Struttura dell`atomo e della materia

Struttura dell’atomo
e della materia
unità 1, modulo C del libro
Gli elementi sono costituiti da specie atomiche, dette nuclidi. Tali specie atomiche sono
formate da tre tipi di particelle elementari: elettrone, protone e neutrone. Le tre particelle
elementari si trovano nel nucleo (protone e neutrone) e nella cosiddetta nube elettronica
(elettrone) che si trova intorno al nucleo.
L’elettrone, simbolo e-, è provvisto di carica negativa e ruota attorno al nucleo nella nube
elettronica. Ha una massa molto molto piccola, e talmente trascurabile che infatti la massa
di un atomo è costituita fondamentalmente da quella di protoni e neutroni.
Il protone si trova nel nucleo ed è provvisto di carica positiva; è in uno spazio piuttosto
ristretto che condivide con i neutroni (senza carica) i quali permettono di limitare il disturbo
tra particelle di uguale carica (e che pertanto si respingono).
Se il nuclide è elettricamente neutro, il numero dei protoni è uguale al numero degli
elettroni; si ha quindi neutralità rispetto alle cariche; tale numero si indica con Z, numero
atomico. Se il nuclide non è elettricamente neutro, ma ha un elettrone in meno o in più,
assume una carica positiva o negativa rispettivamente; nel primo caso prende il nome di
catione, nel secondo di anione.
Il numero di protoni è normalmente uguale al numero di neutroni e la loro somma si indica
col numero di massa, A.
Per rappresentare gli elementi con gli appropriati numeri atomici e di massa, si usa una
simbologia apposita. Il numero atomico si indica in basso a sinistra: ad esempio, per il
carbonio Z=6, ovvero 6C; il numero di massa si indica in alto a sinistra: ad esempio, sempre
per il carbonio A=12, ovvero 12C.
Il numero di neutroni non è sempre uguale a quello dei protoni. Atomi con ugual numero di
protoni e diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi: elementi che hanno uguale
numero atomico ma diverso numero di massa. Come esempio si può ricordare il celebre
isotopo del carbonio usato per la datazione dei fossili, il 14C, che possiede 6 protoni ed 8
neutroni. Altri celebri isotopi: 2H: deuterio, 3H: trizio, con 1 e due neutroni rispettivamente.
Gli elementi vengono normalmente rappresentati, in ordine di numero
atomico crescente nella TAVOLA PERIODICA (pagina seguente).
Gli elementi sono ordinati in GRUPPI, che sono le colonne, e in
PERIODI, che sono le righe.
Dalla tavola periodica dovete ricordare il nome dei primi 30 elementi oltre a quello
di bario (Ba), cadmio (Cd), piombo (Pb) e stagno (Sn)
Gli elementi, all’interno della tavola periodica, sono inoltre classificati
come METALLI, NON METALLI e SEMIMETALLI o METALLOIDI.
I SEMIMETALLI sono molto pochi: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po e At.
I NON METALLI sono: H, He, C, N, O, F,Ne, P, S, Cl, Ar, Se, Br, Kr, I,
Xe, Rn; questi elementi, come si può vedere, si trovano sulla destra
della tavola periodica e sono separati dai METALLI (che sono tutti gli
altri elementi) attraverso i SEMIMETALLI.
Alcuni gruppi hanno nomi particolari: nella diapositiva successiva
sono indicati.
Gruppi dei Metalli alcalini
Gruppo dei Metalli alcalino-terrosi
Gruppi degli Elementi di
transizione
8A
1A
2A
B
3A 4A 5A 6A 7A
Gruppo
dei
Gas nobili
o
inerti
Gruppo
degli
Alogeni
Gruppi degli Elementi di
transizione interna
Come si può notare guardando la tavola periodica, gli elementi sono disposti in ordine di
numero atomico crescente, in modo da evidenziare similitudini e ricorrenze di
comportamento; infatti gli atomi godono di alcune proprietà che, essendo tipiche degli
elementi della tavola periodica, prendono il nome di proprietà periodiche. A noi ne
interessa una in particolare: l’ELETTRONEGATIVITÁ, che è una stima della capacità
che un atomo ha di attrarre elettroni.
Come si può vedere
dall’immagine,
l’elettronegatività
aumenta salendo
lungo un gruppo e
andando da sinistra a
destra lungo un
periodo. Quindi
l’elemento ad
elettronegatività
maggiore è il FLUORO,
mentre quello ad
elettronegatività
minore è il FRANCIO.
