La Materia
• Nel XVII secolo vi era ancora molta confusione su cosa
fosse la Materia
Johann Becher e Georg Stahl, medici
tedeschi
professori
universitari,
fondarono la teoria del Flogisto (dal
greco ‘bruciare
bruciare’)
’)
Georg Ernst Stahl
(1659-1734)
Simbolo del Flogisto
Lezione 4
1
• La materia e’ costituita da due componenti: il Flogisto e la
Cenere
• Bruciando la materia, il flogisto si libera nell’aria, lasciando
solamente la cenere
L’aria “Flogistificata” non riesce piu’ a supportare la
combusione
Lezione 4
2
1) Lavoisier scaldò del mercurio in una beuta sigillata contenente anche
dell’aria.
2) Dopo alcuni giorni osservò che si era prodotta una sostanza rossa
[La massa del gas rimasto nel recipiente era diminuita. In presenza di questo gas [azoto,
N2] la combustione non avveniva e gli animali asfissiavano.]
[Sappiamo oggi che il mercurio aveva reagito con l’ossigeno dell’aria formando ossido
di mercurio (II)]
3) Lavoisier pesò una quantità della sostanza rossa prodotta e poi la
riscaldò fortemente.
4) Pesò poi sia il gas che che il mercurio che si producevano e riuscì a
mostrare che la somma delle loro masse era la stessa di quella dell’ossido
iniziale.
Lezione 4
3
Dopo ulteriori esperimenti Lavoisier poté stabilire
LA LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DELLA MASSA
IN OGNI PROCESSO CHIMICO LA QUANTITÀ DI MATERIA PRIMA
E DOPO IL PROCESSO RIMANE LA STESSA OVVERO LA MASSA
NON PUÒ ESSERE NÉ CREATA NÉ DISTRUTTA.
2HgO ═ 2Hg + O2
Una reazione chimica è rappresentabile
con una equazione algebrica (con simboli e formule).
Lezione 4
4
Legge di conservazione della massa
di Antoine Lavoisier
Antoine Lavoisier mostra come la
combustione non e’ una perdita di
flogisto, ma una reazione chimica
con l’ossigeno.
Enuncia la legge di
conservazione della massa:
Antoine-Laurent Lavoisier
(1743-1794) e sua moglie
La Materia non viene nè
creata nè distrutta, ma
cambia solamente forma
Lezione 4
5
Lezione 4
6
Lavaggio dello
zolfo con C2S
Lezione 4
7
Legge delle proporzioni definite
di Joseph Proust
IN UN DATO COMPOSTO CHIMICO
I RAPPORTI IN MASSA DEGLI ELEMENTI
DI CUI ESSO È COSTITUITO SONO COSTANTI
INDIPENDENTEMENTE DALL’ORIGINE DEL
COMPOSTO O IL MODO DI PREPARAZIONE
Il sale da cucina [cloruro di sodio, NaCl] può essere trasformato nei suoi
elementi costitutivi sodio e cloro.
È un composto.
Ha una composizione definita: la massa risulta composta dal 39.3% di
sodio e 60.7% di cloro
Lezione 4
8
Legge delle proporzioni multiple
di JOHN DALTON
Dalton trovò che combinando tre parti (in massa) di carbonio (C) con
otto parti di ossigeno (O2) si otteneva un composto oggi noto come
diossido di carbonio; mentre combinando sempre tre parti di C con
quattro parti di O2 si otteneva un altro composto oggi noto come
monossido di carbonio.
Egli dedusse che il primo composto doveva contenere il doppio
di atomi di ossigeno.
Oggi noi sappiamo che i due composti hanno formula chimica CO2 e CO,
rispettivamente, con rapporti 1/2 e 1/1 tra gli atomi di C e di O.
Dalton propose, quindi, una nuova legge nota come
legge delle proporzioni multiple:
“ quando due elementi formano più di un composto, le diverse
masse di un elemento che si combinano con una stessa massa di
un secondo elemento stanno fra loro in rapporti dati da numeri
interi e piccoli”
Lezione 4
9
Teoria Atomica di JOHN DALTON (1803)
J. Dalton formulò una TEORIA per spiegare le leggi proposte da Lavoisier e
Proust e i dati sperimentali, che si andavano raccogliendo dai vari esperimenti,
nota come TEORIA ATOMICA DI DALTON:
⇒Tutti gli elementi sono costituiti da piccolissime particelle
indivisibili dette atomi. Gli atomi nono possono essere né creati né
distrutti durante le reazioni chimiche.
⇒ Gli atomi di un certo elemento sono identici, ma sono diversi da
quelli di un altro elemento.
⇒ Gli atomi di diversi elementi formano composti combinandosi
secondo rapporti definiti e fissi tra numeri interi e piccoli.
⇒ Se gli stessi elementi formano più di un composto, ciascuno di
essi è caratterizzato da un diverso rapporto di massa e rapporto di
atomi.
⇒ Una reazione chimica comporta un cambiamento non degli atomi
stessi, ma del modo con cui gli atomi sono combinati nei composti.
