Lezione 1: La Materia - Atomi, Molecole, Ioni - PDF

13/09/2024 Fabio Parmeggiani Chimica 1 La materia: atomi, molecole, ioni Chimica Fabio Parmeggiani Lezione 1 Fabio Parmeggiani Chimica...

13/09/2024 Fabio Parmeggiani Chimica 1 La materia: atomi, molecole, ioni Chimica Fabio Parmeggiani Lezione 1 Fabio Parmeggiani Chimica 2 1  13/09/2024 La chimica La chimica è la scienza che studia la struttura, la composizione e le proprietà della materia e le trasformazioni che essa subisce Materia è tutto ciò che ha massa e volume Proprietà della materia: caratteristiche che le conferiscono la sua identità esclusiva Proprietà ESTENSIVE (dipendono dalla quantità) esempi: massa, volume, contenuto energetico, … Proprietà INTENSIVE (indipendenti dalla quantità) esempi: temperatura, pressione, densità, punto di ebollizione, … Le trasformazioni possono essere di tipo FISICO o CHIMICO Fabio Parmeggiani Chimica 3 Trasformazioni fisiche e chimiche Trasformazioni fisiche: Trasformazioni chimiche: modificano forma o stato fisico convertono una o più sostanze ma non la composizione in altre (= reazioni chimiche) Fabio Parmeggiani Chimica 4 2  13/09/2024 Il metodo scientifico detto anche «metodo sperimentale» o «metodo Galileiano» perché introdotto formalmente da Galileo (~1600) PIANO PIANO TEORICO SPERIMENTALE Fabio Parmeggiani Chimica 5 Gli stati di aggregazione della materia La materia si presenta in tre differenti stati di aggregazione: Per spiegare le proprietà macroscopiche della materia (osservabili ad occhio nudo), occorre considerare il livello microscopico (atomi, molecole, ioni, …) Fabio Parmeggiani Chimica 6 3  13/09/2024 Di cosa è fatta la materia? Teoria dei quattro elementi: ARIA, ACQUA, TERRA, FUOCO Empedocle Aristotele (495-430 a.C.) (384-322 a.C.) Fabio Parmeggiani Chimica 7 Di cosa è fatta la materia? Formula l’ipotesi atomica («atomo» dal greco α-τομος): «Secondo la tradizione, esistono il dolce e l’amaro, il caldo e il freddo. Secondo verità, esistono solo atomi e vuoto.» Per più di 2000 anni la teoria atomica fu trascurata, a causa della forte influenza della filosofia di Aristotele… Democrito di Abdera (460-370 a.C.) dalla FILOSOFIA NATURALE all’ALCHIMIA, alla CHIMICA XVII secolo, «Il chimico scettico» Prima definizione moderna di elementi: «corpi semplici, non composti da altri corpi, Robert Boyle da cui sono costituiti tutti i corpi misti.» (1627-1691) Fabio Parmeggiani Chimica 8 4  13/09/2024 Classificazione chimica della materia: elementi, composti, miscele Fabio Parmeggiani Chimica 9 Gli elementi e la tavola periodica Quanti elementi esistono? Fabio Parmeggiani Chimica 10 5  13/09/2024 Classificazione chimica della materia: elementi, composti, miscele Confronto a livello molecolare di elementi, composti e miscele MISCELA ATOMI MOLECOLE MOLECOLE DI DUE ELEMENTI DI UN ELEMENTO DI UN ELEMENTO DI UN COMPOSTO E UN COMPOSTO SOSTANZE PURE Fabio Parmeggiani Chimica 11 Classificazione chimica della materia: elementi, composti, miscele Esempio di combinazione chimica di due elementi a formare un composto trasformazione chimica MISCELA ETEROGENEA COMPOSTO limatura di ferro (Fe) solfuro di ferro fiori di zolfo (S8) (FeS) Fabio Parmeggiani Chimica 12 6  13/09/2024 Le leggi ponderali 1) Legge della conservazione della massa Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) In una trasformazione chimica la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti. 2) Legge delle proporzioni definite Joseph Proust (1754-1826) Il rapporto tra le masse degli elementi che si combinano per formare un dato composto è costante (e non dipende dal metodo di ottenimento). 