MateriaEnergia - ITC Jacopo Nizzola

In Natura, tutto ciò che ci circonda è Materia oppure Energia.
MATERIA
La Materia è tutto ciò che ci circonda e che, pur assumendo diverse forme, possiede una massa (e
pertanto può essere pesata) ed un volume (ovvero, occupa uno spazio).
Si definisce corpo una porzione limitata di materia (es.: una palla, una penna, un tavolo, un fiore...)
STATI FISICI DELLA MATERIA
La materia può presentarsi sotto tre diversi stati fisici
(o fondamentali): gli stati solido, liquido ed
aeriforme. I corpi allo stato solido hanno forma e
volume propri; i corpi allo stato liquido hanno
volume proprio, ma assumono la forma del loro
contenitore; infine i corpi allo stato aeriforme
assumono sia la forma che il volume del contenitore,
in quanto tendono ad occupare tutto lo spazio a loro
disposizione.
In qualsiasi stato fisico si presenti la materia, essa è sempre costituita da particelle piccolissime
(atomi e molecole) che sono in continuo movimento;
 per le particelle di un
solido,
il
movimento
consiste in microscopiche
vibrazioni attorno ad una
posizione
fissa
(chiaramente impercettibili
all’occhio umano);
particelle di un solido
particelle di un liquido
particelle di un gas
 le particelle di un liquido
invece possiedono una maggior libertà di movimento rispetto a quelle dello stato solido;
 le particelle dello stato aeriforme hanno la massima libertà di movimento ed infatti tendono
ad occupare tutto lo spazio a loro disposizione.
UNITà DI BASE DELLA MATERIA: l’ATOMO e la sua struttura
Ma quali sono e cosa sono esattamente le “particelle” che costituiscono la materia? Tutta la materia,
pur avendo aspetti tanto diversi, è costituita dalle stesse piccolissime unità di base, chiamate atomi.
Ogni atomo è formato a sua volta da tre tipi di
particelle: i protoni, carichi positivamente, i
neutroni, privi di carica elettrica e gli
elettroni, carichi negativamente.
Secondo il modello atomico di Bohr, la
Livello
struttura atomica è tale per cui i protoni ed i
energetico
neutroni formano il nucleo dell’atomo, mentre
gli elettroni ruotano attorno al nucleo,
seguendo traiettorie chiamate orbite o livelli
energetici.
Esiste un limite al numero massimo di elettroni
che può orbitare in ogni livello energetico: nel livello più vicino al nucleo (livello più interno)
possono orbitare al massimo 2 elettroni e in quelli più esterni fino a 8 elettroni.
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L’atomo è neutro perchè il numero di protoni (presenti nel nucleo) è uguale al numero di elettroni
(che ruotano attorno al nucleo). Il numero di protoni di un atomo è chiamato numero atomico e
viene indicato con il simbolo Z. In natura esistono oltre 90 tipi diversi di atomi, i quali appunto
differiscono per il numero atomico Z (esiste infatti l’atomo con un solo protone e un solo elettrone,
l’atomo con due protoni e due elettroni, l’atomo con 3 protoni e 3 elettroni, etc.).
Atomo di idrogeno (H)
Z= 1
Atomo di elio (He)
Z= 2
1p
Atomo di carbonio (C)
Z= 6
6p
2p
Atomo di sodio (Na)
Z= 11
11p
= nucleo con numero di protoni indicato
= elettrone
IONI
Un atomo può perdere o acquistare uno o più elettroni e diventare così elettricamente carico (in
quanto non avrà più un ugual numero di protoni ed elettroni): non si potrà quindi più parlare di
atomo, bensì di ione.
Atomo di sodio (Na)
Catione sodio (Na+)
Z= 11
1) quando un atomo (neutro)
perde uno o più elettroni, non
sarà più neutro, ma acquisterà
una carica elettrica positiva (in
quanto avrà meno elettroni di
quelli previsti dal numero
atomico) e si trasformerà in
uno ione positivo o catione.
11p+ + 11 e- = carica 0
2) quando un atomo
(neutro)
acquista
uno o più elettroni,
non sarà più neutro,
ma acquisterà una
carica
elettrica
negativa (in quanto
avrà più elettroni di
quelli previsti dal
numero atomico) e
si trasformerà in
uno ione negativo o
anione;
Atomo di cloro (Cl)
Z= 17
17p+ + 17 e- = carica 0
11p+ + 10 e- = carica +1
Anione cloro (Cl-)
17p+ + 18 e- = carica -1
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MOLECOLE
Atomi
C
O
Molecole
H
H2 O
O2
Sono strutture formate
dall’unione di due o più atomi
(che possono essere uguali o
diversi).
