Capitolo 2. Gli atomi e teoria atomica. 2009/10

Capitolo 2: Gli Atomi e la Teoria Atomica
Prime Scoperte
Lavoisier 1774
La Legge di Conservazione della Massa
Proust 1799
Legge della Composizione Costante
Dalton 1803-1808
Teoria Atomica
La Teoria Atomica di Dalton
Ogni elemento chimico è composto da microscopiche
particelle dette atomi.
Non è possibile creare o distruggere gli atomi in una
reazione chimica.
Tutti gli atomi di un medesimo elemento hanno le stesse
proprietà.
I composti si formano quando si combinano gli atomi di
diversi elementi
Legge delle proporzioni definite
Un composto puro, qualunque sia l’origine o il modo di
preparazione, contiene sempre quantità definite e
costanti degli elementi proporzionali alla loro massa
Anidride Carbonica (CO2):
Carbonio: 27,3 %
Ossigeno: 72,7 %
Ossido di Carbonio (CO):
Carbonio: 42,9 %
Ossigeno: 57,1 %
Gli Elettroni e le Scoperte della Fisica Atomica
Vari esperimenti condotti all'inizio del 1900 dimostrarono che gli
atomi non sono indivisibili ma costituiti da particelle più piccole
(elementari).
La scoperta degli elettroni
Se a due elettrodi posti alle estremità di un tubo in cui è fatto il
vuoto viene applicato un alto voltaggio, dall'elettrodo negativo
(catodo) si dipartono dei raggi detti raggi catodici.
Thomson dimostrò che tali raggi sono costituiti da un flusso di
particelle cariche negativamente che chiamò elettroni.
Tubo a raggi catodici
La deviazione di un
raggio catodico da
parte di un campo
elettrico e di un
campo magnetico
Elettrone m/e = -5.6857 x 10-9 g coulomb-1
La Carica dell’Elettrone
 Tra il 1906-1914 Robert Millikan dimostrò che la caduta di
goccioline ionizzate di olio poteva essere fermata/rallentata
applicando un campo elettrico.
Il valore della carica su una gocciolina è un multiplo intero
della carica dell’elettrone, e.
L’Atomo Nucleare
Geiger e Rutherford
1909
La Dispersione delle Particelle α
 La maggior parte della massa e tutta
la carica positiva è concentrata in
una regione molto piccola detta
nucleo .
 Il n. di elettroni esterni al nucleo è
uguale al n. delle cariche positive
nel nucleo.
L’Atomo Nucleare
Rutherford
protoni 1919
James Chadwick
neutroni 1932
La Struttura del Nucleo
Diametro dell’atomo 10-8 cm
Diametro del nucleo 10-13 cm
1Å
Particella
Elettrone
Protone
Neutrone
Massa
kg
9.109 x 10-31
1.673 x 10-27
1.675 x 10-27
amu
0.000548
1.00073
1.00087
Carica
Coulombs
–1.602 x 10-19
+1.602 x 10-19
0
(e)
–1
+1
0
Dimensioni degli Atomi
L’atomo più pesante ha una massa di soli 4.8 x 10-22 g
e un diametro di 5 x 10-10 m.
Unità di misura:
 1 amu (atomic mass unit) = 1.66054 x 10-24 kg
 1 pm (picometer) = 1 x 10-12 m
 1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm
Numeri atomici e numeri di massa
• Tutti gli atomi di un dato elemento hanno lo
stesso numero di protoni
• Il numero di protoni in un atomo prende nome
di numero atomico, Z
• Gli atomi neutri hanno ugual numero di protoni
ed elettroni
• Gli atomi variano la carica elettronica
acquistando o cedendo elettroni (non i protoni)
• La somma dei protoni e neutroni in un atomo
pende nome di numero di massa, A
Numeri atomici e numeri di massa
Simbolismo per rappresentare un determinato atomo:
numero di massa
carica
A
X
Z
numero atomico
n
Simbolo dell’elemento
Esempio
Determinare il numero di elettroni, protoni, e
neutoni nel seguente atomo.
40
Ar
18
40
Ar
18
Z = 18, quindi sono presenti 18 protoni
A = 40,
A = # di protoni + # di neutroni
Quindi, # neutroni = A − # protoni
40 – 18 = 22 neutroni
Carica, n = 0, quindi # di e– = 18
Isotopi
• Atomi che hanno un uguale numero di
protoni ma un diverso numero di neutroni.
Z rimane identico, A (il mumero di massa)
cambia
• Il n. di elettroni non è rilevante
Abbondanza isotopica
Un campione naturale di zolfo
contiene diversi isotopi
aventi la seguente abbondanza
Isotopo % abbondanza
32S
95.02
33S
0.75
34S
4.21
32S,
36S
0.02
16
33S, 34S, 36S
16
16
16
# di atomi di un dato isotopo
% Abbondanza = ──────────────────────────── x 100
Somma # di atomi di tutti gli isotopi nell’elemento
Determinazione delle Masse Atomiche
•Spettrometro di massa.
