5. Le teorie della materia

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2 5. Le teorie della materia

3 5.1 Il concetto di atomo ha radici antiche

4 Il concetto di atomo 1 Le prime ipotesi sulla struttura della materia si basavano esclusivamente su argomentazioni di tipo filosofico. Valitutti Tifi Gentile La chimica della Natura Zanichelli editore

5 Il concetto di atomo 2 La materia non è continua come sembra, ma è formata da particelle piccolissime Leucippo (450 a.c) 5

6 Il concetto di atomo 3 Un suo discepolo, Democrito, chiamò atomi queste particelle. L idea atomistica della materia fu osteggiata da Platone e Aristotele. Fu ripresa in seguito da Lucrezio (95-55 a.c.) nel De rerum natura. 6

7 Il concetto di atomo 4 Il primo modello atomico costruito su basi sperimentali fu proposto solo ventidue secoli dopo. 7

8 Il concetto di atomo 5 Gli attuali risultati sperimentali ci autorizzano a dire che la materia non è continua ma è formata da particelle piccolissime separate da spazi vuoti. 8

9 5.2 La moderna teoria atomica è nata grazie a Lavoisier, Proust e Dalton

10 Le basi sperimentali La prima teoria atomica nacque dall analisi di tre leggi sperimentali: Legge di conservazione della massa. Legge delle proporzioni definite. Legge delle proporzioni multiple. 10

11 Conservazione della massa 1 Mi sono dato come legge di procedere sempre dal noto all ignoto, e di non fare alcuna deduzione che non sgorghi direttamente dagli esperimenti e dall osservazione Lavoisier (Parigi, ) 11

12 Conservazione della massa 2 La bilancia fu lo strumento che accompagnò Lavoisier nei suoi esperimenti e intorno al quale ruotarono le prime idee scientifiche della chimica. 12

13 Conservazione della massa 3 Legge di conservazione della massa: in una reazione chimica la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti. 13

14 Conservazione della massa 4 La legge di Lavoisier può essere verificata utilizzando ioduro di potassio e nitrato di piombo Si preparano le due polveri bianche e un mortaio Si uniscono le polveri nel mortaio e si misura la massa. 14

15 Conservazione della massa 5 Si mischiano le due polveri nel mortaio Il miscuglio rimane bianco o cambia colore? La massa cambia o rimane la stessa? 15

16 Legge delle proporzioni definite 1 Joseph Proust, un altro chimico francese, attraverso un metodo d indagine analogo a quello di Lavoisier, arrivò nel 1799 ad enunciare la legge delle proporzioni definite. 16

17 Legge delle proporzioni definite 1 Legge delle proporzioni definite: in un composto, gli elementi che lo costituiscono sono presenti secondo rapporti in massa costanti e definiti. 17

18 Legge delle proporzioni definite 2 Riscaldando diversi campioni di carbonato di rame del peso di g, si ottengono sempre 79,5 g di ossido di rame e 44 g di diossido di carbonio. 18

19 Legge delle proporzioni definite 3 un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante Proust (Angers, ) 19

20 Legge delle proporzioni definite 4 Il rapporto tra le masse degli elementi che costituisco un dato composto (rapporto di combinazione) è costante. In questo un composto differisce da un miscuglio, in cui il rapporto tra gli elementi può assumere qualsiasi valore. 20

21 Legge delle proporzioni multiple 1 Dalton analizzò casi in cui due elementi possono reagire dando luogo a due o più composti diversi. Ad esempio, carbonio e ossigeno possono formare monossido di carbonio o diossido di carbonio. 21

22 Legge delle proporzioni multiple 2 C 1 g O g CO 2.33 g Quando l ossigeno è poco si forma il monossido. C 1 g O g CO g Quando l ossigeno è tanto si forma il diossido 22

23 Legge delle proporzioni multiple 3 Le quantità di ossigeno che si combinano con 1 g di carbonio per formare il monossido e il diossido stanno tra loro in rapporto 1:2. 23

