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La struttura atomica - corso di chimica
Struttura atomica della materia 1 FASE fase 3 fase 1 fase 2 FASE: porzione di materia chimicamente e fisicamente omogenea delimitata da superfici di separazione ben definite 2 Classificazione della materia MATERIA Sistemi fisicamente eterogenei (proprietà diverse – insieme di più fasi) Sistemi fisicamente omogenei (proprietà identiche in ogni puntofasi singole) Sistemi chimicamente eterogenei (più specie chimiche) Sistemi chimicamente omogenei (1 sola specie chimica) elementi composti 3 Classificazione della materia Elementi Sono formati da atomi dello stesso tipo. Tutti gli elementi sono classificati nella Tavola o Tabella Periodica dove sono indicati sia il nome che il simbolo Chimico. 90 elementi in natura (gli altri sono artificiali). Crosta terrestre 13 elementi. Composti Sono costituiti da atomi di tipo diverso ed hanno composizione fissa (es. H2O, H: 11,9% O: 88,81%) Proprietà dipendono: Natura elementi (NaCl, KCl) Modo in cui gli atomi sono legati (CH3CH2OH, CH3OCH3) 4 Oltre il 98% della massa della crosta terrestre è costituita dai seguenti 13 elementi % in massa • • • • • • • • • • • • • Ossigeno (O) Silicio (Si) Alluminio (Al) Ferro (Fe) Calcio (Ca) Sodio (Na) Potassio (K) Magnesio (Mg) Cloro (Cl) Idrogeno (H) Titanio (Ti) Fosforo (P) Carbonio (C) 46.1 25.7 7.51 4.70 3.99 2.64 2.40 1.94 1.88 0.88 0.580 0.120 0.087 5 Struttura atomica della materia Le origini della teoria atomica Democrito (468-370 a.c.) Epicuro (341-270 a.c.) Lucrezio (96-11 a.c.) La materia é costituita da atomi Atomos = indivisibile Lavoisier (1785) enuncia la legge di conservazione della massa Proust (1799) enuncia la legge delle proporzioni definite Dalton (1807) enuncia la legge delle proporzioni multiple 6 Struttura atomica della materia La MATERIA è costituita da particelle estremamente piccole: gli ATOMI Teoria atomica di Dalton (1808) La materia è costituita da atomi indivisibili e indistruttibili Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà chimiche Atomi di elementi diversi hanno masse diverse e proprietà chimiche diverse Gli atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeri interi e generalmente piccoli Fine 800-inizio 900 demolizione della teoria atomica di Dalton 7 Struttura atomica della materia Esperimenti con raggi catodici: scoperta dell’elettrone In un tubo contenente gas rarefatto sottoposto ad elevate differenze di potenziale (tubo di Crookes), dall’elettrodo negativo, chiamato catodo, venivano emessi questi raggi. Essi si rivelarono costituiti da particelle materiali portatrici di cariche negative, che si rivelarono sempre identiche indipendentemente dalla natura del gas e del catodo. Si concluse che queste particelle fossero dei costituenti fondamentali di tutti gli atomi e che questi, conseguentemente non fossero unità indivisibili. A queste particelle fu dato il nome di ELETTRONI. L’atomo è neutro per cui devono esistere anche delle cariche 8 positive, i protoni Struttura atomica della materia L’esperimento di Rutheford L’esistenza del nucleo 9 Struttura atomica della materia Modello atomico di Rutherford -- + + + Nucleo contenente particelle cariche positivamente (protoni) ed altre particelle (neutroni) -- -- Elettroni, che ruotano intorno al nucleo Modello planetario con un nucleo contenente i protoni e gli elettroni che ruotano intorno al nucleo come i pianeti intorno al sole (nuvola elettronica). Ipotizzata esistenza dei neutroni. 