gli elementi mancanti

Un’avventura virtuale alla scoperta degli
ELEMENTI MANCANTI
UN’AVVENTURA VIRTUALE ALLA SCOPERTA
DEGLI ELEMENTI MANCANTI
Presentazione: Germano Bonomi
Facoltà di Ingegneria - Università degli Studi di Brescia
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Germano Bonomi
Liceo Scientifico Sperimentale Calini, Brescia 19/04/01
Un’avventura virtuale alla scoperta degli
ELEMENTI MANCANTI
QUESTA BREVE AVVENTURA VIRTUALE E’ SUDDIVISA IN QUATTRO TAPPE
GLI ELEMENTI:
introduzione al concetto di elemento chimico
IL SISTEMA PERIODICO:
storia e descrizione del sistema
che classifica gli elementi
I NUCLEI:
una breve panoramica sul “cuore”
degli elementi e sulla radioattività
GLI ELEMENTI MANCANTI: i perché degli elementi mancanti
e i “nuovi” elementi
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Germano Bonomi
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione I
Gli elementi sono i componenti fondamentali di cui la materia è composta
(per esempio idrogeno, ossigeno, carbonio, oro, ferro, ecc. ecc.)
DEFINIZIONE: Un elemento è una sostanza che non può essere scomposta
in ulteriori sostanze per mezzo di processi chimici o
fisici ordinari (caldo, luce, elettricità, attacco di altre sostanze)
Ogni elemento è in genere indicato con un simbolo di una o due
lettere; H per esempio indica l’idrogeno, C il carbonio, Au l’oro
Alcuni elementi hanno anche un simbolo “grafico”
che proviene dalla tradizione alchemica
VISUAL ELEMENTS:
http://www.chemsoc.org/viselements/pages/pertable_j.htm
Combinazioni di diversi elementi generano sostanze più complesse chiamate
composti; il numero di combinazioni è praticamente infinito.
Un composto non riflette le proprietà e le caratteristiche dei suoi elementi
componenti (l’acqua, che è un liquido, è composta da idrogeno
e ossigeno che sono due gas)
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Germano Bonomi
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI
Introduzione II
“Ufficialmente” si conoscono 109 elementi
La canzone degli elementi di Tom Leher
``There's antimony, arsenic, aluminum, selenium,
And hydrogen and oxygen and nitrogen and rhenium
And nickel, neodymium, neptunium, germanium,
And iron, americium, ruthenium, uranium,
Europium, zirconium, lutetium, vanadium
And lanthanum and osmium and astatine and radium
And gold, protactinium and indium and gallium (inhale)
And iodine and thorium and thulium and thallium.
Di questi circa il 25% non esiste in natura
e li conosciamo perché sono stati prodotti
in laboratorio.
``There's yttrium, ytterbium, actinium, rubidium
And boron, gadolinium, niobium, iridium
And strontium and silicon and silver and samarium,
And bismuth, bromine, lithium, beryllium and barium.
``Isn't that interesting?
I knew you would.
I hope you're all taking notes, because there's gonna
be a short quiz next period.
``There's holmium and helium and hafnium and erbium
And phosphorous and francium and fluorine and terbium
And manganese and mercury, molybdinum, magnesium,
Dysprosium and scandium and cerium and cesium
And lead, praseodymium, platinum, plutonium,
Paladium, promethium, potassium, polonium,
Tantalum, technetium, titanium, tellurium, (inhale)
And cadmium and calcium and chromium and curium.
``There's sulfur, californium and fermium, berkelium
And also mendelevium, einsteinium and nobelium
And argon, krypton, neon, radon, xenon, zinc and rhodium
And chlorine, cobalt, carbon, copper,
http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html
Tungsten, tin and sodium.
``These are the only ones of which the news has come to Harvard,
And there may be many others but they haven't been discovered.''
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione III
ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI
DELLA CROSTA
Ossigeno 45.6%
Silicio
27.3%
Alluminio 8.36%
Ferro
6.22%
Calcio
4.66%
Magnesio 2.76%
Sodio
2.27%
Potassio 1.84%
Titanio
0.63%
Idrogeno 0.15%
------------------Totale ~ 99.8%
ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI
DELLA TERRA
Ferro
Ossigeno
Silicio
Magnesio
Nichel
35%
30%
15%
13%
2.4%
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
Storia I
L’idea che la materia che ci circonda possa essere spiegata in termini
di sostanze fondamentali è presente nell'umanità sin dalle origini.