24 Legge delle proporzioni multiple 4 Legge delle proporzioni multiple: quando un elemento si combina con una stessa massa di un secondo elemento per formare composti diversi, le masse del primo elemento stanno tra loro in rapporti semplici. 24

25 La prima teoria atomica 1 Nel 1803 Dalton formulò la prima teoria atomica, in accordo con le tre leggi sperimentali sopra enunciate. 25

26 La prima teoria atomica 2 1. La materia è fatta di atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili; 2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa; 26

27 La prima teoria atomica 3 3. gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi; 4. gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di altri elementi; 27

28 La prima teoria atomica 4 5. gli atomi non possono essere creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto all altro. 28

29 La prima teoria atomica 5 La teoria di Dalton è in accordo con la legge di conservazione della massa: i punti 1, 2, 3, 5 implicano che in una reazione chimica gli atomi rimangono invariati in numero e massa. 29

30 La prima teoria atomica 6 30

31 La prima teoria atomica 7 La teoria è in accordo con la legge di Proust: i punti 4 e 5 implicano che un composto ha composizione costante, cioè contiene un numero fisso di atomi di ogni elemento. 31

32 La prima teoria atomica 8 32

33 La prima teoria atomica 9 La teoria di Dalton è in accordo anche con la legge delle proporzioni multiple. Ad esempio nella reazione tra ossigeno e carbonio, il monossido contiene un atomo di O per ogni atomo di C, il diossido ne contiene due. 33

34 La prima teoria atomica 10 I due composti hanno proprietà fisiche e chimiche completamente diverse. 34

35 5.3 La teoria atomica spiega le proprietà della materia

36 Gli elementi 1 Questa pepita d oro è costituita da una sola specie di atomi (Au). Lo stesso è vero per un oggetto di rame (Cu), di alluminio (Al) o di ferro (Fe). 36

37 Gli elementi 2 Immaginiamo di dividere un oggetto di alluminio in campioni sempre più piccoli. 37

38 Gli elementi 3 Dopo numerosissime suddivisioni, arriveremo alla singola particella, chiamata atomo, che conserva le proprietà chimiche dell alluminio. 38

39 Gli elementi 4 Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno proprietà chimiche identiche. 39

40 Gli elementi 5 L atomo non possiede però le proprietà fisiche dell elemento: un solo atomo non può avere un colore o condurre l elettricità. 40

41 Gli elementi 6 Le proprietà macroscopiche (ad esempio opacità, colore, conducibilità, densità, stato di aggregazione) sono il risultato dell unione di tantissime particelle, in questo caso atomi. 41

42 Le molecole 1 Alcuni elementi, come l idrogeno, l ossigeno, l azoto, il cloro, il fluoro, il bromo e lo iodio, si trovano in natura sotto forma di molecole costituite da due atomi identici (molecole biatomiche). 42

43 Le molecole 2 Altri elementi, come il fosforo e l arsenico, esistono sotto forma di molecole costituite da quattro atomi; lo zolfo e il selenio possiedono molecole formate da otto atomi. 43

44 Le molecole 3 La molecola è un raggruppamento di due o più atomi che possiede proprietà chimiche caratteristiche. 44

45 Le molecole 4 La formula di una molecola indica da quali elementi essa è costituita e quanti atomi di ciascun elemento contiene. L ossigeno ad esempio si trova in molecole con formula chimica O 2. 45

46 Le molecole 5 La formula che utilizziamo per indicare quali e quanti atomi costituiscono la molecola di un composto è chiamata formula bruta o grezza. 46

47 Le molecole 6 Le molecole dei composti sono costituite da atomi di tipo diverso. I composti hanno composizione definita a cui partecipano atomi di natura diversa. 47

48 Le molecole 7 L acqua è un composto costituito da molecole la cui formula chimica è H 2 O. L acqua contenuta in un bicchiere è formata da miliardi e miliardi di molecole d acqua. 48