10 Struttura atomica: le particelle fondamentali ATOMO: particella neutra a forma sferica con al centro un piccolissimo nucleo positivo Atomo ra 10-8 cm elettroni (e-) I nucleoni sono le particelle che costituiscono il nucleo atomico e quindi comprendono sia i protoni che i neutroni. Essi sono tenuti insieme da forze di scambio che non sono né di natura elettrostatica, né gravitazionale, ma che sarebbero generate da uno scambio continuo tra i nucleoni di mesoni π (chiamai anche pioni) di tipo diverso. Questi ultimi sono particelle con massa 264-273 volte quella dell’elettrone (rnucl nucleo 10-12-10-13 cm) protoni (p+) neutroni (n) quarks quarks 11 Struttura atomica: le particelle fondamentali Particella simbolo Massa SI (g) atomica Carica SI (C) atomica e- 9.109·10-28 5.486 ·10-4 -1.602·10-19 -1 p+ n 1.673·10-24 1.675·10-24 1.0073 1.0087 +1.602·10-19 0 +1 0 unità di carica atomica: 1.602·10-19 C unità di massa atomica: 1.6606 · 10-24 g massa elettrone 1836 volte < massa protone Nel NUCLEO è concentrata la MASSA dell’atomo 12 La struttura dell’atomo Numero atomico (Z) = numero di elettroni (corrisponde anche al numero di protoni essendo gli atomi neutri). Atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietà chimiche, sono classificati come atomi dello stesso elemento e identificati dallo stesso simbolo chimico Numero di massa (A) = numero protoni + numero neutroni= numero nucleoni Carica nucleare (+ Z) A - Z = numero dei neutroni 13 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Nuclide Una specie atomica caratterizzata composizione del nucleo da Per scrivere un nuclide occorre: simbolo elemento (X) Z (in basso a sinistra) A (in alto a sinistra) una ben A Z determinata X Esempio: nuclide elemento azoto 14 7 N Z = 7 A = 14 A-Z = 7 7 p+, 7 e-, 7 n; carica nucleare: +7 14 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Isotopi nuclidi di uno stesso elemento (isos topos = stesso posto), quindi con uguale numero atomico Z ma diverso numero di massa A e quindi diverso numero di neutroni 12 16 C 13 C 6 14 C O 17 C O 8 18 O O Isobari Nuclidi di elementi diversi, quindi con diverso numero atomico Z ma con uguale numero di massa A (isos baros = stesso peso) 54 26 Fe 54 24 Cr 15 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Tutti gli isotopi di un elemento hanno lo stesso nome. Fa eccezione l’idrogeno: 1 1 H = H = idrogeno 2 1 H = D = deuterio 3 1 H = T = trizio L’idrogeno naturale contiene il 99.985% di H, lo 0.015% di D ed una percentuale pressoché inapprezzabile di T. Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono solo dal numero di elettroni (e quindi da Z) e conseguentemente diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche e chimico-fisiche. Fanno eccezione gli isotopi degli elementi leggeri, in particolare dell’idrogeno: H2O p.f. 0.00°C p.e. 100.00°C ad 1 atm D2O p.f. 3.82°C p.e. 101.42°C ad 1 atm Esistono elementi come F, Al e P che hanno un solo isotopo 16 La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi con composizione costante Spettro di massa del Neon Per vedere questa immagine occorre QuickTime™ e un decompressore Animation. 20 10 Ne (90.51%) 21 Ne (0.27%) 10 22 Ne (9.22%) 10 17 La struttura del nucleo atomico: nuclidi stabili e radionuclidi Nuclidi conosciuti ad oggi 2200 Nuclidi stabili (naturali) 270 Stabilità Numero PROTONI (Z) Numero NEUTRONI (A-Z) Processo di decadimento radioattivo è un processo di trasformazione di un nuclide in un altro nuclide (stabile o meno) con emissione di PARTICELLE e a volte radiazione elettromagnetica. Legami chimici, stato di aggregazione, P, T, campi elettrici e campi magnetici NON influenzano i processi di decadimento radioattivo. 