Capitolo 2: Gli Atomi e la Teoria Atomica

Capitolo 2: Gli Atomi e la Teoria Atomica

Prime Scoperte Lavoisier 1774 Proust 1799 Dalton 1803-1808 La Legge di Conservazione della Massa Legge della Composizione Costante Teoria Atomica

La Teoria Atomica di Dalton Ogni elemento chimico è composto da microscopiche particelle dette atomi. Non è possibile creare o distruggere gli atomi in una reazione chimica. Tutti gli atomi di un medesimo elemento hanno le stesse proprietà. I composti si formano quando si combinano gli atomi di diversi elementi

Legge delle proporzioni definite Un composto puro, qualunque sia l origine o il modo di preparazione, contiene sempre quantità definite e costanti degli elementi proporzionali alla loro massa Anidride Carbonica (CO 2 ): Carbonio: 27,3 % Ossigeno: 72,7 % Ossido di Carbonio (CO): Carbonio: 42,9 % Ossigeno: 57,1 %

Gli Elettroni e le Scoperte della Fisica Atomica Vari esperimenti condotti all'inizio del 1900 dimostrarono che gli atomi non sono indivisibili ma costituiti da particelle più piccole (elementari). La scoperta degli elettroni Se a due elettrodi posti alle estremità di un tubo in cui è fatto il vuoto viene applicato un alto voltaggio, dall'elettrodo negativo (catodo) si dipartono dei raggi detti raggi catodici. Thomson dimostrò che tali raggi sono costituiti da un flusso di particelle cariche negativamente che chiamò elettroni.

Tubo a raggi catodici La deviazione di un raggio catodico da parte di un campo elettrico e di un campo magnetico Elettrone m/e = -5.6857 x 10-9 g coulomb -1

La Carica dell Elettrone Tra il 1906-1914 Robert Millikan dimostrò che la caduta di goccioline ionizzate di olio poteva essere fermata/rallentata applicando un campo elettrico. Il valore della carica su una gocciolina è un multiplo intero della carica dell elettrone, e.

Geiger e Rutherford 1909 L Atomo Nucleare

La Dispersione delle Particelle α La maggior parte della massa e tutta la carica positiva è concentrata in una regione molto piccola detta nucleo. Il n. di elettroni esterni al nucleo è uguale al n. delle cariche positive nel nucleo.

Rutherford protoni 1919 L Atomo Nucleare James Chadwick neutroni 1932

La Struttura del Nucleo Diametro dell atomo 10-8 cm 1 Å Diametro del nucleo 10-13 cm Particella Massa Carica kg amu Coulombs (e) Elettrone 9.109 x 10-31 0.000548 1.602 x 10-19 1 Protone 1.673 x 10-27 1.00073 +1.602 x 10-19 +1 Neutrone 1.675 x 10-27 1.00087 0 0

Unità di misura: Dimensioni degli Atomi L atomo più pesante ha una massa di soli 4.8 x 10-22 g e un diametro di 5 x 10-10 m. 1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg 1 pm (picometer) = 1 x 10-12 m 1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm

Numeri atomici e numeri di massa Tutti gli atomi di un dato elemento hanno lo stesso numero di protoni Il numero di protoni in un atomo prende nome di numero atomico, Z Gli atomi neutri hanno ugual numero di protoni ed elettroni Gli atomi variano la carica elettronica acquistando o cedendo elettroni (non i protoni) La somma dei protoni e neutroni in un atomo pende nome di numero di massa, A

Numeri atomici e numeri di massa Simbolismo per rappresentare un determinato atomo: numero di massa A Z X n carica numero atomico Simbolo dell elemento elemento

Esempio Determinare il numero di elettroni, protoni, e neutoni nel seguente atomo. 40 18 Ar

40 18 Ar Z = 18, quindi sono presenti 18 protoni A = 40, A = # di protoni + # di neutroni Quindi, # neutroni = A # protoni 40 18 = 22 neutroni Carica, n = 0, quindi # di e = 18

Isotopi Atomi che hanno un uguale numero di protoni ma un diverso numero di neutroni. Z rimane identico, A (il mumero di massa) cambia Il n. di elettroni non è rilevante

Abbondanza isotopica Un campione naturale di zolfo contiene diversi isotopi aventi la seguente abbondanza Isotopo % abbondanza 32 S 95.02 33 S 0.75 34 S 4.21 36 S 0.02 32 S, 33 S, 34 S, 36 S 16 16 16 16 # di atomi di un dato isotopo % Abbondanza = x 100 Somma # di atomi di tutti gli isotopi nell elemento

