4. La teoria atomica e le proprietà della materia

Atomo: Prime Teorie
Capitolo 4
Le teorie della materia
1. L’atomo e la sua storia
2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica
3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
5. Le formule chimiche
6. Le particelle e l’energia
7. La teoria cinetica e i passaggi di stato
8. Sosta termica e calore latente
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
STM microscopia
•
Non è possibile osservare un oggetto più piccolo della
più piccola lunghezza d’onda appartenente alla luce
visibile (400 nm).
•
L’atomo ha una dimensione di circa 10-11 metri, 40,000
volte più piccolo del limite della “visione”.
Le immagini che offrono una “visione” degli atomi sono
semplicemente misurazioni convertite tramite
programmi informatici. Non devono essere considerate
come “fotografie” degli atomi. La tecnica Scanning
Tunnel Microscopy permette una ricostruzione della
forma degli atomi (sferiche, o coni se adagiati su una
superficie) analizzando la distribuzione delle cariche
elettriche negative che li circondano (orbitali
elettronici).
•
1. L’atomo e la sua storia
La materia è formata da particelle microscopiche,
gli atomi.
Democrito (470-380 a.C.) fu il primo che attribuì
il nome «atomi» a particelle infinitamente piccole,
immutabili, indistruttibili e indivisibili.
Nell’ 1808, John Dalton ipotizzò il primo modello
atomico su basi sperimentali, basato su
esperimenti ed osservazioni sia proprie che di
Antoine Lavoisier e di Joseph-Louis Proust.
Le idee della chimica
Le tre leggi ponderali della chimica.
2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica
Lavoisier studiò sperimentalmente le
trasformazioni chimiche arrivando a enunciare nel
1789 la legge di conservazione della massa.
In una reazione chimica, la massa dei reagenti è
esattamente uguale alla massa dei prodotti.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica
Proust scompose numerosi composti minerali negli
elementi costitutivi misurandone le diverse
quantità e proporzioni, arrivando nel 1799 a
enunciare la legge delle proporzioni definite.
In un composto, il rapporto tra le masse degli
elementi che lo costituiscono è definito e costante.
NaCl
Copyright ©2009
Zanichelli editore
CuCO3
• In 58, 4 grammi di
3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali
•
•
•
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
NaCl ci sono 35,4
grammi di Cl e 23
grammi di Na.
In 29, 3 grammi di
NaCl ci sono 17,7
grammi di Cl e 11,5
grammi di Na.
Il rapporto massa
Cl/Na è sempre
1,54.
Massa atomica
dell’atomo di Cl è di
23 u, dell’atomo di
Na è di 35,4 u.
• Per esempio, in riferimento alla reazione di formazione
dell’acqua, possiamo scrivere i seguenti dati
sperimentali:
• a) 2 volumi di idrogeno + 1 volume di ossigeno
2 volumi di acqua
→
(ovviamente i volumi devono essere misurati nelle medesime condizioni di pressione e
temperatura)
• b) 1 g di idrogeno + 8 g di ossigeno → 9 g di acqua
Rapporto massa H/O è sempre 1/8
2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica
Dalton osservò che alcune coppie di elementi
possono combinarsi tra loro in modi diversi e dare
origine a più di un composto.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
2. Le «prove sperimentali» della teoria atomica
Dalton nel 1808 arrivò così a enunciare la
legge delle proporzioni multiple.
Quando un elemento si combina con la stessa
massa di un secondo elemento per formare
composti diversi, le masse del primo elemento
stanno fra loro in rapporti semplici, esprimibili
tramite numeri interi piccoli.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
Teoria atomica di Dalton
3. LaDalton
teoria atomica
spiega le leggi ponderali
John
fu il primo
a formulare una teoria
atomica moderna.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
La teoria proposta da Dalton presuppone che:
3. La teoria atomica spiega le leggi ponderali
• la materia è fatta di atomi piccolissimi, indivisibili
e indistruttibili;
• tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici
e hanno la stessa massa;
• gli atomi di un elemento non possono essere
convertiti in atomi di altri elementi;
• gli atomi di un elemento si combinano solo con
numeri interi di atomi di un altro elemento;
• gli atomi non possono essere né creati né distrutti,
ma si trasferiscono interi da un composto all’altro.
LaCopyright
teoria
concorda conLele
leggi della conservazione
©2009
idee della chimica
Zanichelli
editore
della
massa
e delle proporzioni definite.
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno
identiche proprietà chimiche.
Nel 1811 Amedeo Avogadro comprese la
distinzione tra atomo e molecola:
Una molecola è un raggruppamento di due o più
atomi che ha proprietà chimiche caratteristiche.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
Le proprietà macroscopiche
• sono il risultato degli effetti cooperativi di
un enorme numero di atomi e di molecole;
• non sono il prodotto delle proprietà
microscopiche.
