struttura atomica della materia

SCHEDA DI APPROFONDIMENTO: STUTTURA ATOMOMICA DELLA MATERIA
POF.SSA STEFANIA SCIUTO
LA CHIMICA CI SPIEGA I "PERCHÉ" E I "COME" DELLA VITA DI TUTTI I GIORNI. CI SPIEGA, AD ESEMPIO, PERCHÉ I CIBI SI CONSERVANO PIÙ A
LUNGO IN FRIGORIFERO, COME FA LA NOSTRA BOCCA A DISTINGUERE LO ZUCCHERO DAL SALE, PERCHÉ L'OSSIDO DI CARBONIO È VELENOSO,
COME FUNZIONA LA FOTOSINTESI NELLE PIANTE.
CI SPIEGA TUTTE QUESTE COSE PARTENDO DALLE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI E DELLE MOLECOLE .
INFATTI, AD ESEMPIO, PER CAPIRE COME "FUNZIONA" UN ALBERO, BISOGNA ANDARE GIÙ
GIÙ NEL PICCOLO, COME IN UNA ZOOMATA: DALL'ALBERO ALLE FOGLIE, ALLE CELLULE,
AI CLOROPLASTI, AI GRANI, ALLE MEMBRANE, FINO A VEDERE COSA SUCCEDE A LIVELLO
MOLECOLARE. LE MOLECOLE SONO OGGETTI MOLTO PICCOLI. DIECI MILIARDI DI VOLTE
PIÙ PICCOLI DEGLI OGGETTI CHE CI CIRCONDANO NELLA VITA DI TUTTI I GIORNI. L'UNITÀ
DI MISURA DELLE MOLECOLE È IL NANOMETRO,10-9 DI METRI, UN MILIARDESIMO DI
METRO.
LINGUAGGIO
MATERIA
LETTERE
ATOMI
LA PAROLA ATOMO DERIVA DAL GRECO (ἄΤΟΜΟΣ
PAROLE
MOLECOLE
ERA COSÌ CHIAMATO PERCHÉ INIZIALMENTE ERA CONSIDERATO L’UNITÀ PIÙ PICCOLA ED
FRASI
SISTEMI SUPRAMOLECOLARI
INDIVISIBILE DELLA MATERIA.
CAPITOLI
CELLULE
PER PRIMO DEMOCRITO AVEVA PARAGONATO GLI ATOMI ALLE LETTERE: LE LETTERE MESSE IN
LIBRI
ORGANI
COLLANA DI LIBRI
APPARATI
BIBLIOTECA
UOMO
– ÀTOMOS) E SIGNIFICA INDIVISIBILE.
UN ORDINE PRECISO POSSONO FORMARE LE PAROLE COSÌ GLI ATOMI POSSONO FORMARE LE
MOLECOLE, QUINDI POTREMMO DIRE CHE GLI ATOMI SONO L’ALFABETO DELLA CHIMICA.
AD ESEMPIO, LA MOLECOLA DELL’ACQUA SI RAPPRESENTA CON LA FORMULA
H2O CHE VUOLE SEMPLICEMENTE INDICARE CHE È COSTITUITA
DA DUE ATOMI DI IDROGENO E UN ATOMO DI OSSIGENO; PER CAPIRE COME SONO LEGATI TRA LORO GLI ATOMI SI USA LA FORMULA DI
STRUTTURA:
H–O–H CHE CI AIUTA A CAPIRE CHE L’ATOMO
DI OSSIGENO È LEGATO A ENTRAMBI GLI ATOMI DI IDROGENO, CHE NON SONO
PERÒ DIRETTAMENTE LEGATI FRA LORO.
LE COMBINAZIONI DELLE LETTERE (FRA LORO) E DEGLI ATOMI (FRA LORO) IN TEORIA SONO INFINITE . IN REALTÀ NON TUTTE LE COMBINAZIONI
HANNO SIGNIFICATO: PER AVERLO, DEBBONO OBBEDIRE A REGOLE BEN DEFINITE.
NEL CASO DI LETTERE, AD ESEMPIO, ACQUA È UNA COMBINAZIONE GIUSTA DI LETTERE MENTRE AQCAU È UNA COMBINAZIONE SBAGLIATA,
DOVE
“GIUSTO” E “SBAGLIATO” DIPENDONO CONVENZIONI CHE SI È STABILITO DI SEGUIRE NEL FORMULARE IL LINGUAGGIO.