Gli atomi costituiscono quindi gli elementi. Quando atomi diversi si aggregano, si formano i
composti o molecole. Entrambe queste categorie sono parte della materia come si può
vedere dal seguente schema:
COMPOSTI
SOSTANZE PURE
MATERIA
ELEMENTI
MISCUGLI OMOGENEI
MISCUGLI
MISCUGLI ETEROGENEI
Lo schema ci dice che la materia è costituita sia da sostanze pure che da miscugli. Le
sostanze pure sono costituite, a loro volta, dagli elementi (quando gli atomi sono tutti
uguali: la molecola di O2 è una sostanza pura, così come l’atomo di Fe) e dai composti
quando elementi diversi si aggregano: ad esempio la molecola di H2O, formata da due atomi
di H ed uno di O, è un composto.
I miscugli, a loro volta, possono essere di due tipi: omogenei, cioè costituiti da composti che
non sono più fisicamente distinguibili, ed eterogenei, in cui i composti che li costituiscono
sono fisicamente distinguibili. Esempi di miscugli eterogenei sono acqua e sabbia o acqua e
limatura di ferro.
Dei miscugli omogenei parleremo nella prossima diapositiva.
I miscugli omogenei prendono anche il nome di SOLUZIONI.
SOLUZIONE: miscela omogenea di 2 (o più) sostanze. Le sostanze prendono il
nome di SOLUTO e SOLVENTE.
Le sostanze nella soluzione devono soddisfare i requisiti:
Particelle dei componenti di
dimensioni molecolari
Componenti distribuiti in
maniera caotica
Sono possibili soluzioni in tutti gli stati della materia
• gas: tutti miscibili (es: aria)
• solidi: molte leghe (es: ottone = zinco + rame)
• liquidi es: acqua + alcool
Il solvente è il componente presente in quantità maggiore, il soluto quello in quantità
minore
Una soluzione viene definita satura o insatura in base alla quantità di soluto rispetto al
solvente: se è satura il soluto ulteriormente aggiunto non si scioglie più
Esercizi riassuntivi (NON potete usare la tavola periodica)
1) Le sostanze pure costituite da diversi tipi di atomi si chiamano
a) elementi
b) composti
c) miscugli omogenei
d) miscugli eterogenei
2) Un nuclide composto da 9 protoni, 10 neutroni e 10 elettroni è
a) un atomo elettricamente neutro
b) uno ione positivo con una carica +
c) uno ione negativo con una carica d) uno ione positivo con due cariche
3) Una soluzione limpida di acqua e sale deve essere considerata
a) una sostanza
b) un composto
c) un miscuglio omogeneo
d) un miscuglio eterogeneo
4) Elencare in ordine di massa crescente i seguenti nuclidi: A (9 protoni, 10 neutroni, 11 elettroni); B (9
protoni, 9 neutroni, 9 elettroni); C (9 protoni, 11 neutroni, 9 elettroni); D (10 protoni, 11 neutroni, 10
elettroni)
a) B < A < C< D
b) A < B < C < D
c) D < A < C < B
d) B < A < D < C
Esercizi riassuntivi
5) Qual è il numero di massa A della specie costituita da 10 protoni, 11 neutroni e 11 elettroni?
a) 11
b) 21
c) 20
d) 10
6) In un atomo
a) il numero di protoni è pari al numero di elettroni
b) il numero atomico è pari alla somma dei protoni più i neutroni
c) la somma di neutroni e protoni è pari al numero di elettroni
d) il numero di protoni è pari alla metà del numero di elettroni
7) Qual è il numero atomico Z della specie costituita da 10 protoni, 11 neutroni e 11 elettroni?
a) 11
b) 21
c) 20
d) 10
8) Un bicchiere contenente acqua e limatura di ferro è
a) un composto
b) un miscuglio omogeneo
c) un miscuglio eterogeneo
d) una sostanza
Esercizi riassuntivi
9) Indicare il simbolo che rappresenta il bario
a) Fe
b) Bl
c) Ba
d) Be
10) Indicare il simbolo che rappresenta lo zolfo
a) Sc
b) S
c) Z
d) Si
11) Indicare il simbolo che rappresenta il cadmio
a) C
b) Ca
c) Cd
d) Co
12) Indicare il simbolo che rappresenta l’azoto
a) N
b) Na
c) Az
d) A
Le proprietà e le
trasformazioni della materia
unità 2, modulo A del libro
Abbiamo precedentemente detto che il mondo che ci circonda è costituito da
materia. Le porzioni di materia in cui gli scienziati effettuano i loro studi vengono
definiti sistemi. Quindi:
Un sistema è una porzione limitata di materia.
