Avogadro, Cannizzaro e la legge degli atomi. Giuliano More7 Dipar'mento di Chimica, Sapienza Università di Roma

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1 Avogadro, Cannizzaro e la legge degli atomi Giuliano More7 Dipar'mento di Chimica, Sapienza Università di Roma (giuliano.more>@uniroroma1.it)

2 Sistema Internazionale Grandezze fisiche fondamentali unità di misura lunghezza, l metro, m massa, m kilogrammo, kg tempo, t secondo, s corrente ele5rica, I ampere, A temperatura termodinamica, T kelvin, K quan<tà di sostanza, n mole, mol (quan<tà chimica) intensità luminosa, I v candela, cd

3 mole: la mole è la quan'tà chimica di un sistema che con'ene tante en'tà elementari quan' sono gli atomi in kg del nuclide C-12. Quando si usa la mole devono essere specificate le en'tà elementari che possono essere atomi, molecole, ioni, elekroni, altre par'celle oppure gruppi di tali par'celle (14 a Conferenza Generale dei pesi e delle misure, 1971)

4 Advances in the atomic-molecular theory Concept of chemical equivalency Equivalent weights of acids and bases Atomic (Equivalent) weights, rule of simplicity Equal V equal number of molecules (p, T) Avogadro s principle and law of atoms (corrected atomic weights and formulas) In solid substances Ca C Laws of electrolysis The Periodic Table P(V/n) = RT (V/n = molar volume) [P+a/(V/n)2][ ]=RT A h and KB then NA=KB/R (Idea of the quantum) Brownian movement and other methods to calculate NA (and ma(h)) Electron charge and NA NA= F/e and other methods; book Les Atoms, The electron e/m(e) and e/ma(h) (ma(h) The H atom of atomic number Existence of isotopes for most of the elements The neutron The neutron and its model of the atom a (H)) Giuliano Moretti, CnS La Chimica nella Scuola, N.5, pp , 2016

5 Amedeo Avogadro ( ) Essai d une manière de déterminer les masses rela<ves des molécules élémentaires des corps, et les propor<ons selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons, in Journal de Physique, 73, 1811, pp

6 Stanislao Cannizzaro ( ) Sunto di un corso di Filosofia Chimica fa5o nella R. Università di Genova, in Nuovo Cimento, 7, 1858, pp

7 Roma (Via Panisperna 89 A), 21 novembre 1896 (onoranze per il 70 compleanno di Cannizzaro)

8 Professore di Chimica e Fisica al Collegio Nazionale di Alessandria dal 1851 al 1855 Professore di Chimica all Università di Genova dal 1856 al 1860 (pubblicazione del Sunto nel 1858 ; partecipazione al 1 Congresso Internazionale dei Chimici a Karlsruhe dal 3 al 5 sekembre 1860) Professore di Chimica Organica e Inorganica all Università di Palermo dal 1861 al 1870; ReKore dell Università di Palermo dal 1866 al 1868 Professore di Chimica organica e DireKore dell Is'tuto Chimico a Roma dal 1871 Senatore del Regno d Italia dal 1871 Premi - Faraday Lectureship Prize nel 1872 Royal Society of Chemistry - Medaglia Copley nel 1891 Royal Society Candidato al Premio Nobel per la Chimica nel 1907

9 Il numero 2916 di Topolino è dedicato al 2011 Anno della Chimica

10 Avogadro insieme a Cannizzaro nella storia a fume> Qui Quo Qua e la grande storia della chimica dei paperi, Topolino n.2916 (2011 Anno della Chimica)

11 Avogadro, Cannizzaro e Mendeleev e il suo assistente Paperiev

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13 Un approccio storico per insegnare il conce/o di mole : dall ipotesi di Avogadro alla legge degli atomi di Cannizzaro Secondo l ipotesi di Avogadro la densità di una sostanza allo stato aeriforme (gas o vapori) rispeko alla densità di un gas preso come riferimento, ad esempio l idrogeno, si può scrivere (usando una moderna simbologia) come d j /d H2 = m f (j) / 2 m a (H) m f (j) e m a (H) sono le masse reali della sostanza e dell atomo di idrogeno; Cannizzaro considera la molecola di idrogeno diatomica. Definiamo la massa molecolare della sostanza rela'va all atomo di idrogeno M r (j) = m f (j) / m a (H)

14 Sostanza j Ipotesi di Avogadro, Massa molecolare relativa della sostanza, Analisi chimica qualitativa e quantitativa (p i/j %) d j /d H2 M r (j) C % H % O % Cl % N % S % idrogeno metano alcol metilico alcol etilico glicole etilenico etere etilico ossigeno acqua acqua ossigenata cloro cloruro di idrogeno diclorometano cloroformio tetracloruro di carbonio solfuro di idrogeno ammoniaca

15 La massa molecolare rela'va si può scrivere come somma dei contribu' degli atomi presen' nella molecola M r (j) = Σ i A r (i) ν i/j A r (i) rappresenta la massa atomica rela'va dell atomo considerato A r (i) = m a (i) / m a (H) mentre ν i/j rappresenta il numero di volte che l atomo in ques'one entra a far parte della molecola.

16 M r (j) = m f (j) / m a (H) = Σ i A r (i) ν i/j alcol e'lico : C 2 H 6 O, CH 3 CH 2 OH M r (C 2 H 6 O) = m f (C 2 H 6 O) / m a (H) = A r (C) 2 + A r (H) 6 + A r (O) 1 A r (i) = m a (i) / m a (H) elemen' presen' nell alcol e'lico : C, H e O A r (C) = m a (C) / m a (H) A r (H) = m a (H) / m a (H) = 1 A r (O) = m a (O) / m a (H)

17 La legge degli atomi di Cannizzaro La massa molecolare rela'va della sostanza con'ene un numero intero di volte la massa atomica rela'va di ogni atomo presente nella molecola M r (j) p i/j = A r (i) ν i/j Se analizziamo molte molecole che contengono un determinato atomo allora il valore minimo della quan'tà M r (j) p i/j rappresenterà il caso ν i/j = 1, e quindi la massa atomica rela'va dell atomo A r (i).