ANCHE NEL CASO DELLA MATERIA SI POSSONO AVERE COMBINAZIONI GIUSTE E SBAGLIATE:
H–O–H È UNA COMBINAZIONE GIUSTA, MENTRE
O-H–H È SBAGLIATA. IN QUESTO CASO “GIUSTO” E “SBAGLIATO” SIGNIFICANO SEMPLICEMENTE CHE LA MOLECOLA
H–
O–H ESISTE, MENTRE QUELLA O–H–H NON ESISTE PERCHÉ L’ATOMO DI IDROGENO NON PUÒ MAI ESSERE LEGATO AD ALTRI DUE ATOMI, NON
PUÒ MAI “STARE IN MEZZO”.
NON SOLO LA SPECIE CHIMICA
O–H–H
NON ESISTE IN NATURA, MA NON È POSSIBILE METTERE ASSIEME QUESTI TRE ATOMI IN UNA TALE
SEQUENZA NEPPURE USANDO TUTTE LE TECNICHE CHE GLI SCIENZIATI HANNO A DISPOSIZIONE NEI LORO LABORATORI.
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L’ATOMO È FORMATO DA UN
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NUCLEO CHE SI TROVA AL CENTRO DELL’ATOMO.
IL NUCLEO È FORMATO DA: PROTONI
(p+) CHE HANNO CARICA POSITIVA
NEUTRONI (N) CHE NON HANNO CARICA
ATTORNO AL NUCLEO RUOTANO GLI ELETTRONI
(e-)
CHE HANNO CARICA NEGATIVA
POICHÉ L’ATOMO È COMPLESSIVAMENTE NEUTRO, IL NUMERO DI PROTONI DEVE ESSERE UGUALE AL NUMERO DI ELETTRONI
COME SI VEDE NELL’IMMAGINE:
IDROGENO: 1
ELIO: 2
PROTONE E 1 ELETTRONE
PROTONI E 2 ELETTRONI
LITIO: 3
PROTONI E 3 ELETTRONI
IDROGENO
ELIO
LITIO
IL NUMERO DI PROTONI (= NUMERO DI ELETTRONI) PRESENTI IN UN ATOMO È CHIAMATO: MUMERO ATOMICO E VIENE INDICATO CON LA
LETTERA Z, QUINDI:
IDROGENO Z =
1
ELIO
Z=
2
LITIO
Z=
3
LA SOMMA DEI PROTONI E DEI NEUTRONI PRESENTI IN UN ATOMO VIENE CHIAMATA NUMERO
NUMERO ATOMICO
(Z) = 1
NUMERO DI MASSA
(A = p++ N) = 3
NUMERO ATOMICO
DI MASSA E SI INDICA CON LA LETTERA A
(Z) = 3
NUMERO DI MASSA (A
= p++ N) = 7
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PER CONVENZIONE IL NUMERO ATOMICO SI METTE IN BASSO AL SIMBOLO, MENTRE IL
NUMERO DI MASSA SI METTE IN ALTO
CARTA DI IDENTITÀ DI UN ELEMENTO
ISOTOPI
ATOMI DI UNO STESSO ELEMENTO CON NUMERO DIVERSO DI NEUTRONI SI DICONO ISOTOPI
HANNO STESSO NUMERO ATOMICO E DIVERSO NUMERO DI MASSA
HANNO LE STESSE PROPRIETÀ CHIMICHE
SI TROVANO NELLO STESSO POSTO DELLA TAVOLA PERIODICA (DAL GRECO ἴσος (isos) τόπος (topos) CHE SIGNIFICA "STESSO POSTO")
ISOTOPI DELL’IDROGENO
PROZIO
1
1
ISOTOPI DEL CARBONIO
H
TRIZIO
2
1
H
DEUTERIO
3
1
H
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ORBITALI ATOMICI
GLI ORBITALI ATOMICI SONO NATI SOLO DOPO IL FAMOSISSIMO PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG IL QUALE ENUNCIA CHE :
“È IMPOSSIBILE CONOSCERE CONTEMPORANEAMENTE SIA L’ESATTA POSIZIONE CHE L’ESATTA VELOCITÀ DI UNA PARTICELLA ELEMENTARE”.
LA DESCRIZIONE DELLA DISPOSIZIONE DEGLI ELETTRONI NEGLI ORBITALI DI UN ATOMO VIENE DEFINITA CON IL TERMINE CONFIGURAZIONE
ELETTRONICA DI UN ELEMENTO.