Tutta la materia ha una massa ed occupa uno spazio, ossia possiede un volume.
Essa può esistere in tre stati fisici: STATO SOLIDO, STATO LIQUIDO e STATO
AERIFORME (o gassoso).
I tre stati di aggregazione dipendono dalla costituzione della materia, dalla
temperatura e dalla pressione. Per esempio, l’acqua è solida (ghiaccio) ma solo
sotto 0°C se la pressione è una atmosfera.
La seguente tabella illustra le proprietà caratteristiche dei tre stati di aggregazione:
Solidi
Liquidi
Aeriformi
Volume
Proprio
Proprio
Occupa tutto il
volume disponibile
Forma
Propria
Assume la forma
del recipiente
Assume la forma
del recipiente
Densità
Alta
Media
Bassa
Effetto della
pressione
incomprimibile
Incomprimibile
comprimibile
Nella diapositiva successiva si chiariranno i concetti di pressione, temperatura, volume.
Parametri che caratterizzano lo stato gassoso, liquido e solido
Massa: quantità di sostanza
---> moli o grammi (mole=g/PM)
Volume = spazio che una sostanza occupa = volume del recipiente per i gas
----> cm3, mL….
Temperatura: misura del livello di calore di una sostanza, fornisce indicazioni sulla
direzione del flusso di calore
----> gradi Celsius (°C), gradi Kelvin (K), gradi Farenheit (°F)
punto di congelamento dell’acqua = 0 °C =273.15 K =32°F
punto di ebollizione dell’acqua = 100°C = 373.15 K = 212°F
273.16 K corrisponde al punto triplo dell’acqua
K = °C + 273.15
K = (°F-32)*5/9 + 273.15
Pressione: forza esercitata per unità di superficie, fornisce indicazioni sulla direzione
del flusso di materia
----> Newton m-2 = Pa, più comune l’uso del kPa
1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr = 101.325 kPa = 1.01325 bar
Ma come passa la materia da uno stato fisico all’altro?
Le sostanze e i materiali possono passare, per effetto delle variazioni di
temperatura e di pressione, da uno stato fisico ad un altro, cioè possono
effettuare i PASSAGGI DI STATO.
Nella tabella sono riportati i passaggi e i relativi nomi.
Ricordiamo inoltre che la temperatura alla quale un solido diviene liquido prende
il nome di temperatura di fusione, mentre alla temperatura di evaporazione un
liquido diviene aeriforme.
SOLIDO ---- > LIQUIDO
FUSIONE
LIQUIDO --- > AERIFORME
EVAPORAZIONE
SOLIDO --- > AERIFORME
SUBLIMAZIONE
LIQUIDO --- > SOLIDO
SOLIDIFICAZIONE
AERIFORME --- > LIQUIDO
CONDENSAZIONE
AERIFORME --- > SOLIDO
BRINAMENTO
Esercizi riassuntivi
13) Il passaggio di stato di un solido a gas è denominato
a) evaporazione
b) condensazione
c) brinamento
d) sublimazione
14) I liquidi sono caratterizzati da
a) densità alta
b) comprimibilità
c) volume proprio
d) forma propria
15) Al punto di ebollizione
a) il solido diventa liquido
b) il liquido diventa aeriforme
c) il solido diventa aeriforme
d) il liquido diventa solido
16) 27 °C corrispondono a
a) 300 K
b) 273 K
c) 27 K
d) 373 K
Legame chimico
unità 1, modulo D del libro
PERCHÉ IL LEGAME CHIMICO?
Gli atomi si trovano raramente isolati, spesso due o più atomi si uniscono
tramite un legame chimico. Perché ciò avviene? Perché l’insieme di atomi che
si forma ha ENERGIA MINORE degli atomi separati, ed è quindi più stabile.
Gli atomi si aggregano a formare molecole cedendo, acquisendo o mettendo
in comune elettroni.
Solo gli elettroni di valenza partecipano alla formazione del legame.
I GAS NOBILI sono eccezionalmente stabili: infatti possiedono una
configurazione elettronica con 8 elettroni (ad eccezione dell’elio, che
ne ha due). Questa configurazione corrisponde al massimo numero
di elettroni possibile nel livello energetico più esterno
Questo è il significato della REGOLA DELL’OTTETTO:
un atomo è particolarmente stabile quando ha 8 elettroni nel livello
di valenza.