Esempi di proprietà macroscopiche:
colore, densità, temperatura di ebollizione,
conducibilità elettrica, stato di aggregazione.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
Le proprietà microscopiche, ovvero le proprietà
chimiche, dipendono dalla natura degli atomi e
delle molecole che costituiscono le sostanze.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria
atomicaformate
e le proprietà
della materia
Esistono
molecole
da atomi
dello stesso
tipo.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
Le molecole dei composti sono formate da atomi
diversi.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
La materia non è costituita soltanto da atomi e da
molecole: molte sostanze sono costituite da
particelle cariche elettricamente (gli ioni).
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
4. La teoria atomica e le proprietà della materia
• Gli ioni carichi positivamente (per esempio,
Na+) si chiamano cationi.
• Gli ioni carichi negativamente (per esempio, Cl-)
si chiamano anioni.
I composti ionici (come i sali) sono formati da
cationi e anioni.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
5. Le formule chimiche
Ogni molecola è rappresentata da una formula
chimica che specifica la composizione della
sostanza.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
formule chimiche
5. Le formule chimiche
La formula bruta, o grezza, di una molecola
indica da quali e quanti elementi essa è costituita
(per esempio, CH4, NH3, CO2 ecc.).
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
5. Le formule chimiche
È importante tenere presente che in un composto
il rapporto di combinazione tra le particelle e
quello tra le masse non coincide: infatti particelle
diverse hanno masse diverse.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
La formula di struttura di una molecola indica sia la natura
degli atomi che compongono la molecola stessa, sia
l'indicazione di come essi stessi sono legati tra loro, sia la
disposizione spaziale degli stessi. È in effetti il miglior modo di
rappresentare, su una superficie piana, la struttura atomica di
una molecola.
Teoria cinetica
6. Le particelle e l’energia
La teoria cinetica spiega il comportamento della
materia quando viene sottoposta a scambi di
energia.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
I postulati su cui si basa la teoria cinetica sono:
• le particelle della materia sono in continuo
e inarrestabile movimento;
• temperatura e calore sono manifestazioni del
moto delle particelle;
• le particelle non sono a contatto, ma separate
da spazi vuoti.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
Il contenuto di energia cinetica è diverso a
seconda dello stato di aggregazione della materia.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
Nei solidi le particelle
non si muovono ma
oscillano e vibrano
intorno a posizioni
fisse ben precise.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
Nei liquidi le
particelle sono a
contatto, ma hanno
maggiore libertà di
movimento.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
Le particelle dei gas
hanno massima libertà
di movimento con un
moto totalmente
disordinato.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
La teoria cinetica spiega la relazione fra la
temperatura e l’energia cinetica media:
la temperatura assoluta di un corpo è
direttamente proporzionale all’energia cinetica
media delle particelle che lo costituiscono.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
Scaldando un corpo, tuttavia, aumenta anche
l’energia potenziale perché le particelle che lo
compongono si allontanano le une dalle altre.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
6. Le particelle e l’energia
La somma dell’energia cinetica Ec e dell’energia
potenziale EP delle particelle che costituiscono un
sistema è detta energia interna:
Einterna = Ec + Ep
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
7. La teoria cinetica e i passaggi di stato
All’aumentare della temperatura cresce l’energia
interna di un sistema, ovvero aumentano anche
l’agitazione e la distanza media delle particelle.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
7. La teoria cinetica e i passaggi di stato
Le particelle si liberano dalle forze attrattive
elettrostatiche passando da uno stato ordinato
a uno via via più disordinato.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
7. La teoria cinetica e i passaggi di stato
A parità di massa, l’aumento del contenuto
energetico è maggiore quando si passa dallo
stato liquido a quello aeriforme che da solido a
liquido.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Durante un passaggio di stato, la temperatura
rimane costante anche se si continua a fornire
(o a sottrarre) calore.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Il calore scambiato durante un passaggio di stato
si chiama calore latente (J/kg).
Il calore latente non provoca variazioni di
temperatura perché il calore fornito durante un
passaggio di stato non modifica l’energia cinetica
media delle particelle.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Il calore latente di fusione è la quantità di
energia necessaria per fondere completamente
1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Il calore latente di vaporizzazione è la quantità
di energia necessaria per fare evaporare
completamente 1 kg di sostanza pura alla
temperatura di ebollizione.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Il calore latente di fusione e il calore latente di
vaporizzazione sono proprietà intensive della
materia e vengono utilizzati per identificare le
sostanze pure.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi
sostanza pura è molto maggiore del calore latente
di fusione.
Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione
tra le particelle di un liquido che indebolire le forze
di coesione di un solido.
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica
8. Sosta termica e calore latente
Fanno eccezione quei
solidi, come la
naftalina e lo iodio, le
cui forze di coesione
sono così deboli, che
passano dallo stato
solido direttamente a
quello aeriforme
(sublimazione).
Copyright ©2009
Zanichelli editore
Le idee della chimica