Determinazione delle Masse Atomiche Spettrometro di massa. Strumento che genera ioni che attraversando un magnete vengono deflessi in base alla loro massa. Alla massa dell isotopo carbonio-12 si attribuisce una massa di riferimento pari a 12 uma. Le masse degli altri elementi si basano su questo riferimento

Tavola Periodica(*) (*) organizzata da Mendeleev (1869) basandosi sulle masse atomiche, poi modificata da Moseley (1913) basandosi sul numero atomico degli elementi. Una lista di elementi ordinata in accordo alle loro proprietà chimiche e fisiche I Gruppi o Famiglie contengono elementi con proprietà simili posizionati in colonne verticali I Periodi sono righe orizzontali di elementi. Ciascun periodo viene identificato da un numero, da 1 a 7. Che cosa troviamo nella Tavola Periodica Masse atomiche degli elementi. Stati di ossidazione. Configurazioni elettroniche degli elementi. Proprietà fisiche e chimiche degli elementi.

La Tavola Periodica

In base al numero o all elemento chimico che li caratterizza Alcuni hanno dei nomi: Gli Elementi Rappresentativi Metalli alcalini - gruppo 1A Matalli alcalino terrosi - gruppo 2A Gas nobili - gruppo 8A Alogeni- gruppo 7A Calcogeni - gruppo 6A Gruppi Gruppo dell azoto - gruppo 5A

Metalli Alcalini Gruppo 1A(1), i metalli alcalini: litio, sodio, potassio rubidio, cesio, e francio.

Gruppo 7A(17) gli alogeni: fluoro, cloro, bromo, e iodio. Alogeni

Elementi Rappresentativi 1 1A 1 1 H 1.008 3 Li 6.941 11 2 2A 4 Be 9.012 12 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 22.99 24.31 3B 4B 5B 6B 7B 8B 8B 8B 1B 2B 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 K Ca Sc Ti V Cr Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.009854.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.8 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 87 88 89 104 105 106 107 108 109 Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une (223) (226) (227) (257) (260) (263) (262) (265) (266) 18 8A 2 13 14 15 16 17 He 3A 4A 5A 6A 7A 4.003 5 6 7 8 9 10 B C N O F Ne 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18 13 14 15 16 17 18 Al Si P S Cl Ar 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95 31 32 33 34 35 36 Ga Ge As Se Br Kr 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80 49 50 51 52 53 54 In Sn Sb Te I Xe 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3 81 82 83 84 85 86 Tl Pb Bi Po At Rn 204.4 207.2 209.0 (210) (210) (222) 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 140.1 140.9 144.2 (147) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am C m Bk Cf Es Fm Md No Lw 232.0 (231) 238.0 (237) (242) (243) (247) (247) (249) (254) (253) (256) (254) (257)

Elementi di Transizione 1 1A 1 1 H 1.008 3 Li 6.941 11 2 2A 4 Be 9.012 12 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 22.99 24.31 3B 4B 5B 6B 7B 8B 8B 8B 1B 2B 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 K Ca Sc Ti V Cr Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.009854.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.8 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 87 88 89 104 105 106 107 108 109 Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une (223) (226) (227) (257) (260) (263) (262) (265) (266) 18 8A 2 13 14 15 16 17 He 3A 4A 5A 6A 7A 4.003 5 6 7 8 9 10 B C N O F Ne 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18 13 14 15 16 17 18 Al Si P S Cl Ar 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95 31 32 33 34 35 36 Ga Ge As Se Br Kr 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80 49 50 51 52 53 54 In Sn Sb Te I Xe 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3 81 82 83 84 85 86 Tl Pb Bi Po At Rn 204.4 207.2 209.0 (210) (210) (222) 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 140.1 140.9 144.2 (147) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am C m Bk Cf Es Fm Md No Lw 232.0 (231) 238.0 (237) (242) (243) (247) (247) (249) (254) (253) (256) (254) (257)

Metalli, Non-metalli e Semimetalli Gli elementi sono classificati in due categorie principali metalli e non-metalli divisi sulla tavola da una linea a zigzag I metalli sono solidi (eccetto il mercurio) con una caratteristica lucentezza, malleabilita e duttilità; sono inoltre buoni conduttori di calore ed elettricità I non-metalli sono gas o solidi (eccetto il bromo) che non presentano caratteristiche metalliche Gli elementi attorno alla linea a zigzag hanno caratteristiche intermedie fra metalli e non-metalli e sono noto come semimetalli o metalloidi. (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At) Le caratteristiche metalliche aumentano da destra verso sinistra e dall alto verso il basso.

