Elementi di Chimica Lezione 01
Capitolo 1 - L atomo e le molecole Lo studio sistematico della chimica con il cosiddetto metodo sperimentale" ha avuto inizio solo pochi secoli fa. Il metodo sperimentale consiste nell effettuare lo studio dei fenomeni scientifici attraverso la loro riproduzione o simulazione in laboratorio in modo da poterli eseguire più volte e misurare l entità delle cause e la corrispondente entità degli effetti. Diventa così possibile verificare, innanzi tutto, se le stesse cause producono sempre gli stessi effetti e poi se fra le loro misure esista una correlazione che possa essere rappresentata da un espressione matematica. Prima di procedere alla sperimentazione, è necessario formulare un ipotesi su quali possono essere le cause che producono determinati fenomeni e poi escogitare come simularli in laboratorio in modo che siano riproducibili (cioè effettuabili più volte) e misurabili. Un esempio molto semplice può servire a chiarire questo concetto. Noi tutti sappiamo che se versiamo dello zucchero in una tazzina di caffè e agitiamo con un cucchiaino, lo zucchero si scioglie dolcificando il caffè, ma a volte, dopo averlo bevuto, notiamo che sul fondo della tazzina rimane dello zucchero che non si è disciolto. Abbiamo forse anche notato che se il caffè è freddo lo zucchero si scioglie più difficilmente. Fatte queste osservazioni ci si può chiedere: esiste una correlazione fra la quantità massima di zucchero che si può sciogliere in una certa quantità di liquido? se la correlazione esiste, come viene influenzata dalla temperatura del liquido? Per rispondere in modo scientificamente rigoroso a queste domande bisogna eseguire un certo numero di prove (esperimenti) in un laboratorio dotato di un recipiente per contenere il liquido, di un agitatore per mescolarlo,di un apparecchiatura per riscaldarlo e di due strumenti di misura semplici ma precisi: una bilancia e un termometro. Per effettuare una prova si mette nel recipiente una quantità pesata di liquido, lo si riscalda e lo si
mantiene ad una temperatura voluta, misurata col termometro, dopo di che si versano a poco a poco piccole quantità aggiuntive di zucchero agitando ogni volta fino a discioglierlo tutto. Ad un certo punto lo zucchero aggiunto non si scioglie più e rimane visibile sul fondo del recipiente. La quantità totale di zucchero aggiunta fino a quel punto è la massima quantità di zucchero che si scioglie in quella determinata quantità di liquido a quella determinata temperatura. Ripetendo l esperimento con quantità variabili di liquido, ma sempre alla stessa temperatura, si possono determinare le quantità di zucchero che di volta in volta si sciolgono e quindi la correlazione fra quantità di liquido e quantità di zucchero. Ripetendo l esperimento con quantità costanti di liquido, ma a diverse temperature, si trova la correlazione fra la quantità di zucchero e la temperatura. Entrambe le correlazioni mostrano una proporzionalità diretta fra le grandezze in gioco e i valori trovati permettono di ricavare delle formule matematiche con le quali è possibile calcolare, da quel momento in poi, la quantità di zucchero che si può sciogliere in una certa quantità di quel liquido ad ogni temperatura, senza bisogno di fare ulteriori esperimenti. Si è così trovata la legge di solubilità dello zucchero in quel liquido. È evidente che quando i fenomeni sono più complessi di quello qui descritto tutti i procedimenti, le apparecchiature e gli strumenti di misura diventano più complessi ed il rigore richiesto nella sperimentazione deve essere assoluto. Ed è importante soprattutto che l esperimento sia riproducibile, ossia che chiunque faccia l esperimento in qualsiasi laboratorio ottenga gli stessi risultati. Si è insistito su questi aspetti in un modo che può apparire eccessivo, ma lo si è fatto volutamente per evidenziare che tutto quello che descriveremo in seguito è il risultato di un lavoro paziente, costante e rigoroso di un enorme numero di persone di cui solo pochi hanno avuto la fortuna, o il merito, di legare il loro nome alla scoperta delle conoscenze acquisite. A tutti gli altri però va riconosciuto il merito di aver contribuito con il loro impegno ad accrescere la nostra conoscenza del mondo che ci circonda.