I filosofi greci dell'antichità credevano per esempio che la materia
fosse composta da un principio, o elemento, fondamentale.
Per Talete (VI sec. A.C.) questo elemento era l’acqua, per Anassimene
l’aria, per Eraclito il fuoco, mentre per Empedocle la materia era l’unione
di 4 elementi fondamentali: l’aria, l’acqua, la terra e il fuoco.
La materia era considerata in generale come un “continuo”, ovvero
si credeva di poterla dividere all’infinito e che ogni sua parte avesse
le stesse caratteristiche del tutto.
Un altro filosofo greco, Democrito (V sec. A.C.), credeva invece che
la materia fosse composta di particelle indivisibili chiamate atomi.
Le teorie dei filosofi greci e specialmente quelle di Aristotele (IV
sec. A.C.) resistettero quasi immutate per quasi 2000 anni.
ARISTOTELE: http://www.geocities.com/diego_fusaro_2000/schema.htm
DEMOCRITO: http://galileo.imss.firenze.it/vuoto/idemoc.html
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
Storia II
Nel 16o secolo nuove qualità degli elementi furono introdotte per
spiegare le nuove trasformazioni chimiche scoperte. Per esempio
lo svizzero Paracelso, famoso alchimista, introdusse tre nuovi elementi:
il mercurio, il sale e lo zolfo.
Nel secolo successivo il chimico e fisico inglese Robert Boyle riconobbe
la natura fondamentale di un elemento e capì la differenza tra una miscela
e un composto.
ALCHIMIA: http://www.cronologia.it/mondo42a.htm
http://www.chemsoc.org/viselements/pages/alchemist/alchemy.html
PARACELSO: http://www.esoteria.org/paracelso.htm
Nella seconda parte del 18o secolo, seguendo le definizioni di
date da Boyle e dopo accurati studi di laboratorio il chimico
francese Lavoisier pubblicò la prima lista di sostanze
elementari.
Nel 19o secolo gli studi sulla natura e sulle proprietà degli elementi si intensificarono; tra gli
altri ricordiamo il lavoro di Dalton, Gay-Lussac, Avogadro e Cannizzaro.
Nel 20o secolo infine la chimica e la fisica si intrecciarono per certificare
la natura atomica degli elementi.
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GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
La natura atomica
Nel 16o secolo la teoria atomistica, proposta
da Democrito ed in seguito anche da Epicuro,
venne ripresa in forma moderna per spiegare
le nuove scoperte.
In particolare si dimostrò che in un composto,
per esempio l'acqua, i pesi degli elementi
componenti hanno sempre un ben definito
rapporto (“legge delle proporzioni definite”).
Inoltre si scoprì che le quantità in peso di un
elemento che si combinano con la stessa
quantità di un altro elemento per formare composti diversi, stanno fra loro in rapporti semplici,
esprimibili con numeri interi piccoli (“legge delle proporzioni multiple”).
TEORIA ATOMICA:
http://helios.unive.it/~chem2000/capitoli/02.htm
http://www.itcg.chiavari.ge.it/chimica/materiali/atomo.html
Queste due leggi furono brillantemente descritte nel 18o secolo dalla teoria atomica dell'inglese
John Dalton.
Nei due secoli successivi i concetti di atomo e elemento si intrecciarono ulteriormente sino
alla formulazione dei modelli atomici da noi oggi accettati.
DEFINIZIONE:
Possiamo oggi dire che l’atomo è la più piccola parte
di un elemento che ne conservi le proprietà.
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ELEMENTI MANCANTI
GLI ELEMENTI
Gli atomi I
Il modello atomico oggi accettato, deriva, tra gli altri, dagli studi di Thomson,
Rutherford, Bohr e Schröedinger
Il modello atomico oggi accettato, può essere riassunto semplicisticamente nel seguente modo:
gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale, delle
dimensioni di circa 10-15 m, circondato da una
nuvola di elettroni, delle dimensioni di circa 10-10 m.
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GLI ELEMENTI
ELEMENTI MANCANTI
Gli atomi II
L’ATOMO:
NIELS BOHR:
LA FISICA delle PARTICELLE:
http://utenti.tripod.it/omegagroup/atoming.htm
http://www.nobel.se/physics/laureates/1922/bohr-bio.html
http://webscuola.it/risorse/quark/opera/fisica.htm
Il nucleo è composto da due tipi di particelle:
i protoni, con carica elettrica positiva;
i neutroni, con carica elettrica nulla.