Lezione 4
10
piombo
Lezione 4
11
Lezione 4
12
Lezione 4
13
" Tabula affinitatum inter differentes substantias", che si trova presso il Museo delle
scienze di Firenze.
"Table de rapports", tratta dalla
famosa
"Encyclopédie
ou
Dictionnaire raisonné des sciences
des arts et des métiers" di Diderot e
D'Alembert, edita a Lucca 1758-1776
Lezione 4
14
La data formale della nascita del sistema periodico degli elementi si
fa risalire al febbraio 1869 ad opera di uno scienziato russo,
Dimitrij Ivanovic Mendeleev (1834-1907), che completò la sua
prima tavola comprendente 63 elementi.
Nel suo lavoro "Die periodischen Gesetzmassigkeit der
chemischen Elemente" del 1871, così descrisse la sua teoria:
"Le proprietà degli elementi, e in conseguenza anche
quelle dei corpi semplici e composti, sono in
dipendenza periodica dal loro peso atomico"
Nella Tavola Mendeleev ordinò gli ELEMENTI per peso atomico
crescente.
Nella Tavola lasciò spazi vuoti per elementi che non erano stati
ancora scoperti.
Lezione 4
15
Nell'immagine a sinistra vediamo la
prima formulazione autografa della
Tavola Periodica come apparve la prima
volta nel 1869; nella prossima diapositiva
vediamo una successiva rielaborazione
del 1871.
Lezione 4
16
Mendeléev prese in esame non solo il peso atomico crescente ma anche
la valenza degli elementi.
elementi La valenza aumentava e diminuiva dando
origine ai periodi: prima l'idrogeno, con un periodo tutto per sé; poi due
periodi di sette elementi; quindi periodi contenenti più di sette elementi.
Egli fu in grado di
prevedere
l'esistenza e le
proprietà di tre
elementi allora
sconosciuti che
chiamò ekaboro,
ekalluminio e
ekasilicio (eka
significa uno in
sanscrito) e li
sistemò nella
tavola periodica
rispettivamente
con i numeri 44,
68 e 72 (Sc, Ga,
Ge).
Lezione 4
17
Lezione 4
18
Lezione 4
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La teoria atomica moderna si basa sulle seguenti ipotesi:
a) Gli elementi sono costituiti da atomi, che sono particelle
estremamente piccole.
piccole.
a) Tutti gli atomi di un dato elemento hanno le stesse proprietà
chimiche e contengono lo stesso numero di protoni
protoni..
b) I composti risultano dalla combinazione chimica di atomi di due o
più tipi diversi nel rapporto di numeri interi piccoli.
piccoli.
atomo = particella “chimicamente elementare”
Si riconoscono così 92 specie atomiche che vengono definite
Elementi Chimici
indicati con un simbolo che corrisponde
alla prima lettera, o alle 20
Lezione 4
prime due lettere, del nome latino/greco….
Idrogeno, H, Elio, He,
Litio, Li,
Boro, B,
Carbonio, C, Azoto, N,
Fluoro, F,
Neon, Ne,
Sodio, Na,
Alluminio, Al, Silicio, Si,
Fosforo, P,
Cloro, Cl,
Argon, Ar,
Potassio, K,
Cromo, Cr
Manganese, Mn Ferro, Fe
Rame, Cu
Zinco, Zn
Bromo, Br
Argento, Ag Cadmio, Cd
Iodio, I
Platino, Pt
Oro, Au
Mercurio, Hg
Berillio, Be,
Ossigeno, O,
Magnesio, Mg,
Zolfo, S,
Calcio, Ca
Nichel, Ni
Palladio, Pd
Bario, Ba
Piombo, Pb
in ogni atomo
il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.
Questo numero viene denominato Numero Atomico (Z).
Il numero atomico è caratteristico delle proprietà chimiche
della corrispondente specie atomica, cioè della sua capacità di
legarsi ad altri atomi per formare entità pluriatomiche
Lezione 4
21
denominate molecole.
TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI
Numero atomico
Lezione 4
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L'energia è la capacità di un corpo di compiere un
lavoro; ogni cosa che si trasforma contiene una
forma di energia.
L'energia è presente in forme diverse e può essere
trasformata da una forma all'altra. Si usano
abitualmente diversi nomi per indicare la forma in cui
l'energia si presenta: energia meccanica, chimica,
elettrica, luminosa, termica, atomica.
Lezione 4
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L’energia si conserva sotto varie forme:
Lezione 4
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L’energia nucleare si crea da reazioni che avvengono nel nucleo
dell’atomo. Queste reazioni permettono di ottenere grandi quantità di
energia.
Le reazioni nucleari sono di due tipi:
Fissione nucleare: quando si divide in due parti il nucleo atomico di
un elemento pesante come l’uranio.
Fusione nucleare: quando si riesce ad unire due atomi leggeri per
formarne uno più pesante. E’ il tipo di reazione che si sviluppa
naturalmente nel Sole e nelle stelle.