La struttura dell atomo La prima grande risposta che la chimica ha finora dato alla ricerca dell essenza della materia è stata che la materia è costituita dall aggregazione di particelle piccolissime chiamate atomi. La parola atomo, introdotta dal filosofo greco Democrito nel V secolo a.c., letteralmente significa non divisibile. Con questa parola si designa la più piccola parte di un elemento che conserva le proprietà chimiche dell elemento stesso e, fino a non molto tempo fa, era considerata come la più piccola particella esistente in natura, quindi non ulteriormente divisibile. In tempi più recenti si è scoperto che l atomo è costituito a sua volta da particelle più piccole di cui le principali sono i protoni, gli elettroni e i neutroni 1. I protoni hanno una carica elettrica positiva, gli elettroni una carica negativa, mentre i neutroni non hanno carica elettrica (Figura 1). I protoni ed i neutroni si dispongono nella parte centrale e costituiscono il nucleo dell atomo, gli e- lettroni, che sono particelle molto più piccole delle altre due, si dispongono alla periferia e ruotano intorno al nucleo come pianeti intorno al sole. Il numero di protoni del nucleo è uguale al numero di elettroni, cosicché le cariche elettriche positive e negative si compensano e l atomo risulta elettricamente neutro. La figura non dà un idea esatta delle proporzioni relative di questi elementi. Infatti, mentre si vede chiaramente che la maggior parte della massa dell atomo è concentrata nel nucleo, non risulta altrettanto evidente che il diametro del nucleo è di circa 100 volte maggiore di quello degli elettroni e che questi ruotano intorno al nucleo su una sfera che ha un diametro di circa 1000 volte maggiore di quello del nucleo. In altri termini, se la figura fosse in scala e disegnassimo un elettrone con un cerchietto di 1 millimetro di diametro, dovremmo disegnare il nucleo con un diametro di 100 millimetri (pari a 10 centimetri) e il diametro delle orbite degli elettroni con un diametro di 100.000 millimetri (pari a 100 metri). Questo indica che gli spazi vuoti all interno degli atomi sono molto più e- stesi di quelli occupati dalle particelle e ciò anche per quelle sostanze che a noi appaiono molto compatte. Gli elettroni, che sono caricati negativamente, vengono attratti dai protoni caricati positivamente ma non cadono su di essi perché la forza elettrica di attrazione viene bilanciata dalla forza centrifuga che agisce sugli elettroni a causa della loro veloce rotazione intorno al nucleo. È quello che avviene 1 In realtà ancora più di recente si è scoperto che anche queste particelle sono a loro volta costituite da altre più piccole, ma non ci addentreremo in questo campo che esula dagli scopi di questo testo.