49 Le molecole 8 Questi tre composti hanno formula chimica rispettivamente: CO 2, NH 3, CH 4. 49

50 Le molecole 9 Una singola molecola non ha le proprietà fisiche dell elemento o del composto. Non ha significato, ad esempio, parlare del punto di fusione di una singola molecola. 50

51 Le molecole 10 Proprietà microscopiche e macroscopiche 51

52 I composti ionici 1 Si definiscono ioni gli atomi (o i gruppi di atomi) con una o più cariche elettriche, positive o negative. 52

53 I composti ionici 2 Un composto ionico contiene schiere di ioni positivi e negativi che si alternano in modo ordinato. A temperatura ambiente i composti ionici sono tutti solidi. 53

54 I composti ionici 3a 54

55 I composti ionici 3b 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. 55

56 I composti ionici 4 La formula di un composto ionico indica il rapporto con cui sono combinati gli ioni che lo costituiscono. NaCl significa che il rapporto con cui sono combinati Na + e Cl - è 1:1. 56

57 5.4 Le particelle sono in continuo movimento: la teoria cinetico-molecolare

58 La teoria cinetico-molecolare 1 La teoria cinetica spiega il comportamento della materia quando viene sottoposta a scambi di energia. Il contenuto di energia cinetica è diverso a seconda dello stato di aggregazione della materia. Le particelle che costituiscono i materiali sono separate da spazio vuoto e sono in continuo movimento. 58

59 La teoria cinetico-molecolare 2 Nei solidi le particelle oscillano intorno a posizioni fisse. Nei liquidi le molecole sono in contatto tra loro ma hanno maggiore libertà di movimento. Nei gas il moto molecolare è assolutamente disordinato. 59

60 La teoria cinetico-molecolare 3 1. Le molecole hanno energia cinetica legata al loro moto. 2. Hanno inoltre energia potenziale legata alle interazioni tra molecole. 60

61 La teoria cinetico-molecolare 4 Energia interna del sistema: E sistema = E c + E p Se forniamo calore a un oggetto, la sua energia interna aumenta. Infatti, il calore è un modo di trasferire energia da un corpo più caldo a uno più freddo. 61

62 La teoria cinetico-molecolare 5 In seguito a riscaldamento, l energia cinetica delle particelle aumenta. Esse si muovono via via più velocemente urtandosi sempre più spesso e tendono ad allontanarsi l una dall altra. 62

63 La teoria cinetico-molecolare 6 La temperatura assoluta di un corpo è proporzionale all energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono. 63

64 La teoria cinetico-molecolare 7 Le particelle di un corpo non hanno tutte la stessa energia cinetica. Per questo si preferisce parlare di energia cinetica media delle particelle. 64

65 La teoria cinetico-molecolare 8 In seguito a riscaldamento, anche l energia potenziale delle particelle aumenta, perché le distanze intermolecolari aumentano e le interazioni attrattive si indeboliscono. 65

66 La teoria cinetico-molecolare 9 All aumentare della temperatura cresce l energia interna di un sistema, ovvero aumentano anche l agitazione e la distanza media delle particelle. 66

67 La teoria cinetico-molecolare 10 Le particelle si liberano dalle forze attrattive elettrostatiche passando da uno stato ordinato a uno via via più disordinato. 67

68 La teoria cinetico-molecolare 11 All aumentare della temperatura cresce l energia interna di un sistema, ovvero aumentano anche l agitazione e la distanza media delle particelle. 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. 68

69 La teoria cinetico-molecolare 12 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. 69

70 La teoria cinetico-molecolare 13 Il calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione. 70

71 La teoria cinetico-molecolare 14 Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per fare evaporare completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione. 71

72 La teoria cinetico-molecolare 15 Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire (o a sottrarre) calore. 72

73 La teoria cinetico-molecolare 16 Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono proprietà intensive della materia e vengono utilizzati per identificare le sostanze pure. 73

74 La teoria cinetico-molecolare 17 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. 74

75 La teoria cinetico-molecolare 18 È più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido che indebolire le forze di coesione di un solido. 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). 75