ORBITALI ATOMICI SONO DEFINITI COME LA REGIONE DI SPAZIO DOVE C’È UNA ELEVATA PROBABILITÀ (95%) DI TROVARE GLI ELETTRONI
GLI ORBITALI ATOMICI FORMANO 7 GUSCI ELETTRONICI:
K (1) - L (2) - M (3) - N (4) - O (5) - P (6) - Q (7)
CARATTERIZZATI DA UNA DIVERSA ENERGIA E PER QUESTO SI CHIAMANO ANCHE LIVELLI ENERGETICI.
GLI ELETTRONI SITUATI NEGLI ORBITALI PIÙ LONTANI DAL NUCLEO SONO PIÙ RICCHI DI ENERGIA (SI TROVANO AD UN LIVELLO ENERGETICO
SUPERIORE); QUELLI SITUATI NEGLI ORBITALI PIÙ VICINI AL NUCLEO SI TROVANO AD UN LIVELLO ENERGETICO INFERIORE.
QUANDO AD UN ATOMO VIENE FORNITA ENERGIA, È PROBABILE CHE UN ELETTRONE “SALTI” NEGLI
STRATI PIÙ LONTANI DAL NUCLEO (STRATI AD ENERGIA PIÙ ALTA); SUBITO DOPO, L ’ELETTRONE
RITORNA NELLO STRATO INIZIALE LIBERANDO (PER ESEMPIO SOTTO FORMA DI LUCE) L ’ENERGIA CHE
AVEVA RICEVUTO PRIMA.
IL COLORE DELLA LUCE EMESSA DIPENDE DALLA STRUTTURA DELL’ATOMO DI QUEL DATO ELEMENTO
CHIMICO
I GUSCI ELETTRONICI SONO COMPOSTI DA 4 TIPI DIVERSI DI ORBITALI ATOMICI:
s: PUÒ CONTENERE 2 elettroni
(formato da 1 orbita)
p: PUÒ CONTENERE 6 elettroni
(formato da 3 orbite)
d: PUÒ CONTENERE 10 elettroni
(formato da 5 orbite)
f: PUÒ CONTENERE 14 elettroni
(formato da 7 orbite)
OGNI ORBITA PUÒ CONTENERE AL MASSIMO 2 ELETTRONI
IN SINTESI:
ATTORNO AL NUCLEO TROVIAMO 7 GUSCI ELETTRONICI FORMATI DA
4 TIPI DI ORBITALI (s, p, d, f); IN OGNI ORBITA POSSONO RUOTARE
SOLO 2 ELETTRONI; QUINDI IL NUMERO DI ELETTRONI PER GUSCIO DIPENDE DAL TIPO E DAL NUMERO DI ORBITALI.
E COSÌ VIA…
0
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GLI ELETTRONI SI DISTRIBUISCONO ATTORNO AL NUCLEO OCCUPANDO LE ORBITE DISPONIBILI, SECONDO IL SEGUENTE ORDINE :
CONFIGURAZIONE ELETTRONICA DI ALCUNI ELEMENTI
1 LIVELLO
ELEMENTI
NUMERO
ATOMICO
NOME
SIMBOLO
1s
(H)
1 e-
2 LIVELLO
2s
2p
1
IDROGENO
2
ELIO
(He)
3
LITIO
(Li)
2 e-
1 e-
4
BERILLIO
(Be)
2 e-
2 e-
5
BORO
(B)
2 e-
2 e-
1 e-
6
CARBONIO
(C)
2 e-
2 e-
2 e-
7
AZOTO
(N)
2 e-
2 e-
3 e-
8
OSSIGENO
(O)
2 e-
2 e-
4 e-
9
FLUORO
(F)
2 e-
2 e-
5 e-
(Neo)
2 e-
2 e-
6 e-
10
NEON
2 e-
3 LIVELLO
3s
3p
4
3d
……
LIVELLO
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SE CONFRONTIAMO LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA DEI GAS NOBILI, NOTIAMO CHE TUTTI HANNO 8
ELETTRONI NELL’ULTIMO LIVELLO.
SI DICE CHE I GAS NOBILI HANNO UNA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA STABILE (SONO POCO REATTIVI E
TENDONO A NON FORMARE LEGAMI)
TUTTI GLI ALTRI ELEMENTI TENDONO A RAGGIUNGERE LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA STABILE,
QUINDI 8 ELETTRONI NELL’ULTIMO LIVELLO E PER QUESTO TENDONO A PERDERE O ACQUISTARE
ELETTRONI E, DI CONSEGUENZA A FORMARE I LEGAMI CHIMICI.
COME ABBIAMO GIÀ VISTO, GLI ATOMI SONO ELETTRICAMENTE NEUTRI IN QUANTO CONTENGONO UN NUMERO UGUALE DI PROTONI ED
ELETTRONI.