Gli elettroni che ruotano attorno al nucleo, al contrario, hanno carica negativa.
Questo significa che per essere elettricamente neutro un atomo deve avere un
numero uguale di protoni e di elettroni.
Il numero di protoni nel nucleo è detto "numero atomico" (Z),
la somma del numero di protoni e di neutroni è chiamato "numero di massa" (A).
Gli atomi di uno certo elemento hanno lo stesso numero di protoni, ma possono avere un
numero diverso di neutroni; in questo caso vengono chiamati "isotopi".
Con "peso atomico", oggi intendiamo il peso medio di un atomo di un elemento,
considerando tutti gli isotopi e le relative percentuali di abbondanza in natura.
Per quanto riguarda le proprietà chimiche di un elemento sono legate al numero
e alla disposizione degli elettroni negli atomi.
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
IL SISTEMA PERIODICO
ELEMENTI MANCANTI
Introduzione I
Sin dai primi giorni della chimica si tentò di
organizzare gli elementi conosciuti secondo uno
schema che ne riflettesse gli andamenti regolari
delle loro proprietà chimiche e fisiche.
Nel 1789, per la prima volta, venne pubblicato
da Antoine Lavoisier un elenco dei 33 elementi
noti all'epoca.
Il primo tentativo di organizzare gli elementi in maniera significativa fu però effettuato
dal tedesco Johann Döbereiner che nel 1817 fece notare che gli elementi potevano
essere disposti in gruppi di tre (“triadi”).
Usando i nuovi pesi atomici da poco determinati, nel 1864 l'inglese John A.R.
Newlands dispose gli elementi in ordine di peso atomico crescente e si accorse che
alcune proprietà ricorrevano ogni otto posizioni (“ottave”)
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ELEMENTI MANCANTI
IL SISTEMA PERIODICO
Introduzione II
Qualche anno dopo, il 17 febbraio 1869,
il chimico russo Dimitrij Ivanovic Mendeleev
completava la stesura della prima delle sue
numerose tavole periodiche.
In genere si fa coincidere con tale data
la nascita del sistema periodico
modernamente inteso.
LE PRIME TAVOLE PERIODICHE:
http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita/periodic/table_mende.html
http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita/periodic/table_meyer.html
In realtà, l'anno precedente, anche un altro chimico tedesco, Julius Lothar Meyer,
aveva realizzato indipendentemente una tavola periodica del tutto simile a quella di
Mendeleev, ma la pubblicò, per un disguido dell’editore, solo nel 1870.
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ELEMENTI MANCANTI
IL SISTEMA PERIODICO
Mendeleev
Dimitrij Ivanovic Mendeleev nacque l'8 febbraio 1834, 17o
figlio di un direttore di ginnasio a Tobolsk, Siberia.
Nel 1847 suo padre morì e la madre, per iscriverlo alla
Università, trasferì la famiglia a Mosca.
Però in quei tempi le Università non accettavano studenti nati in
Siberia; dovette quindi ripiegare sull'Istituto Pedagogico di S.
Pietroburgo.
Nel 1855 divenne maestro e, su propria richiesta, fu spedito in
Crimea dove continuò i suoi studi di chimica.
Rientrò a S. Pietroburgo nel 1856 per ricevere la laurea in
chimica.
Nel 1859 fu spedito a Heidelberg dove prese contatto con gli
studiosi europei dell'epoca.
MENDELEEV: http://www.racine.ravenna.it/curba/rivoluzioni/Chimica/elementi/Biografie%20chimica.htm#Mendeleev
http://campus.sede.enea.it/netpaper/Nebbia12.htm
Nel 1861 fece ritorno a S. Pietroburgo, dove nel 1867 divenne professore di chimica
generale all'Università.
Non trovando un libro di testo adeguato lo scrisse lui: “I principi della Chimica” (1868-70).
Ebbe spesso un rapporto di conflitto con il regime zarista che gli impedì di fare carriera
accademica e che lo costrinse al ritiro nel 1891. Nel 1893 assunse la carica di direttore
dell'Ufficio Pesi e Misure, carica che mantenne sino alla sua morte il 20 gennaio 1907.
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
IL SISTEMA PERIODICO
ELEMENTI MANCANTI
La tavola periodica I
La tavola periodica rappresenta uno schema di classificazione che ordina gli
elementi chimici in funzione del loro numero atomico (Z) [e non rispetto al loro
peso atomico come invece aveva fatto Mendeleev].