3) Legge delle proporzioni multiple John Dalton (1766-1844) Quando un elemento si combina con un altro elemento dando origine a più di un composto, le masse di uno che si combinano con una data massa dell’altro stanno tra loro in un rapporto espresso da numeri interi piccoli. Fabio Parmeggiani Chimica 13 Teoria atomica di Dalton Le leggi ponderali della chimica, ricavate effettuando misure di «pesata» su campioni macroscopici di materia, trovano la loro spiegazione nella teoria atomica enunciata da Dalton nel 1803-1808. Modello atomico di Dalton: John Dalton (1766-1844) sfera indivisibile di materia neutra Fabio Parmeggiani Chimica 14 7  13/09/2024 Teoria atomica di Dalton Tutti gli elementi chimici sono costituiti da particelle estremamente piccole e indivisibili chiamate atomi. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici tra loro, hanno la stessa massa e le stesse proprietà. Ma gli atomi di un elemento sono differenti dagli atomi di tutti gli altri elementi. Le reazioni chimiche avvengono quando gli atomi si riarrangiano. I composti sono formati quando gli atomi di elementi diversi si combinano. Un dato composto è sempre costituito dagli stessi atomi nello stesso rapporto. Gli atomi non possono essere creati o distrutti durante le reazioni chimiche. Gli atomi di un elemento non si trasformano negli atomi di un altro. Fabio Parmeggiani Chimica 15 Teoria atomica di Dalton Dalton introduce anche una simbologia per gli atomi dei diversi elementi usando dei cerchi con vari riempimenti Le strutture dei composti derivano dall’unione dei simboli atomici Fabio Parmeggiani Chimica 16 8  13/09/2024 I simboli chimici moderni La simbologia moderna (molto più comoda!!) si deve al chimico svedese Jöns Jakob Berzelius 1813 «Chemical signs ought to be letters, for the greater facility of writing […] I shall take therefore for the chemical signs the initial letter of the Latin name of each elementary substance. But, as several have the same intial letter […], by writing the first two letters of the word.» (J. J. Berzelius) Fabio Parmeggiani Chimica 17 Di cosa sono fatti gli atomi? L’atomo di Dalton è evidentemente un modello troppo semplice! Una lunga serie di evidenze sperimentali, accumulate in due secoli, hanno permesso di determinare la struttura interna degli atomi: sviluppo dei primi MODELLI ATOMICI più sofisticati di quello di Dalton (in questo contesto analizziamo solo quelli cruciali) Fabio Parmeggiani Chimica 18 9  13/09/2024 I raggi catodici Noti già da metà Ottocento, nei cosiddetti tubi di Crookes: il catodo emette «raggi» che viaggiano in linea retta e possiedono una certa energia (1869) 10-6–10-8 atm CATODO ANODO GENERATORE ALTA TENSIONE Fabio Parmeggiani Chimica 19 L’esperimento di Thomson Joseph J. Thomson (1856-1940) 1897, Thomson dimostra la vera natura dei «raggi catodici»: (1) deviazione verso il polo positivo in un campo elettrico esterno = sono particelle cariche negativamente (2) deviazione perpendicolare ad un campo magnetico esterno = permette di calcolare il rapporto carica/massa della particella (3) caratteristiche indipendenti dalla natura del catodo = sono particelle elementari comuni a tutti gli atomi, li chiama elettroni Fabio Parmeggiani Chimica 20 10  13/09/2024 L’esperimento di Thomson Modello atomico di Thomson (1904): a «plum pudding» o a «panettone» in cui gli elettroni sono