Lezione 4
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L’energia meccanica è quella che si manifesta muovendo e
deformando corpi solidi, liquidi e gas. L’automobile, la bicicletta, l’acqua
di una diga, lo sciatore utilizzano questa forma di energia.
L’energia elettrica è dovuta al movimento ordinato di cariche
elettriche. Alcuni materiali, detti conduttori, hanno un elevato numero di
elettroni che possono muoversi liberamente all’interno del conduttore.
L’energia chimica è la capacità di alcune sostanze di combinarsi con
altre sviluppando energia sotto forma di luce, calore, elettricità. Per
esempio, la combustione è una reazione tra una sostanza, detta
combustibile, e l’ossigeno dell’aria. Durante la combustione viene
emessa energia sotto forma di calore e luce.
Il calore è la forma macroscopica nella quale l'energia
passa da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa
di differenze di temperatura.
Lezione 4
26
È importante ricordare che
la temperatura non è assolutamente la
misura del calore.
La temperatura è una proprietà della materia che regola il
trasferimento di energia termica o calore da un sistema ad un altro.
Quando due sistemi sono alla stessa temperatura, si dice che si
trovano in equilibrio termico e non avviene nessun trasferimento di
calore. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore
tenderà a muoversi dal sistema a temperatura più alta verso il
sistema a temperatura più bassa, fino al raggiungimento
dell'equilibrio termico. Il trasferimento di calore può avvenire per
conduzione, convezione o irraggiamento.
La temperatura è correlata alla quantità di energia termica o calore
di un sistema. Se viene aggiunto calore la temperatura sale,
similarmente un decremento di temperatura corrisponde a una
perdita di calore del sistema.
Su scala microscopica, questo calore corrisponde al movimento
casuale degli atomi e delle molecole del sistema. Quindi un
incremento di temperatura corrisponde a un incremento del
movimento degli atomi del sistema.
Lezione 4
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Un pezzo di ferro sembra molto più freddo di un pezzo di plastica alla
stessa temperatura o anche a temperatura inferiore, a causa delle
differenze tra il calore specifico e la conducibilità termica dei due
materiali.
La capacità termica è una proprietà estensiva. Essa coincide con il
rapporto tra il calore somministrato e la variazione di temperatura
prodotta.
Il calore specifico [JXg-1XC-1] (o capacità termica specifica) è la
quantità di calore (J) necessaria ad innalzare di 1 grado Celsius (o
Kelvin) la temperatura di 1 grammo di una sostanza, in assenza di
trasformazioni di fase.
Il calore specifico è una proprietà fisica di ogni sostanza; per una
stessa sostanza risulta diverso per le fasi liquida, solida, gassosa
H20
(s) 2.03 J°C-1g-1;
1
-1g-1;
(l) 4.184
J°C
Lezione 4
(g) 2.01 J °C-1g-28
L'energia potenziale (Ep)di un corpo dipende solo dalla sua massa e
dalla sua posizione in un campo di forza.
Non esiste una sola formula per l’energia potenziale poiché essa dipende
dalla natura delle forze che il corpo sperimenta.
Energia potenziale gravitazionale: relativa ad una particella posta in
un campo gravitazionale; un corpo di massa m posto ad altezza h dal
suolo possiede una Ep gravitazionale pari a
Ep=mgh
L'energia potenziale U di un corpo come il lavoro compiuto dalla gravità quando
il corpo si sposta dalla sua posizione attuale alla superficie di riferimento.
Lezione 4
29
Energia potenziale di Coulomb: relativa ad una particella carica in
un campo elettrostatico; una particella di carica q1 posta alla distanza r
da una seconda particella di carica q2 è proporzionale alle due cariche
ed inversamente proporzionale alla distanza che le separa.
Ep=q1xq2/4πε0r
Lezione 4
30
L’energia cinetica (Ec) coincide con l’energia
che un corpo possiede in virtù del proprio moto
Ec= ½ mv2
La somma dell’energia potenziale (Ep) e dell’energia
cinetica (Ec) rimane costante in un corpo in caduta libera:
essa si chiama energia meccanica (Em).
ENERGIA CINETICA
Ec = 1 m v 2
2
ENERGIA POTENZIALE
+
Lezione 4
Ep = mgh
= cost
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Il Principio di Conservazione dell’Energia
Julius Robert von Mayer fu il primo a
enunciare esplicitamente il principio di
conservazione dell’energia
Le varie forme di energia
(Chimica, Elettrica, Magnetica,
Meccanica, Calore) si possono
trasformare una nell’altra, ma
l’energia totale rimane costante
Lezione 4
Julius Robert von Mayer
(1814-1878)
32
A livello microscopico
Ein
Etotale = U Lezione
+ T4= costante
33
PRINCIPIO di CONSERVAZIONE
dell'ENERGIA
Etotale = costante
(sistema isolato)
oppure
∆Etotale = 0
(sistema isolato)
Lezione 4
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Massa-Energia
• Oggi
i
due
principi
fondamentali
di
conservazione sono stati riuniti in un unico
principio: la conservazione della massa-energia
E=
2
mc
Albert Einstein (1879
(1879--1955)
Lezione 4
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