CO2
SOSTANZA (pura)
Con il termine sostanza, si indica il tipo di materia, ovvero la composizione chimica di cui è
composta la materia (es.: la sostanza di cui è formato il tavolo è il legno, la penna è di plastica, la
palla è di gomma, etc). La sostanza può essere costituita da elementi o da composti.
Ogni elemento è rappresentato sulla tavola periodica da un simbolo chimico. I simboli chimici sono
abbreviazioni di una o due lettere del nome dell’elemento, la prima lettera deve sempre essere
maiuscola, l’eventuale seconda lettera deve essere minuscola. I simboli degli elementi si combinano
poi tra loro in modo opportuno, per scrivere le formule chimiche dei composti.
Es.: una molecola di metano (CH4) contiene un atomo di carbonio (C) e quattro atomi di idrogeno
(H).
SOSTANZA
ELEMENTO
1. l’elemento è la sostanza formata da
1.
atomi tutti uguali
(es. H, O, C, Fe)
2. la più piccola parte di un elemento, che
2.
corserva le caratteristiche chimicofisiche dell’elemento stesso, è l’atomo
3. l’elemento non può essere suddiviso in
3.
sostanze più semplici
COMPOSTO
il composto è la sostanza formata da
atomi diversi
(es. H2O, CO2, FeO)
la più piccola parte di un composto, che
corserva le caratteristiche chimicofisiche di un composto, è la molecola
il composto può essere suddiviso in
sostanze più semplici
Molecola di di acqua (H2O)
Atomi di ferro (Fe)
La parte più piccola della sostanza
acqua, ovvero l’atomo di H, non ha
le stesse caratteristiche chimicofisiche dell’acqua (è gassoso e non
liquido), mentre la molecola H2O è
la parte piuù piccola del composto
acqua che ne conserva le
caratteristiche...(è allo stato liquido,
etc)
Sfera di ferro (Fe)
Bicchiere di acqua (H2O)
La molecola H2O può essere
suddivisa in sostanze più semplici,
quali idrogeno (H) ed ossigeno (O)
H
O
H
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LEGAMI CHIMICI
In base al numero di elettroni presenti nello strato esterno di un atomo, l’atomo può essere stabile o
instabile. La stabilità massima infatti viene raggiunta quando nel livello elettronico più esterno (o
orbita) ci sono 8 elettroni (= regola dell’ottetto). Tutti gli atomi instabili tenderanno pertanto a
diventare più stabili, attraverso la formazione di legami chimici, che avvengono attraverso la
condivisione o lo scambio di elettroni fra gli atomi instabili. I tipi di legame chimico che studieremo
sono: il legame ionico ed il legame covalente.
Il legame ionico si forma tra ioni di carica opposta, a seguito della loro attrazione elettrostatica.
Esso è infatti caratterizzato dal trasferimento di elettroni fra gli atomi (al fine di raggiungere una
condizione di maggiore stabilità) e la conseguente trasformazione degli stessi atomi (neutri) in
cationi e da anioni.
Un tipico esempio di composto ionico è il cloruro di sodio (NaCl), ovvero il comune sale da cucina.
Ione positivo sodio (Na+)
Atomo di sodio (Na)
Z= 11
L’atomo di sodio (Na) non è stabile in
quanto non contiene 8 elettroni nell’orbita
più esterna.
Per raggiungere la stabilità (e completare
pertanto il suo livello elettronico più
esterno), è conveniente che perda l’unico
elettrone nell’orbita esterna, trasformandosi
pertanto in un catione (Na+)
Atomo di cloro (Cl)
Z= 17
Ione negativo cloro (Cl-)
L’atomo di cloro (Cl) non è
stabile in quanto non contiene 8
elettroni nell’orbita più esterna,
bensì 7.
Per raggiungere la stabilità, è
conveniente che acquisiti un
elettrone nell’orbita esterna,
trasformandosi pertanto in un
anione (Cl-)
Poichè le cariche elettriche di segno opposto si attraggono,
i due ioni appena formatisi si avvicineranno, formando un composto ionico, NaCl.
