1 L'atomo Dall'uomo all'atomo Per capire l'importanza dello studio della chimica scomponiamo mentalmente un essere vivente nelle sue componenti fondamentali. Si può osservare come gli organismi siano costituiti da cellule e le cellule sono costituite da acqua, proteine, zuccheri, grassi e sali minerali; tutte queste sostanze (tutte la materia, in verità) sono costituite da atomi. È quindi molto importante capire come sono fatti gli atomi e come i singoli atomi interagiscono tra loro formando molecole e ioni. L'atomo è costituito da tre particelle fondamentali che si combinano tra loro formando tutti i possibili elementi della tavola periodica. Le particelle elementari L'atomo nel suo interno è composto da varie combinazioni di tre particelle elementari: il protone, il neutrone e l' elettrone. Le caratteristiche fondamentali delle particelle elementari sono due: la carica elettrica e la massa. Particella Massa Carica elettrica Protone 1 UMA 1 carica el. positiva Neutrone 1 UMA non ha carica Elettrone 1/ 1836 UMA (~0) 1 carica el. negativa La massa delle particelle elementari è solitamente espressa in UMA (unità di massa atomica). 1 UMA = 1.66*10-24 g (1 UMA = 0.00000000000000000000000166g). La carica elettrica delle particelle ha anche una unità di misura particolare: la carica elementare. 1 carica elementare = 1.6022*10 19 C. Le cariche elettriche di segno opposto si attraggono e quelle di segno uguale si respingono!!!!! La forza di attrazione/repulsione è inversamente proporzionale alla distanza. Minore è la distanza, maggiore è la forza. La struttura dell'atomo Le particelle elementari si ordinano in modo ben preciso formando gli atomi descritti dalla tavola periodica.
2 Il Nucleo Il nucleo è la parte centrale dell'atomo:ha un raggio molto piccolo (circa 1 / 100000 del raggio dell'atomointero). Nel nucleo risiedono tutti i protoni e tutti i neutroni; per questo motivo il nucleo è il luogo dove si concentra la maggior parte della massa di un atomo. La massa totale di un atomo si chiama peso atomico (o massa atomica). Il valore espresso in UMA del peso atomico è riportato dalle tavole periodiche e non differisce molto dalla massa del nucleo (e quindi dalla somma delle masse dei protoni e dei neutroni), infatti la massa degli elettroni è trascurabilmente piccola. Gli Elettroni Gli elettroni non si trovano nel nucleo, orbitano attorno al nucleo come i pianeti del sistema solare orbitano attorno al sole. Tuttavia non si può portare avanti questo parallelismo. Gli elettroni non sono liberi di disporsi a qualsiasi distanza dal nucleo. Sono costretti ad orbitare in orbite ben precise. Il loro modo di ordinarsi è concentrico, come le foglie di una cipolla. Queste orbite sono chiamate orbitali. Ogni atomo ha a disposizione 7 orbitali. 2 8 8 18 18 32 32 1 2 3 4 5 6 7 Su ciascun orbitale c'èun numero massimo di elettroni che possono aver posto. Se il numero di elettroni eccede questo numero massimo caratteristico per l'orbitale,gli elettroni successivi occupano un'orbita più esterna. Si osservi lo schema della disposizione degli elettroni. Gli elementi I protoni e gli elementi Ci sono 92 elementi naturali e alcuni elementi sintetici. Ciò che distingue un elemento da un altro è il numero di protoni nel nucleo! Per esempio il ferro (Fe) è ferro unicamente perché ha 26 protoni nel nucleo. Se ne avesse 27 sarebbe cobalto (Co), se ne avesse 25 sarebbe manganese (Mn). Il numero dei protoni nel nucleo è chiamato numero atomico e spesso si abbrevia con Z. I neutroni e gli elementi-gli Isotopi Il numero di neutroni in un elemento può essere stimato a partire dalla massa atomica (v. tavola periodica) e dal numero di protoni nel nucleo. Infatti la massa degli elettroni è trascurabilmente piccola per cui di può dire che N neutroni = Massa N protoni il risultato va naturalmente arrotondato all'unitàpiù vicina. Es. il cloro: Massa 35.45 UMA. Z = 17. N neutroni =35.45-17 = 18.45 cioè 18 neutroni.
