positivamente (protoni) ed altre particelle (neutroni) Elettroni, che ruotano intorno al nucleo Modello planetario con un nucleo contenente i protoni e gli elettroni che ruotano intorno al nucleo come i pianeti intorno al sole (nuvola elettronica). Ipotizzata esistenza dei neutroni. 10

11 Struttura atomica: le particelle fondamentali ATOMO: particella neutra a forma sferica con al centro un piccolissimo nucleo positivo Atomo r a 10-8 cm elettroni (e - ) nucleo (r nucl cm) I nucleoni sono le particelle che costituiscono il nucleo atomico e quindi comprendono sia i protoni che i neutroni. Essi sono tenuti insieme da forze di scambio che non sono né di natura elettrostatica, né gravitazionale, ma che sarebbero generate da uno scambio continuo tra i nucleoni di mesoni π (chiamai anche pioni) di tipo diverso. Questi ultimi sono particelle con massa volte quella dell elettrone protoni (p + ) quarks neutroni (n) quarks 11

12 Struttura atomica: le particelle fondamentali Particella Massa Carica simbolo SI (g) atomica SI (C) atomica e p n unità di carica atomica: C unità di massa atomica: g massa elettrone 1836 volte < massa protone Nel NUCLEO è concentrata la MASSA dell atomo 12

13 La struttura dell atomo Numero atomico (Z) = numero di elettroni (corrisponde anche al numero di protoni essendo gli atomi neutri). Atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietà chimiche, sono classificati come atomi dello stesso elemento e identificati dallo stesso simbolo chimico Numero di massa (A) = numero protoni + numero neutroni= numero nucleoni Carica nucleare (+ Z) A - Z = numero dei neutroni 13

14 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Nuclide Una specie atomica caratterizzata da una ben determinata composizione del nucleo Per scrivere un nuclide occorre: simbolo elemento (X) Z (in basso a sinistra) A (in alto a sinistra) A Z X Esempio: nuclide elemento azoto 14 7 N Z = 7 A = 14 A-Z = 7 7 p +, 7 e -, 7 n; carica nucleare: +7 14

15 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Isotopi nuclidi di uno stesso elemento (isos topos = stesso posto), quindi con uguale numero atomico Z ma diverso numero di massa A e quindi diverso numero di neutroni 12 C C 6 13 C 14 C Isobari Nuclidi di elementi diversi, quindi con diverso numero atomico Z ma con uguale numero di massa A (isos baros = stesso peso) 16 O O 8 17 O 18 O Fe Cr

16 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Tutti gli isotopi di un elemento hanno lo stesso nome. Fa eccezione l idrogeno: H = H = idrogeno 1 H = D = deuterio 1 H = T = trizio L idrogeno naturale contiene il % di H, lo 0.015% di D ed una percentuale pressoché inapprezzabile di T. Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono solo dal numero di elettroni (e quindi da Z) e conseguentemente diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche e chimico-fisiche. Fanno eccezione gli isotopi degli elementi leggeri, in particolare dell idrogeno: H 2 O p.f C p.e C ad 1 atm D 2 O p.f C p.e C ad 1 atm Esistono elementi come F, Al e P che hanno un solo isotopo 16

17 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi con composizione costante Spettro di massa del Neon Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore Animation Ne (90.51%) 21 Ne (0.27%) Ne (9.22%) 10 17

18 La struttura del nucleo atomico: nuclidi stabili e radionuclidi Nuclidi conosciuti ad oggi 2200 Nuclidi stabili (naturali) 270 Stabilità Numero PROTONI (Z) Numero NEUTRONI (A-Z) Processo di decadimento radioattivo è un processo di trasformazione di un nuclide in un altro nuclide (stabile o meno) con emissione di PARTICELLE e a volte radiazione elettromagnetica. Legami chimici, stato di aggregazione, P, T, campi elettrici e campi magnetici NON influenzano i processi di decadimento radioattivo. 18