GLI ATOMI DI MOLTI ELEMENTI PERÒ POSSONO PERDERE O ACQUISTARE ELETTRONI.
IL RISULTATO È LA FORMAZIONE DI UNA SPECIE CHE POSSIEDE CARICA ELETTRICA POSITIVA O NEGATIVA, CHE PRENDE IL NOME DI IONE.
UN ATOMO CHE PERDE UN ELETTRONE SI CONVERTE IN UNO IONE CARICO POSITIVAMENTE, DETTO CATIONE .
UN ATOMO CHE ACQUISTA UN ELETTRONE SI CONVERTE IN UNO IONE CARICO NEGATIVAMENTE, DETTO ANIONE.
IL SIMBOLO CHE SI USA PER IDENTIFICARE UN CATIONE È LO STESSO SIMBOLO DELL’ATOMO A CUI VIENE AGGIUNTO UN SEGNO +
Na (perde un elettrone) → Na+
IL SIMBOLO CHE SI USA PER IDENTIFICARE UN CATIONE È LO STESSO SIMBOLO DELL’ATOMO A CUI VIENE AGGIUNTO UN SEGNO –
F(acquista un elettrone) → F-
RICORDANDO QUANTO DETTO STUDIANDO LA TAVOLA PERIODICA :
•
I METALLI (A SINISTRA NELLA TAVOLA PERIODICA) TENDONO A CEDERE ELETTRONI DIVENTANDO IONI POSITIVI;
•
I NON METALLI (A DESTRA NELLA TAVOLA PERIODICA) TENDONO AD ACQUISTARE ELETTRONI TRASFORMANDOSI IN IONI NEGATIVI
N.B. GLI IONI SONO CARICHI ELETTRICAMENTE PERCHÉ IL NUMERO DI PROTONI NON È UGUALE AL NUMERO DI ELETTRONI!
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COME GIÀ DETTO, TUTTI GLI ELEMENTI TENDONO A RAGGIUNGERE LA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA STABILE, QUINDI
8
ELETTRONI
NELL’ULTIMO LIVELLO E PER QUESTO TENDONO A PERDERE O ACQUISTARE ELETTRONI E, DI CONSEGUENZA A FORMARE I LEGAMI CHIMICI.
CON IL TERMINE "LEGAMI CHIMICI"
SI INDICANO QUINDI LE UNIONI TRA ATOMI IN CUI INTERVENGONO FORZE ATTRATTIVE DI NATURA ELETTRICA
TRA NUCLEI ED ELETTRONI DI VALENZA.
IL
LEGAME CHIMICO SI FORMA IN SEGUITO ALLE FORTI INTERAZIONI TRA ATOMI ED È RESPONSABILE DELLA FORMAZIONE DELLE
MOLECOLE.
QUANDO
DUE O PIÙ ATOMI VENGONO POSTI A BREVE DISTANZA, SI MANIFESTA UNA FORZA ATTRATTIVA TRA GLI ELETTRONI DEI
SINGOLI ATOMI E I NUCLEI VICINI.
SE
QUESTA FORZA È SUFFICIENTEMENTE INTENSA DA MANTENERE UNITI GLI ATOMI, SI FORMA UN LEGAME
CHIMICO. TUTTI I LEGAMI CHIMICI DERIVANO DALLO SCAMBIO O DALLA CONDIVISIONE DI ELETTRONI DA PARTE DI ALMENO DUE ATOMI.
LEGAME COVALENTE
IL LEGAME COVALENTE SI FORMA QUANDO DUE ATOMI METTONO
IN COMUNE UNA COPPIA DI ELETTRONI.
SE I DUE ATOMI SONO IDENTICI IL LEGAME È COVALENTE PURO.
GLI
ELETTRONI
SONO
MESSI
IN
COMPARTECIPAZIONE
PER
RAGGIUNGERE L’OTTETTO E APPARTENGONO IN CONTEMPORANEA
A ENTRAMBI GLI ATOMI CHE LI CONDIVIDONO.
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LEGAME IONICO
IL LEGAME IONICO SI FORMA TRA IONI DI CARICA OPPOSTA CHE SONO TENUTI INSIEME DA UN’ATTRAZIONE DI TIPO ELETTRICO
(FORZA ELETTROSTATICA)
GLI IONI IN UN COMPOSTO IONICO SONO DISPOSTI SECONDO UNO SCHEMA BEN PRECISO E POSSONO DAR LUOGO A UN RETICOLO
CRISTALLINO.