dispersi in una “pasta” carica positivamente Fabio Parmeggiani Chimica 21 L’esperimento di Millikan Nebulizzatore Nebbia di olio di goccioline di olio Piastre caricate Sorgente di raggi X elettricamente per caricare le goccioline Microscopio di osservazione Robert A. Millikan (1868-1953) 1909, Millikan determina la carica dell’elettrone: qe = 1.602·10–19 C Dal rapporto qe/me (Thomson), si determina anche me = 9.1·10–28 g Fabio Parmeggiani Chimica 22 11  13/09/2024 L’esperimento di Rutherford (o di Geiger-Marsden) Ernest Rutherford (1871-1937) Osservazioni sperimentali (1911): la maggioranza delle particelle attraversavano la lamina inalterate (A) alcune subivano una forte deviazione (B) poche venivano rimbalzate verso la fonte (C) Fabio Parmeggiani Chimica 23 L’esperimento di Rutherford (o di Geiger-Marsden) “It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. […] It was then that I had the idea of an atom with a minute massive centre, carrying a charge.” (E. Rutherford) Modello atomico di Rutherford (1911): sistema planetario maggior parte della massa concentrata nel nucleo elettroni orbitanti attorno ad esso Nota: Rutherford dimostra anche che tutti i nuclei contengono particelle identiche ai nuclei di H (protoni) Fabio Parmeggiani Chimica 24 12  13/09/2024 I costituenti dell’atomo ATOMO NUCLEO Fabio Parmeggiani Chimica 25 I costituenti dell’atomo Carica Carica Massa Massa Particella Simbolo relativa assoluta assoluta relativa [C] [g] [uma] Protone p+ +1 +1.602·10–19 1.6726·10–24 1.00727 Neutrone n0 0 0 1.6749·10–24 1.00866 Elettrone e– –1 –1.602·10–19 9.1094·10–28 0.00054858 L’atomo è elettricamente neutro: quindi ha tanti protoni quanti elettroni. Le particelle nucleari (protoni e neutroni) sono dette nucleoni. Per indicare genericamente diversi tipi di atomi e/o i loro nuclei si parla di nuclidi. Fabio Parmeggiani Chimica 26 13  13/09/2024 Un’idea delle dimensioni atomiche L’atomo è una struttura prevalentemente vuota e la materia è concentrata nel nucleo: (se l’atomo fosse grande come lo stadio di San Siro, il nucleo sarebbe una ciliegia al centro del campo) La massa dell’elettrone è quasi 2000 volte minore della massa del protone e del neutrone: me = 1/1860 mp (come una moneta rispetto a una palla da bowling) La densità del nucleo è elevatissima dnucleo = 1011-1014 g/cm3 (se la densità media della Terra fosse 1012 g/cm3 avrebbe un diametro di 2.5 km) Fabio Parmeggiani Chimica 27 L’atomo per il chimico Nucleo: mai interessato nelle trasformazioni chimiche (base delle teorie di Dalton e Lavoisier) Le trasformazioni che coinvolgono il nucleo sono le reazioni nucleari. Elettroni: ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche Entrano in gioco nella formazione dei legami tra atomi uguali (elementi quali O2, N2, Cl2) e/o diversi (composti: H2O, NH3, CO2) degli elementi. Per rompere un legame occorre fornire energia. Nella formazione di un legame si sviluppa energia. Le energie in gioco nelle reazioni chimiche (in cui sono coinvolti solo gli elettroni, con rottura e formazione di legami chimici) sono milioni di volte inferiori alle energie in gioco nelle reazioni nucleari (in cui sono coinvolte le particelle del nucleo). Fabio Parmeggiani Chimica 28 14  13/09/2024 Rappresentazione simbolica dei nuclidi A = numero di massa (numero di protoni X = simbolo atomico e neutroni nel nucleo) (definito da Z) Z=1 = H Z = 2 = He Z = numero atomico Z = 3 = Li (numero di protoni … = … nel nucleo, coincide con il numero di elettroni