18 Massa atomica Le masse atomiche assolute degli atomi si possono determinare sperimentalmente con la spettrometria di massa. I valori sono molto piccoli H 1.66 x 10-24 g Fe 9.30 x 10-23 g 1961 definita scala unificata delle masse atomiche Unità di Massa Atomica (u.m.a.) 1 u.m.a. = 1/12 della massa assoluta di 12C = 1/12 1.9926·10-23 g = 1.6606·10-24 g Con questa unità di misura sono state tabulate le masse atomiche relative (Mr). massa atomica assoluta (g) dell’isotopo Mr = massa (g) corrispondente all’unità di massa atomica 19 Massa atomica (peso atomico) Mr Mr 12C = 23Na 1.9926·10-23 g 1.6606·10-24 g 38.163·10-24 g 1.6606·10-24 g = = 12.0000 = 22.9898 Elementi in natura miscele di diversi isotopi Massa atomica media relativa di un elemento Quale massa riportiamo nella tavola periodica???? La media pesata delle masse atomiche relative degli isotopi costitutivi (peso atomico). ME = 12 6 M i pi 100 i C (98.89%) M = 12.0000 MC = ME = massa atomica media dell’elemento Mi = massa atomica dell’isotopo i-esimo; pi = abbondanza relativa dell’isotopo i–esimo (%) 13 C 6 (1.11%) M = 13.00335 12.0000 x 98.89 + 13.00335 x 1.11 100 = 12.01 20 Massa molecolare (peso molecolare) Le molecole sono aggregati poliatomici, vengono rappresentate da una formula chimica che fornisce una descrizione della composizione in maniera qualitativa e quantitativa massa molecolare somma delle masse atomiche degli atomi presenti in una sua molecola Alcol etilico (C2H6O) MC2H6O = 2 MC + 6 MH + MO = 2 x 12.011 + 6 x 1.0079 + 15.999 = = 46.068 21 Mole Le reazioni chimiche osservabili sperimentalmente coinvolgono un numero enorme di atomi, molecole o ioni. È conveniente definire una nuova grandezza che rappresenta un numero grande e fisso di particelle e comparabile alle quantità utilizzate in un esperimento reale. Mole (abbrevazione S.I. mol) Quantità di sostanza che contiene tante entità elementari (atomi, ioni, molecole, ecc.) quanti sono gli atomi contenuti in 12 g esatti di 12C, il cui valore corrisponde ad N A Numero di Avogadro NA = 6.022·1023 entità/mol 22 Mole n° atomi 12C in 1 mole = 12.0000 g massa di 1 atomo 12C = 12,0000 g 12 x 1,6606 10-24 g n° atomi 12C in 1 mole = 6,022 1023 1 mole Fe contiene un numero NA di atomi di Fe 1 mole di H2O contiene un numero NA di molecole di H2O In generale, se un campione contiene N entità, il numero di moli n: n= N NA Massa molare di una sostanza massa (espressa in g) di 1 mole della sostanza La massa molare è numericamente uguale alla massa atomica 23 (per gli elementi) o alla massa molecolare (per i composti). Calcolo massa molare di H2O (MH2O) MH2O = n° molecole H2O in 1mole× massa di una molecola H2O = MH2O =6.022 1023 mol-1 × 1.660610-24 g × 18.02 = 18.02 g mol-1 numericamente uguale alla massa molecolare (18.02) Analogamente per gli elementi, essendo MCa = 40.08, 1 mole di Ca (NA atomi) pesa 40.08 g n (mol) = m (g) M (g mol-1) IMPORTANTE 24 Massa molare (di un elemento o di un composto) Stessa massa Diverso numero di moli Per vedere questa immagine occorre QuickTime™ e un decompressore Animation. Diversa massa Uguale numero di moli 25 C LA MASSA MOLARE S n = 1 mole Cu Pb Hg 26 Massa molare (di un elemento o di un composto) n = 1 mole Per vedere questa immagine occorre QuickTime™ e un decompressore Animation. 18 g di acqua 180 g di glucosio 46 g di alcol etilico 342 g di saccarosio 27 Struttura atomica – Le dimensioni degli atomi Esempio: RAME (Cu) Densità δ = 8.96 g/cm3 (20°C) Massa molare M = 63.546 g/mol Volume molare Vm = M/δ = 63.546 (g/mol) / 8.96 (g/cm3) = 7.09 cm3/mol Volume atomico Vat = Vm/NA = 7.09 (cm3/mol) / 6.022×1023(mol-1) = 1.18×10-23 (cm3) Atomo = Sfera rat = (Vat 3/4π)1/3 = 1.41×10-8 cm = 1.41 Å (1 Å = 10-8 cm) Valore sperimentale: rat = 1.20 Å 28 Struttura atomica – Le dimensioni degli atomi Esempio: Rame (Cu), Ferro (Fe), ... Raggio nucleare Valore sperimentale: rnucl 10-4 Å rat/rnucl 10000 (in alcuni casi anche 100000) 1 cm 29