I COMPOSTI IONICI HANNO ALTI PUNTI DI FUSIONE, SONO SOLIDI A TEMPERATURA AMBIENTE , SONO BUONI CONDUTTORI DI
ELETTRICITÀ SIA ALLO STATO FUSO SIA IN SOLUZIONE .
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LEGAME METALLICO
COME GIÀ DETTO PIÙ VOLTE, GLI ELEMENTI METALLICI TENDONO A CEDERE ELETTRONI DIVENTANDO IONI POSITIVI
GLI ATOMI METALLICI POSSONO METTERE IN COMUNE GLI ELETTRONI DI VALENZA, CHE VENGONO CONDIVISI TRA PIÙ NUCLEI.
IL LEGAME METALLICO È DOVUTO ALL’ATTRAZIONE FRA GLI IONI METALLICI POSITIVI E GLI ELETTRONI MOBILI CHE LI CIRCONDANO.
TANTO PIÙ FORTE È IL LEGAME METALLICO, TANTO PIÙ SONO NUMEROSI GLI ELETTRONI MOBILI.
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LE REAZIONI CHIMICHE
LE REAZIONI CHIMICHE DELLA MATERIA (DETTE ANCHE TRASFORMAZIONI CHIMICHE) SONO TRASFORMAZIONI IRREVERSIBILI NELLE QUALI SI
HA LA FORMAZIONE DI NUOVE SOSTANZE.
SI HA UNA REAZIONE CHIMICA PER ESEMPIO QUANDO LO ZUCCHERO VIENE SOTTOPOSTO A RISCALDAMENTO; INIZIALMENTE LO
ZUCCHERO FONDE E POI, PROLUNGANDO IL RISCALDAMENTO, LO ZUCCHERO SCOMPARE, FORMANDO DUE SOSTANZE NUOVE: ACQUA E
CARBONIO. SI SONO FORMATE NUOVE SOSTANZE E LA TRASFORMAZIONE È IRREVERSIBILE IN QUANTO UNA VOLTA CHE È AVVENUTA NON SI
PUÒ PIÙ RITORNARE ALLO STATO INIZIALE.
PER DESCRIVERE UNA REAZIONE SI UTILIZZANO
EQUAZIONI CHIMICHE NELLE QUALI I REAGENTI VENGONO SCRITTI A SINISTRA, A DESTRA
I PRODOTTI, COLLEGATI DA UNA FRECCIA:
REAGENTI → PRODOTTI
LA FRECCIA INDICA CHE I REAGENTI SI TRASFORMANO NEI PRODOTTI.
ESEMPI
DI TRASFORMAZIONI CHIMICHE SONO: COTTURA DI UN UOVO, COMBUSTIONE DELLA BENZINA, MELA CHE MARCISCE, FORMAZIONE
DELLA RUGGINE , PREPARAZIONE DEL CARAMELLO DAL RISCALDAMENTO DELLO ZUCCHERO.
OSSIDI
GLI OSSIDI SONO DEI COMPOSTI CONTENENTI UN METALLO E L’OSSIGENO: METALLO + OSSIGENO → OSSIDO
Mg + O2→ MgO
Fe + O2 → FeO
K + O2 → K2O
IDROSSIDI (BASI)
GLI IDROSSIDI SI OTTENGONO PER REAZIONE FRA UN OSSIDO E L’ACQUA: OSSIDO + ACQUA → IDROSSIDO
MgO + H2 O → Mg (OH)2
IDROSSIDO DI MAGNESIO
Al2o3 + H2 O → Al (OH)3
IDROSSIDO DI ALLUMINIO
Cu2O + H2 O → Cu (OH)2 IDROSSIDO RAMEICO
ANIDRIDI
LE ANIDRIDI SONO COMPOSTI CONTENENTI UN NON METALLO E L’OSSIGENO: NON METALLO + OSSIGENO → ANIDRIDE
2Cl2 + O2 → 2Cl2O
ANIDRIDE IPOCLOROSA
OSSIACIDI (ACIDI)
GLI OSSIACIDI SONO COMPOSTI CHE SI OTTENGONO DALLA REAZIONE FRA UN’ANIDRIDE E L’ACQUA:
So3 + H2 O → H2SO4
ACIDO SOLFORICO
H3 PO4
ACIDO FOSFORICO
ANIDRIDE
+ ACQUA → OSSIACIDO
I SALI SONO COMPOSTI CHE SI ORIGINANO DALLA REAZIONE DI UN IDROSSIDO CON UN ACIDO: BASE + ACIDO → SALE + ACQUA
Na (OH) + H2So3 → Na2So3 + H2O SOLFITO DI SODIO
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