A=Z+N se l’atomo è neutro) N = A – Z = numero di neutroni nel nucleo ISOTOPI = atomi dello stesso elemento (stesso Z e stesso simbolo X) con diverso numero di neutroni (diverso N e quindi diverso A) Fabio Parmeggiani Chimica 29 Isotopi Alcuni elementi hanno un solo isotopo naturale (Na, F, P, …), altri ne hanno 2 (Li, Cl, Br, …), 3 (C, K, Si, …), fino addirittura a 10 (Sn) C O U C O U C O Fabio Parmeggiani Chimica 30 15  13/09/2024 Isotopi dell’idrogeno H = prozio H = deuterio (D) H2O liquida H = trizio (T) non tutti gli isotopi sono stabili, alcuni sono radioattivi (decadono spontaneamente) Poiché la massa del D è doppia di quella di H, la sostituzione del secondo col primo ha notevoli effetti sulle proprietà fisiche della sostanza coinvolta (es. D2O “acqua deuterata” o “acqua pesante”, usata nei reattori nucleari). Fabio Parmeggiani Chimica 31 Massa atomica C = 1.99·10–26 kg La massa atomica assoluta non è comoda, sono numeri estremamente piccoli: H = 1.67·10–27 kg Pb = 3.45·10–25 kg Si utilizza uno standard e si parla di MASSA ATOMICA RELATIVA: lo standard scelto dal sistema internazionale (S.I.) è la dodicesima parte dell’atomo di C che si chiama unità di massa atomica (uma) o anche Dalton (Da). 1 uma = 1.66·10–27 kg massa assoluta (kg) Massa atomica relativa uma = 1.66 10 kg/uma C = 12.0000 uma I valori in uma sono più maneggevoli: H = 1.0078 uma Pb = 207.9766 uma Fabio Parmeggiani Chimica 32 16  13/09/2024 Massa atomica Questi valori si trovano (già calcolati in uma) sulla tavola periodica. Come mai non coincidono? C = 12.0000 uma H = 1.0078 uma Pb = 207.9766 uma La maggior parte degli atomi esiste in natura come miscela di isotopi. Sulla tavola periodica è riportata la massa atomica media che è la media pesata per l’abbondanza isotopica relativa naturale: abb. relativa % isotopo 𝑀𝐴 media = 𝑀𝐴 isotopo 100 Esempio: isotopo MA assoluta abb. relativa % carbonio 12C 12.00000 uma 98.89% 13C 13.00335 uma 1.109% MA media = 12.011 14C 14.00324 uma 10–12% (trascurabile) Fabio Parmeggiani Chimica 33 Ioni e composti ionici IONI = specie derivate da atomi o molecole neutri per acquisto o perdita di e– ioni positivi = cationi ioni negativi = anioni Esempio: formazione di un composto ionico (NaCl) dagli elementi (Na + Cl2) si forma un reticolo cristallino (non esistono «molecole» di NaCl) Fabio Parmeggiani Chimica 34 17  13/09/2024 La composizione della materia: riepilogo generale Fabio Parmeggiani Chimica 35 Domande? Fabio Parmeggiani Chimica 36 18  13/09/2024 Nota sul copyright Attenzione! Le immagini e i diagrammi contenuti in questa presentazione sono protetti da copyright dai rispettivi autori/editori. La distribuzione e riproduzione di questo file al di fuori dello scopo autorizzato (proiezione in aula) è vietata e perseguibile ai sensi di legge. Fonti principali: Brown, LeMay, Bursten, Murphy, Woodward, Stoltzfus, Fondamenti di chimica, EdiSES Silberberg, Amateis, Chimica: la natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni, McGraw-Hill Petrucci, Herring, Madura, Bissonnette, Chimica generale: principi ed applicazioni moderne, Piccin Kotz, Treichel, Townsend, Treichel, Chimica, EdiSES Atkins, Jones, Laverman, Principi di chimica, Zanichelli Chang, Goldsby, Fondamenti di chimica generale, McGraw-Hill Kelter, Mosher, Scott, Chimica: la scienza della vita, EdiSES Bertani, Dettin, Mozzon, Sgarbossa, Fondamenti di chimica per le tecnologie, EdiSES Schiavello, Palmisano, Fondamenti di chimica, EdiSES Fabio Parmeggiani Chimica 37 19