Gli elementi tendono a raggiungere la configurazione stabile dei gas nobili
cedendo o acquisendo elettroni oppure mettendo elettroni in comune tra più atomi.
Per capire meglio, nella pagina successiva troverete le configurazioni elettroniche
di tre atomi: Ne, Na e Cl.
1s
2s
Ne
Z=10 ↑↓
↑↓
1s
2s
Na
↑↓
Z=11
↑↓
2p
↑↓
[Ne]
↑↓
↑↓
2p
↑↓
↑↓
3s
↑↓
↑
Na: 1 ese perdesse 1 e- avrebbe il
livello 2 completo.
3p
3s
Cl
Z=17
↑↓
Ne: 8 eil livello 2 è completo.
↑↓
↑↓
↑
Cl: 7 ese acquistasse 1 e- avrebbe il
livello 3 completo.
IL LEGAME COVALENTE
Il legame covalente si forma
quando due atomi mettono in
comune una coppia di elettroni.
Cl + Cl
Cl Cl
Il legame covalente può essere
puro (es. O2) o polare (es. CO2),
a seconda della differenza di
elettronegatività tra i due
elementi che lo compongono.
I LEGAMI COVALENTI MULTIPLI
Possono essere doppi o tripli e si
formano quando due atomi mettono in
comune due o tre coppie di elettroni.
O
+ O
O
O
N
+ N
N
N
IL LEGAME IONICO
Quando la differenza di elettronegatività tra due elementi che
potrebbero legarsi è superiore a 1.9, avviene un trasferimento di
elettroni da un elemento all’altro: tra questi due ioni di carica
opposta che si attraggono si forma un nuovo legame chimico,
chiamato legame ionico.
Na+ + Cl-
NaCl
RIASSUMENDO
Con differenza di
elettronegatività ≤
0.4
Con differenza di
elettronegatività
compresa tra 0.4 e
1.9
legame covalente
legame covalente
polare
Con differenza di
elettronegatività ≥
1.9
legame ionico
E allora, osservando il sistema periodico, si può dire con
una certa approssimazione che:
•
•
I non metalli formano tra loro legami covalenti, puri o
polari;
I metalli ed i non metalli formano tra loro legami ionici.
La differenza di elettronegatività fa sì che la distribuzione degli elettroni in una molecola non sia uniforme.
In una molecola di HF gli elettroni rimangono più a lungo nell’orbita del F.
Un DIPOLO è una molecola in cui sono presenti 2 centri di carica
Un dipolo è formato da una carica positiva e da una carica negativa poste ad una certa distanza
Un dipolo si definisce quantitativamente dal momento dipolare (carica x distanza)
L’unità di misura del dipolo è il Debye.
Nel caso di molecole biatomiche la polarità del legame si può stimare dalla differenza di elettronegatività.
Esercizi riassuntivi
17) Un legame covalente puro si forma tra
a) atomi dello stesso gruppo
b) atomi dello stesso periodo
c) atomi con elevata differenza di elettronegatività
d) atomi uguali
18) Il legame tra H ed O nella molecola H2O è un legame
a) covalente puro
b) covalente multiplo
c) ionico
d) covalente polare
19) Quale composto è caratterizzato da legami ionici?
a) BH3
b) KF
c) PH3
d) CO
20) Il legame tra N ed N nella molecola N2 è un legame
a) covalente puro
b) covalente multiplo
c) ionico
d) covalente polare
Esercizi riassuntivi
21) Un legame ionico si forma preferibilmente tra
a) atomi simili, che hanno elevata tendenza a cedere elettroni
b) atomi simili, che hanno elevata tendenza ad acquistare elettroni
c) atomi sempre uguali
d) atomi diversi, di cui uno ha elevata tendenza a cedere un elettrone, l’altro a riceverlo
22) Una molecola viene definita polare quando
a) il baricentro delle cariche positive non coincide con quello delle cariche negative
b) il baricentro delle cariche positive coincide con quello delle cariche negative
c) non ha forma sferica
d) ha almeno un elettrone in eccesso
23) La molecola dell’acqua
a) è caratterizzata da legame ionico
b) è polare
c) è apolare
d) è caratterizzata da legame covalente puro
24) Quale composto non presenta legami ionici?
a) KNO3
b) BF3
c) CaSO4
d) FeS