19 Massa atomica Le masse atomiche assolute degli atomi si possono determinare sperimentalmente con la spettrometria di massa. I valori sono molto piccoli H 1.66 x g Fe 9.30 x g 1961 definita scala unificata delle masse atomiche Unità di Massa Atomica (u.m.a.) 1 u.m.a. = 1 / 12 della massa assoluta di 12 C = 1 / g = g Con questa unità di misura sono state tabulate le masse atomiche relative (M r ). M r = massa atomica assoluta (g) dell isotopo massa (g) corrispondente all unità di massa atomica 19

20 Massa atomica (peso atomico) g M 12 r C = = g M r 23 Na = g g = Elementi in natura miscele di diversi isotopi Massa atomica media relativa di un elemento Quale massa riportiamo nella tavola periodica???? La media pesata delle masse atomiche relative degli isotopi costitutivi (peso atomico) M E = Mi p 100 C (98.89%) M = i i M = E massa atomica media dell elemento M i = massa atomica dell isotopo i-esimo; p i = abbondanza relativa dell isotopo i esimo (%) 13 C (1.11%) M = x x 1.11 M C = =

21 Massa molecolare (peso molecolare) Le molecole sono aggregati poliatomici, vengono rappresentate da una formula chimica che fornisce una descrizione della composizione in maniera qualitativa e quantitativa massa molecolare somma delle masse atomiche degli atomi presenti in una sua molecola Alcol etilico (C 2 H 6 O) M C 2H6O = 2 M C + 6 M H + M O = 2 x x = =

22 Mole Le reazioni chimiche osservabili sperimentalmente coinvolgono un numero enorme di atomi, molecole o ioni. È conveniente definire una nuova grandezza che rappresenta un numero grande e fisso di particelle e comparabile alle quantità utilizzate in un esperimento reale. Mole (abbrevazione S.I. mol) Quantità di sostanza che contiene tante entità elementari (atomi, ioni, molecole, ecc.) quanti sono gli atomi contenuti in 12 g esatti di 12 C, il cui valore corrisponde ad N A Numero di Avogadro N A = entità/mol 22

23 Mole n atomi 12 C in 1 mole = g massa di 1 atomo 12 C = 12,0000 g 12 x 1, g n atomi 12 C in 1 mole = 6, mole Fe contiene un numero N A di atomi di Fe 1 mole di H 2 O contiene un numero N A di molecole di H 2 O In generale, se un campione contiene N entità, il numero di moli n: n = N N A Massa molare di una sostanza massa (espressa in g) di 1 mole della sostanza La massa molare è numericamente uguale alla massa atomica (per gli elementi) o alla massa molecolare (per i composti). 23

24 Calcolo massa molare di H 2 O (M H 2O ) M H 2O = n molecole H 2 O in 1mole massa di una molecola H 2 O = M H 2O = mol g = g mol -1 numericamente uguale alla massa molecolare (18.02) Analogamente per gli elementi, essendo M Ca = 40.08, 1 mole di Ca (N A atomi) pesa g n (mol) = m (g) M (g mol -1 ) IMPORTANTE 24

25 Massa molare (di un elemento o di un composto) Stessa massa Diverso numero di moli Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore Animation. Diversa massa Uguale numero di moli 25

26 C LA MASSA MOLARE S n = 1 mole Cu Pb Hg 26

27 Massa molare (di un elemento o di un composto) n = 1 mole Per vedere questa immagine occorre QuickTime e un decompressore Animation. 18 g di acqua 180 g di glucosio 46 g di alcol etilico 342 g di saccarosio 27

28 Struttura atomica Le dimensioni degli atomi Esempio: RAME (Cu) Densità δ = 8.96 g/cm 3 (20 C) Massa molare M = g/mol Volume molare V m = M/δ = (g/mol) / 8.96 (g/cm 3 ) = 7.09 cm 3 /mol Volume atomico V at = V m /N A = 7.09 (cm 3 /mol) / (mol -1 ) = (cm 3 ) Atomo = Sfera r at = (V at 3/4π) 1/3 = cm = 1.41 Å (1 Å = 10-8 cm) Valore sperimentale: r at = 1.20 Å 28

29 Struttura atomica Le dimensioni degli atomi Esempio: Rame (Cu), Ferro (Fe),... Raggio nucleare Valore sperimentale: r nucl 10-4 Å r at /r nucl (in alcuni casi anche ) 1 cm 29