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Il legame covalente invece è caratterizzato dalla condivisione di 2 o più elettroni fra gli atomi, in
modo da completare l’ottetto esterno e raggiungere la condizione di stabilità. Attraverso questo
meccanismo, ognuno degli elettroni condivisi apparterrà contemporaneamente a entrambi gli atomi.
Tipici esempi di composto covalenti sono i composti Cl2 (formato da due atomi di cloro) e HCl.
Atomo di cloro (Cl)
Z= 17
Atomo di cloro (Cl)
Z= 17
Se uno dei due atomi di cloro acquistasse
un elettrone dall’altro atomo di cloro, esso
stesso si stabilizerebbe, ma renderebbe
meno stabile l’altro atomo. Pertanto, è
preferibile una condivisione di elettroni
piuttosto che un loro trasferimento da una
atomo all’altro
( 2 elettroni condivisi formano 1 legame
covalente, 4 elettroni condivisi formano 2
legami covalenti, etc.)
Atomo di cloro (Cl)
Z= 17
Atomo di idrogeno (H)
Z= 1
L’atomo di idrogeno (H) fa eccezione
rispetto alla regola dell’ottetto, perchè per
stabilizzarsi deve riempire il livello più
interno e possedere al massimo 2 elettroni.
Se l’atomo di H condividesse il suo unico
elettrone con l’atomo di cloro (Cl) e l’atomo
di Cl condividesse uno dei suoi 7 elettroni
del livello più esterno, si formerebbe la
molecola del composto covalente HCl
(acido cloridrico)
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ENERGIA
L’ENERGIA è tutto ciò che ci circonda, ma diversamente dalla materia, non ha massa nè volume
(es.: fulmine, luce, calore, etc). L’Energia è la capacità di un corpo di compiere lavoro, ovvero di
provocare uno spostamento. Essa si misura in joule (J).
In natura esistono due tipi fondamentali di energia: quella cinetica e quella potenziale.
L’energia cinetica è quella forma di energia posseduta dai corpi in movimento e dipende quindi
dalla velocità del corpo: maggiore è la velocità del corpo, maggiore è la sua energia cinetica (es.:
un’automobile in corsa, il vento che soffia, l’acqua che precipita a valle e la molla/elastico che
scatta possiedono energia cinetica);
l’energia potenziale è invece quella forma di energia posseduta dai corpi che, si trovano in uno
stato di quiete, ma dopo aver subìto uno spostamento, sono in grado di restituire il lavoro,
compiendo a loro volta altro lavoro e provocando pertanto altro spostamento.
E’ pertanto la capacità di un corpo di compiere un lavoro in base alla propria posizione
Es.: l’energia potenziale gravitazionale è l’energia che un corpo possiede perchè su di esso è stato
compiuto un lavoro per sollevarlo fino ad una certa altezza, agendo contro la forza di gravità;
l’energia potenziale elastica è l’energia che un corpo elastico possiede, dopo che è stato allungato
ed è pertanto in grado di provocare lavoro, ovvero di spostare se stesso o altri corpi (vedi l’elastico
o la molla).
Un tipo di energia cinetica è l’energia termica (o calore) che è l’energia associata al movimento
delle particelle di cui è costituito il corpo in questione. Una grandezza legata a tale forma di energia
è la temperatura dei corpi, che dipende anch’essa dall’energia cinetica delle particelle del corpo
(nel senso che, maggiore è la temperatura di un corpo, maggiore sarà l’energia cinetica delle sue
molecole) ma che è una grandezza differente rispetto al calore.
Infatti la temperatura è una grandezza caratteristica di ogni corpo e mi indica “oggettivamente”
quanto un corpo sia caldo o freddo (si ricorda infatti che la sensazione di caldo/freddo è soggettiva,
invece la temperatura può essere misurata attraverso il termometro ed è esprimibile attraverso un
valore numerico seguito dall’unità di misura considerata, es.: 12 °C);
il calore invece (pur essendo anch’essa una grandezza misurabile ed esprimibile attraverso valori
numerici ed unità di misura) rappresenta l’energia che si propaga da un corpo più caldo (a
temperatura maggiore) ad un corpo più freddo (a temperatura minore) per effetto della differenza di
temperatura esistente fra i due corpi. Il passaggio di energia termica procede finchè i due corpi
raggiungono la stessa temperatura, cio finchè raggiungono la condizione di equilibrio termico.
Se un corpo riceve calore, l’energia ricevuta fa aumentare la velocità con cui si muovono le
particelle e ciò fa aumentare la temperatura del corpo.
ESPERIMENTO
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