La tavola periodica è formata da
caselle che individuano 7 linee
orizzontali (periodi) e 18 righe
verticali (gruppi) contenenti
elementi con caratteristiche simili.
I periodi sono di lunghezza variabile;
il primo contiene 2 elementi
(idrogeno Z=1 e elio 2)
il secondo (dal litio 3 al neon 10) ed
il terzo (dal sodio 11 all'argon 18) ne
contengono 8,
il quarto (dal potassio 19 al kripton
36) ed il quinto (dal rubidio 37 allo
xenon 54) ne contengono 18.
TAVOLE PERIODICHE INTERATTIVE:
http://www.itcg.chiavari.ge.it/chimica/elementi/
http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/ita/pertab_ita.html,
http://www.webelements.com/index.html
Il sesto periodo contiene 32 elementi (dal cesio 55 al radon 86).
Dal momento che la tabella periodica è strutturata in 18 colonne, 14 di questi 32
elementi vengono rappresentati in una riga isolata posta in basso.
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ELEMENTI MANCANTI
SOFTWARE DIDATTICO PER LA CHIMICA:
IL SISTEMA PERIODICO
La tavola periodica II
http://members.xoom.it/chimica/chimica/software/index.html
Il settimo periodo, contenente idealmente 32 elementi, è incompleto. Contiene
gli elementi dal francio 87 al meitnerio 109; come per il sesto periodo 14
elementi vengono raggruppati in una riga isolata in basso.
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IL SISTEMA PERIODICO
ELEMENTI MANCANTI
Le nuvole di elettroni I
Il fattore maggiormente responsabile delle proprietà chimiche di un elemento è la nuvola
elettronica che circonda il nucleo atomico.
Il numero di elettroni di un atomo di un elemento è pari al numero
atomico di tale atomo; ecco quindi spiegato perché nella tavola
periodica gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico.
In base alla meccanica quantistica gli elettroni possono disporsi intorno al nucleo secondo
criteri predeterminati andando ad occupare livelli di energia crescenti a distanze maggiori.
GLI ORBITALI:
FISICA QUANTISTICA:
http://helios.unive.it/~chem2000/lezioni/unit03.htm
http://www.geocities.com/capecanaveral/hangar/6929/
Tali livelli vengono chiamati orbitali atomici e sono caratterizzati da tre numeri,
chiamati numeri quantici:
principale (n=1,2,..),
azimutale (l=0,1,..,n-1),
magnetico (m=-l, ..,0., .., +l).
In genere il livello l=0 viene indicato con la lettera s, quello l=1 con p ed i
successivi con d e f. Per ogni combinazione nl ci sono 2l+1 orbitali possibili.
Per il principio di esclusione di Pauli ogni orbitale può ospitare al massimo 2
elettroni.
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ELEMENTI MANCANTI
Orbitale s (l=0)
IL SISTEMA PERIODICO
Le nuvole di elettroni II
Orbitale p (l=1)
Orbitale d (l=2)
Orbitale f (l=3)
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Un’avventura virtuale alla scoperta degli
IL SISTEMA PERIODICO
ELEMENTI MANCANTI
Le nuvole di elettroni III
Riassumiamo (per ogni n, l=0,..,n-1):
n
l
1
(0)
2
(0,1)
3
(0,1,2)
4
(0,1,2,3)
Riassumiamo (per ogni l, m=-l,…0,…l):
l
m
Orbitali Elettroni
0 (s)
(0)
1
2
1 (p)
(-1,0,1)
3
6
2 (d)
(-2,-1,0,1,2)
5
10
3 (f)
(-3,-2,-1,0,1,2,3)
7
14
I vari sottolivelli (n,l) non sono caratterizzati da energie crescenti; può capitare infatti
che l’energia di un sottolivello sia maggiore di quella del sottolivello successivo. Così il
sottolivello 3d si riempie dopo quello 4s.
LA STRUTTURA ELETTRONICA E LA TAVOLA PERIODICA:
http://a.die.supsi.ch/c3/C3_00/Solinas_Vignati/tavola.html
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IL SISTEMA PERIODICO
ELEMENTI MANCANTI
Le nuvole di elettroni IV
Ecco l’ordine di “riempimento” dei vari sottolivelli:
1s
1
2
2s
2p
2
8
3s
3p
3
8
4s
3d
4
18
4p
5s
4d
5
18
5p
6s
4f
5d
6
32
6p
7s
5f
6d
7p
7 Livello
32 N. Elet.
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