per i pianeti che ruotano intorno al sole; anch essi sono soggetti alla forza di attrazione gravitazionale che viene bilanciata dalla forza centrifuga derivante dalla loro rotazione. La caratteristica più importante di un atomo è il numero di protoni presenti nel nucleo. I vari elementi, infatti, si differenziano chimicamente fra loro proprio per il numero di protoni (e corrispondentemente di elettroni) presenti nel nucleo del loro atomo. In natura esistono 92 elementi diversi, che partono dal più piccolo, l idrogeno, il cui atomo è costituito da un protone e un elettrone, al più grande, l uranio, il cui atomo è costituito da 92 protoni e 92 elettroni 2. La tabella riportata nelle Figure 2-5 elenca i 92 elementi ordinati secondo il numero di protoni (o di elettroni) presenti nel nucleo, che prende il nome di numero ed è indicato nella prima colonna. Nella seconda colonna è riportato il nome e nella terza il simbolo chimico dell elemento, che è l abbreviazione con cui esso è indicato nelle formule chimiche. Nella quarta colonna infine è riportato il peso che rappresenta quante volte la massa di quell elemento è maggiore della massa dell atomo di idrogeno. Spieghiamo meglio questo concetto. L idrogeno è formato da un protone e da un elettrone e, poiché l elettrone ha una massa trascurabile 3, si può considerare che la massa dell idrogeno è uguale alla massa di un protone ed è stata assunta come unità di misura delle masse atomiche 4, cioè uguale a 1. 3 Se nel nucleo degli altri elementi ci fossero solo protoni, la loro massa dovrebbe essere uguale al numero. Dalla tabella però si osserva sia che i pesi atomici degli altri elementi sono notevolmente diversi dal numero sia che il peso dell idrogeno non è esattamente uguale a 1. Ciò dipende dal fatto che: 4 1. nel nucleo, oltre ai protoni, sono presenti anche i neutroni che hanno una massa uguale a quella dei protoni. Pertanto la massa dell atomo è la somma delle masse dei protoni e dei neutroni, quindi è maggiore del numero che è uguale al numero dei soli protoni 2. ogni elemento può avere nel suo nucleo un numero variabile di neutroni che ne fanno cambiare la massa ma non la caratteristica atomica che, come detto, è solo legata al numero dei 2 Recentemente sono stati ottenuti artificialmente una decina di altri elementi transuranici alcuni dei quali sono riportati nella tabella in Figura 5. 3 La massa dell elettrone è di circa 2000 volte più piccola di quella del protone 4 Come massa di riferimento sono state anche assunte, in seguito, la sedicesima parte della massa dell atomo di ossigeno o la dodicesima parte della massa dell atomo di carbonio, ma le ragioni che hanno consigliato queste scelte esulano dallo scopo di questo testo e, comunque, non portano a risultati concettualmente diversi. È opportuno precisare comunque che i pesi atomici riportati nelle tabelle (Figure 2-5) sono riferiti all isotopo di massa 16 dell atomo di Ossigeno.
protoni. Gli atomi costituiti da uno stesso numero di protoni e numeri diversi di neutroni si chiamano isotopi. Ogni elemento presente in natura è formato da una miscela di isotopi, tutti con lo stesso numero di protoni ma con un numero di neutroni diverso l uno dall altro, per cui la massa dell elemento è la media pesata delle masse degli isotopi e quindi, in generale, non è un multiplo intero della massa di un protone. L idrogeno, in particolare, è formato da una miscela di 3 isotopi di cui uno, presente in prevalenza, ha un solo protone e nessun neutrone e quindi ha una massa uguale a 1, un secondo, chiamato deuterio, ha un protone e un neutrone e quindi una massa uguale a 2, e infine un terzo, chiamato trizio, ha un protone e due neutroni e una massa uguale a 3. Il peso dell idrogeno è quindi la media pesata di queste masse che risulta pari a 1.008, come indicato in tabella. 