3 Regole per gli elementi 1. Gli elementi sono elettricamente neutri. Ciò comporta che un elemento della tavola periodica avrà sempre lo stesso numero di elettroni e di protoni. 2. Il numero di neutroni è variabile. I primi 20 elementi hanno circa lo stesso numero di neutroni e di protoni; con l'aumentaredel peso atomico il numero di neutroni aumenta in proporzione rispetto ai protoni (uranio vs. carbonio). Il numero di neutroni può comunque essere sempre stimato col metodo precedentemente descritto. 3. Gli elettroni si ordinano attorno agli atomi negli orbitali, partendo sempre dall'orbitalepiù vicino all'atomoe via via gli altri sempre più lontani: questo perché gli elettroni, più si trovano in vicinanza del nucleo, più ne sono attratti. Per ciascun atomo (elemento) trova: il numero di protoni, di neutroni (stima) e di elettroni. Trova anche il numero di elettroni per ciascun orbitale, seguendo la regola 3 (v. sopra). trova anche il nome dell'elemento. H C N Na Al Au S Ricorda: Quando una materia è composta da un solo tipo di atomo, si ha a che fare con un elemento. C'èuna linea spezzata che divide in due la tavola periodica: questo confine è fondamentale. Gli elementi a destra sono i non metalli, quelli a sinistra sono i metalli. Unica eccezione è l'idrogeno, che pur trovandosi a destra è a tutti gli effetti un non metallo. Caratteristiche dei metalli Caratteristiche dei non metalli Tutti solidi a temperatura Solidi (C,P,S...) liquidi (Br), gas (O, N,...) ambiente tranne... Lucenti Opachi se solidi Conducono calore Non conducono calore Conducono elettricità Non conducono elettricità (tranne la grafite) Duttili e malleabili Friabili Tendono ad ossidarsi (reazione) Tendono a ridursi (reazione) cioè a perdere elettroni cioè ad acquistare elettroni Classificazione per gruppi e per periodi Gruppi Gli elementi che si trovano nella stessa colonna (gruppo) hanno proprietà chimiche simili. I gruppi sono denominati con numeri romani (da IA a VIII/0 e da IB a VIIIB). Metalli Non metalli Gruppo IA : perdono 1 e - Gruppo VII : prendono 1 e - Gruppo IIA : perdono 2 e - Gruppo VI : prendono 2 e -
4 Metalli Non metalli Gruppo IIIA : perdono 3 e - Gruppo V : prendono 3 e - Gruppo IVA : perdono 4 e - Gruppo IV : prendono 4 e - Per gli elementi del gruppo B è più difficile fare una generalizzazione anche se per esempio i gruppi IIIB e IVB si comportano come i rispettivi gruppi A. Regola: Gli elementi reagendo cercano di far in modo che l'orbitale più esterno sia completo. Per questo gli elementi del gruppo VIII/0 non reagiscono del tutto (possiedono già un orbitale completo) e sono definiti gas nobili. Per i seguenti atomi schematizza la struttura degli elettroni e proponi un modo quanti atomi prenderanno o perderanno durante una reazione chimica. Li N S Ba I C La mole Abbiamo visto prima che gli atomi sono molto piccoli. Ad esempio un atomo di idrogeno pesa circa 1 uma (possedendo unicamente un protone ed un elettrone), cioè 1.66*10-24 g. Ci si rende conto subito che quest'ordinedi grandezza è totalmente fuori scala per noi esseri macroscopici. Sarebbe impossibile riuscire ad acchiappare un singolo atomo di idrogeno per poterlo attaccare da qualche parte. Per questo motivo i chimici hanno iniziato ad utilizzare il concetto di mole. Una mole e una quantità molto grande di atomi (molecole, particelle). Osservate a tal proposito il ragionamento sottostante Composizione 12 uova 1 dozzina Unità 6.022*10 23 particelle (atomi, molecole, ioni, ecc.) 1 mole di particelle 1000 g 1 Kg Per trovare quanto pesa una mole di atomi di idrogeno è sufficiente moltiplicare la massa prima indicata di un singolo atomo per il numero di atomi in una mole 1.66*10-24 g * 6.022*10 23 = 0.99965 g In realtà a causa della massa dell'elettron e di altri effetti che vedremo più avanti troviamo che la massa di una mole di H è pari a 1.008 g. Ecco quindi che abbiamo scoperto un nuovo aspetto. La valore che si trova sulla tavola periodica degli elementi è pari alla massa in uma di un singolo atomo, ma è anche pari alla massa in grammi di una mole di quegli atomi. 23 Cioè alla voce Fe troviamo una massa di 58.93; un singolo atomo di ferro pesa 58.93 uma mentre una mole di atomi di ferro pesa 58.93 g! Chiaramente non tutti gli atomi pesano nello stesso modo; ci sono atomi leggeri come l'idrogeno (1.008) e atomi pesanti, come per esempio l'uranio(238.0) e quindi per avere una mole di idrogeno ci vorranno 1.008 g di H, mentre per avere una mole di atomi di uranio ce ne vorranno 238 g di U.
5 Si può tornare al ragionamento delle uova. Una dozzina sono 12 uova, ma la dimensione dell'uovo può variare notevolmente: così una dozzina di uova di quaglia sarà molto meno pesante di una dozzina di uova di gallina e ancor meno pesante di una dozzina di uova di struzzo. Per gli atomi si trova la stessa cosa! Trasformazioni Con questo schema potete trasformare i grammi di un dato atomo in moli e dalle moli potete perfino calcolare quanti singoli atomi avete. Massa : Massa atomica Numero x 6.022*10 23 Numero sostanza x Massa atomica Moli : 6.022*10 23 Particelle Trova la massa di 1 mol di C 2.5 mol di N 0.04 mol di U 1*10 23 atomi di Ca Trova il numero di particelle di 1 mol di C 2.5 mol di N 0.08 g di Fe 23 Kg di K Trova il numero di moli di 1 g di C 0.006 g di B 5*10 23 atomi di F 5 Kg di Cu