18 A r (H) = m a (H) / m a (H) = 1 ν H/H2 = 2 Sostanza j A r (C) ν C/j A r (H) ν H/j A r (O) ν O/j A r (Cl) ν Cl/j A r (N) ν N/j A r (S) ν S/j idrogeno: H metano: CH alcol metilico: CH 3 OH alcol etilico: C 2 H 5 OH glicole etilenico: (CH 2 ) 2 (OH) etere etilico: (C 2 H 5 ) 2 O ossigeno: O acqua: H 2 O acqua ossigenata: H 2 O cloro: Cl cloruro di idrogeno: HCl diclorometano: CH 2 Cl cloroformio: CHCl tetracloruro di carbonio: CCl solfuro di idrogeno: H 2 S ammoniaca: NH

19 La costante di Avogadro e la definizione di mole N A = 1 / m a (H) = 1 g H mol -1 / ( grammi per atomo di H) = numero di atomi di H mol -1. N A 1/1.67 x = 6.02 x mol -1 La definizione akuale della costante di Avogadro è basata sul numero di atomi contenu' in kg del nuclide C-12 : N A = 12/ m a ( 12 C) = x mol -1 La massa atomica di riferimento risulta quindi per definizione m u = 1 u = 1 Da = (1/12) m a ( 12 C)

20 quan<tà di sostanza, n mole, mol (quan<tà chimica) n j = N j / N A 1 / mol -1 = mol n j = N j m f (j)/ (N A m f (j)) = m j / M(j) g /g mol -1 = mol M(j) / g mol -1 = M r (j) alcol e'lico : C 2 H 6 O M r (C 2 H 6 O) = M (C 2 H 6 O) = g mol -1 m f (C 2 H 6 O) = x g

21 Cannizzaro determinò o corresse i pesi atomici di circa 30 elemen', u'lizzando la legge degli atomi, l ipotesi d avogadro e, per sostanze ed elemen' allo stato solido, la legge di Dulong e Pe<t sui calori atomici: N, F, Cl, Br, I O, S, C, Si, B Hg, Sn, Ti, Zr, Al, Fe, Cr Na, K, Ag, Mg, Ca, Ba, Cu, Zn, Pb, Mn, Pt Nel 1870 Mendeleev u'lizzò la legge di Dulong e Pe't per determinare i corre> pesi atomici per gli elemen' In, Ce and U (erra' nella Tavola Periodica da lui pubblicata nel 1869) e quindi realizzò la rimarchevole Tavola Periodica pubblicata nel 1871, rimasta tal quale per circa 70 anni

22 1 1 H idrogeno Li litio Na sodio K potassio Rb rubidio Cs cesio Fr francio [223] 4 Be berillio Mg magnesio Ca calcio Sr stronzio Ba bario Ra radio [226] 21 Sc scandio Y ittrio lantanoidi attinoidi numero atomico Simbolo 22 Ti titanio Zr zirconio Hf afnio Rf rutherfordio [265] 23 V vanadio Nb niobio Ta tantalio Db dubnio [268] Tavola Periodica degli Elementi 2 nome massa atomica Cr cromo Mo molibdeno W tungsteno Sg seaborgio [271] 25 Mn manganese Tc tecnezio [98] 75 Re renio Bh bohrio [270] 26 Fe ferro Ru rutenio Os osmio Hs hassio [277] 27 Co cobalto Rh rodio Ir iridio Mt meitnerio [276] 28 Ni nichel Pd palladio Pt platino Ds darmstadtio [281] 29 Cu rame Ag argento Au oro Rg roentgenio [280] 30 Zn zinco Cd cadmio Hg mercurio Cn copernicio [285] 5 B boro Al alluminio Ga gallio In indio Tl tallio Nh nihonio [286] 6 C carbonio Si silicio Ge germanio Sn stagno Pb piombo Fl flerovio [289] 7 N azoto P fosforo As arsenico Sb antimonio Bi bismuto Mc moscovio [289] 8 O ossigeno S zolfo Se selenio Te tellurio Po polonio [209] 116 Lv livermorio [293] 9 F fluoro Cl cloro Br bromo I iodio At astato [210] 117 Ts tennessinio [293] 18 2 He elio Ne neon Ar argon Kr kripton Xe xenon Rn radon [222] 118 Og oganesson [294] 57 La lantanio Ce cerio Pr praseodimio Nd neodimio Pm promezio [145] 62 Sm samario Eu europio Gd gadolinio Tb terbio Dy disprosio Ho olmio Er erbio Tm tulio Yb itterbio Lu lutezio Ac attinio [227] 90 Th torio Pa protoattinio U uranio Np nettunio [237] 94 Pu plutonio [244] 95 Am americio [243] 96 Cm curio [247] 97 Bk berkelio [247] 98 Cf californio [251] 99 Es einsteinio [252] 100 Fm fermio [257] 101 Md mendelevio [258] 102 No nobelio [259] 103 Lr lawrencio [262] IUPAC ( Le masse atomiche relative sono riportate con quattro cifre significative. In assenza di composizione isotopica costante viene riportato tra parentesi quadre il numero di massa dell isotopo radioattivo più stabile. A cura di Giuliano Moretti Realizzazione grafica e stampa a cura di Via degli Irpini, 10/12 - Roma