5 Per chiarire meglio il concetto che la differenza chimica degli elementi dipende esclusivamente dal numero dei protoni presenti nel nucleo dell atomo la Figura 6 mostra la struttura dell atomo dei primi sei elementi 5. Il primo elemento, l idrogeno, è formato da un solo protone e da un solo elettrone e quindi il suo numero (in rosso prima del nome nella figura) è 1 e il suo peso (in nero dopo il nome) è 1. Il secondo elemento, l elio, è formato da due protoni (numero 2) due elettroni e due neutroni e, siccome gli elettroni hanno un peso trascurabile mentre i neutroni pesano come i protoni, il peso è 4. Il terzo elemento, il litio, è formato da 3 protoni, 3 elettroni e 4 neutroni. Quindi il suo numero è 3 ed il suo peso è 7. Il quarto elemento, il berillio, ha 4 protoni, 4 elettroni e 5 neutroni. 4, peso 9. Il boro con 5 protoni, 5 elettroni, e 6 neutroni ha numero 5 e peso 11. Il carbonio con 6 protoni, 6 elettroni e 6 neutroni ha numero 6 e peso 12. E così via. Ogni elemento dell elenco ha un protone e un elettrone in più di quello che lo precede e questo determina la natura chimica dell elemento, mentre il numero dei neutroni non segue una regola fissa ma contribuisce a determinare il suo peso. 5 Per maggior chiarezza la struttura riportata in figura è quella dell isotopo prevalente e ciò spiega anche perché i pesi atomici riportati sono numeri interi
Protone + Neutrone Elettrone Figura 1 L atomo 1 Idrogeno H 1.008 2 Elio He 4.003 3 Litio Li 6.940 4 Berillio Be 9.02 5 Boro B 10.82 6 Carbonio C 12.01 7 Azoto N 14.008 8 Ossigeno O 16.000 9 Fluoro F 19.0 10 Neon Ne 20.183 11 Sodio Na 22.997 12 Magnesio Mg 24.32 13 Alluminio Al 26.97 14 Silicio Si 28.06 15 Fosforo P 30.98 16 Zolfo S 32.06 17 Cloro Cl 35.457 18 Argo A 39.944 19 Potassio K 39.096 20 Calcio Ca 40.08 21 Scandio Sc 45.10 22 Titanio Ti 47.90 23 Vanadio V 50.95 24 Cromo Cr 52.01 25 Manganese Mn 54.93 26 Ferro Fe 55.85 27 Cobalto Co 58.94 28 Nichel Ni 58.71 Figura 2 Gli elementi chimici
29 Rame Cu 63.57 30 Zinco Zn 65.38 31 Gallio Ga 69.72 32 Germanio Ge 72.60 33 Arsenico As 74.91 34 Selenio Se 78.96 35 Bromo Br 79.916 36 Cripto Kr 83.7 37 Rubidio Rb 85.48 38 Stronzio Sr 87.63 39 Ittrio Y 88.92 40 Zirconio Zr 91.22 41 Niobio Nb 92.91 42 Molibdeno Mo 95.95 43 Tecnezio Tc 98 44 Rutenio Ru 101.7 45 Rodio Rh 102.91 46 Palladio Pd 106.7 47 Argento Ag 107.88 48 Cadmio Cd 112.41 49 Indio In 114.76 50 Stagno Sn 118.7 51 Antimonio Sb 121.76 52 Tellurio Te 127.61 53 Iodio I 126.92 54 Xeno Xe 131.3 55 Cesio Cs 132.91 56 Bario Ba 137.36 Figura 3 Gli elementi chimici 57 Lantanio La 138.92 58 Cerio Ce 140.13 59 Praseodimio Pr 140.92 60 Neodimio Nd 144.27 61 Promezio Pm 145 62 Samario Sm 150.43 63 Europio Eu 152 64 Gadolinio Gd 156.9 65 Terbio Tb 159.2 66 Disprosio Dy 162.46 67 Olmio Ho 164.94 68 Erbio Er 167.2 69 Tulio Tm 169.4 70 Itterbio Yb 173.04 71 Lutezio Lu 174.99 72 Afnio Hf 178.6 73 Tantalio Ta 180.88 74 Tungsteno W 183.92 75 Renio Re 186.31 76 Osmio Os 190.2 77 Iridio Ir 193.1 78 Platino Pt 195.23 79 Oro Au 197.2 80 Mercurio Hg 200.61 81 Tallio Tl 204.39 82 Piombo Pb 207.21 83 Bismuto Bi 209.00 84 Polonio Po 210 Figura 4 Gli elementi chimici
85 Astato At 210 86 Radon Rn 222 87 Francio Fr 223 88 Radio Ra 226.05 89 Attinio Ac 227 90 Torio Th 232.12 91 Protoattinio Pa 231 92 Uranio U 238.07 93 Nettunio Np 94 Plutonio Pu 95 Americio Am 96 Curio Cm 97 Berchelio Bk 98 Californio Cf 99 Einsteinio Es 100 Fermio Fm 101 Mendelevio Md 102 Nobelio No 103 Laurenzio Lw Figura 5 Gli elementi chimici 1 Idrogeno 1 2 Elio 4 3 Litio 7 4 Berillio 9 5 Boro 11 6 Carbonio 12 Figura 6 Alcuni elementi chimici (isotopi prevalenti)