Gas Nobili Sono gli elementi meno reattivi Sono gas, poco abbondanti sulla Terra, però l elio è l elemento più abbondante nell universo dopo l idrogeno Il Neon viene utilizzato nelle insegne luminose Alcuni laser utilizzano He, Ar, Kr

La Mole Mole: è unità di misura. Fisicamente è impossibile contare gli atomi. E necessario mettere in relazione il n. di atomi con una massa misurabile.

Numero di Avogadro La quantità di atomi, ioni, molecole, elettroni in un composto sono misurati in moli. 1 mole di atomi, = 6.0221367 10 23 unità (6.0221367 10 23 = N Numero di Avogadro). in1 mole di atomi di 12 C vi sono 6.02 x 10 23 atomi in 1 mole di molecole di H 2 O vi sono 6.02 x 10 23 molecole in1 mole di ioni NO 3 - vi sono 6.02 x 10 23 ioni

Massa Molare La massa molare, M, è la massa in grammi di una mole di sostanza, ed è numericamente uguale al peso atomico/molecolare della sostanza Massa molare di Na = 22.990 g/mol Massa molare di Cl Massa molare di O = 35.453 g/mol = 15.999 g/mol Per definizione, 1 mole of 12 C = 12 g. (12g/mol)

Calcoli di moli 1) grammi moli A quante moli corrispondono 10,0 g di C 2 H 5 OH? PM(C 2 H 5 OH) =12,0 x 2 +16,0 + 6 x 1,01= 46,1 u.m.a. Massa molare = 46,1 g/mol numero di moli (n) = massa( g) massa molare (g/mol) 10,0 g n = = 46,1 g/mol 0,217 mol

2) Moli grammi Quanto pesano 0,0654 moli di ZnI 2? PM(ZnI 2 )= 65,39 + 126,90 x 2= 319,2 u.m.a. Massa molare di ZnI 2 = 319,2 g/mol Peso = 0,0654 mol x 319,2 g/mol= 20,9 g

Esercizio Quanti atomi di C ci sono in 0.350 moli di C 6 H 12 O 6 (glucosio)? Atomi di C = [0.350 moli C 6 H 12 O 6 x (6.02 x 10 23 molecole/1 mol C 6 H 12 O 6 ) x (6 C atomi/1 molecola)] = 1.26 x 10 24 C atomi

Esercizio Convertire le moli in massa Calcolare il numero di moli di glucosio contenute in 5.380 g. (glucosio C 6 H 12 O 6 ; PM 180 g/mol) Moli di C 6 H 12 O 6 = [5.380 g C 6 H 12 O 6 x (1 mole C 6 H 12 O 6 / 180 g C 6 H 12 O 6 )] = 0.02989 mol C 6 H 12 O 6 In pratica: moli di A = grammi di A / PA o PM di A

Esercizio Convertire la massa in n. particelle Calcolare il numero di atomi presenti in 3 g of Cu? (PA 63,5 g/mol) Atomi di Cu = [3 g Cu x (1 mole Cu/63,5g Cu) x (6.02 x 10 23 atomi Cu/1 mole Cu)] = 2,84 x 10 22 atomi di Cu

Esempio 2-8 Combinazione di diversi fattori di conversione in un problema. Massa Molare, Costante di Avogadro, Abbondanze Percentuali Il potassio-40 è uno dei pochi isotopi radioattivi naturali degli elementi a basso numero atomico. La sua abbondanza percentuale è 0.012%. Quanti atomi di 40 K sono presenti in 371 mg di K? (PA = 39,1)

Soluzione 1. Convertire la massa del K (mg K) in moli di K (mol K) m K (g) x 1/M K (mol/g) n K (mol) n K = (0.371 g) x (1 mol) / (39.10 g) = 9.49 x 10-3 mol K 2. Convertire le moli di K in atomi di 40 K n K (mol) x N A atomi K x 0.012% atomi 40 K atomi 40 K = (9.49 x 10-3 mol) x (6.022 x 10 23 atomi /mol) x (1.2 x 10-4 40 K/K) = 6.9 x 10 17 40 K atomi

Radioattività La radioattività è un fenomeno spontaneo e implica l emissione di radiazioni da parte di una sostanza. Raggi X e γ sono radiazioni ad alta energia. Particelle α sono i nuclei dello ione, He 2+. Particelle β sono elettroni ad alta velocità che si originano nel nucleo.