–Strumento che
genera ioni che
attraversando un
magnete vengono
deflessi in base alla
loro massa.
Alla massa dell’isotopo
carbonio-12 si attribuisce
una massa di riferimento
pari a 12 uma.
Le masse degli altri
elementi si basano su
questo riferimento
Tavola Periodica(*)
(*) organizzata da Mendeleev (1869) basandosi sulle masse atomiche, poi modificata
da Moseley (1913) basandosi sul numero atomico degli elementi.
•
•
Una lista di elementi ordinata in accordo alle loro proprietà chimiche e
fisiche
I Gruppi o Famiglie contengono elementi con proprietà simili posizionati in
colonne verticali
• I Periodi sono righe orizzontali di elementi. Ciascun periodo viene
identificato da un numero, da 1 a 7.
Che cosa troviamo nella Tavola Periodica
•Masse atomiche degli elementi.
•Stati di ossidazione.
•Configurazioni elettroniche degli elementi.
•Proprietà fisiche e chimiche degli elementi.
La Tavola Periodica
Gruppi
• In base al numero o all’elemento chimico che li
caratterizza
• Alcuni hanno dei nomi:
Gli Elementi Rappresentativi
• Metalli alcalini - gruppo 1A
• Matalli alcalino terrosi - gruppo 2A
• Gas nobili - gruppo 8A
• Alogeni- gruppo 7A
• Calcogeni - gruppo 6A
• Gruppo dell’azoto - gruppo 5A
Metalli Alcalini
Gruppo 1A(1), i metalli alcalini: litio, sodio,
potassio rubidio, cesio, e francio.
Alogeni
Gruppo 7A(17) gli
alogeni: fluoro,
cloro, bromo, e
iodio.
Elementi Rappresentativi
1
1A
1 1
1.008
3
2
2A
4
Li
Be
H
6.941 9.012
11
12
3
3B
21
4
4B
22
5
5B
23
Ca
Sc
Ti
V
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Cs
Ba
La
Hf
Ta
Na
Mg
K
22.99 24.31
19
20
39.10 40.08 44.96 47.88 50.94
37
38
39
40
41
6
6B
24
Cr Cr
85.47 87.62 88.91 91.22 92.91
55
56
72
73
57
7
7B
25
8
8B
26
9
8B
27
10
8B
28
11
1B
29
12
2B
30
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
Os
Ir
Pt
Au
Hg
52.00 9854.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39
42
43
44
45
46
47
48
Mo
Tc
95.94
74
(98)
75
W
Re
13
3A
5
14
4A
6
15
5A
7
16
6A
8
17
7A
9
4.003
10
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Tl
Pb
Bi
68
26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95
31
32
33
34
35
36
69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80
49
50
51
52
54
53
101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3
76
77
79
80
81
82
83
84
85
86
78
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
140.1 140.9 144.2
92
90
91
(147)
93
232.0
(237)
Pa
(231)
U
238.0
He
10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18
13
14
15
16
17
18
132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.8 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 207.2 209.0
88
89
104
105
106
107
108
109
87
Fr
Ra
Ac
Unq Unp Unh Uns
Uno
Une
(223) (226) (227) (257) (260) (263) (262) (265) (266)
Th
18
8A
2
Np
Er
Po
(210)
At
Rn
(210)
(222)
69
70
71
Tm
Yb
Lu
150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Pu
(242)
Am
(243)
Cm
(247)
Bk
(247)
Cf
(249)
Es
(254)
Fm
(253)
Md
(256)
No
(254)
Lw
(257)
Elementi di Transizione
1
1A
1 1
1.008
3
2
2A
4
Li
Be
H
6.941 9.012
11
12
3
3B
21
4
4B
22
5
5B
23
Ca
Sc
Ti
V
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Cs
Ba
La
Hf
Ta
Na
Mg
K
22.99 24.31
19
20
39.10 40.08 44.96 47.88 50.94
37
38
39
40
41
6
6B
24
Cr Cr
85.47 87.62 88.91 91.22 92.91
55
56
72
73
57
7
7B
25
8
8B
26
9
8B
27
10
8B
28
11
1B
29
12
2B
30
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
Os
Ir
Pt
Au
Hg
52.00 9854.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.39
42
43
44
45
46
47
48
Mo
Tc
95.94
74
(98)
75
W
Re
13
3A
5
14
4A
6
15
5A
7
16
6A
8
17
7A
9
4.003
10
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Tl
Pb
Bi
68
26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95
31
32
33
34
35
36
69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80
49
50
51
52
54
53
101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3
76
77
79
80
81
82
83
84
85
86
78
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
140.1 140.9 144.2
92
90
91
(147)
93
232.0
(237)
Pa
(231)
U
238.0
He
10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18
13
14
15
16
17
18
132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.8 186.2 190.2 192.2 195.1 197.0 200.6 204.4 207.2 209.0
88
89
104
105
106
107
108
109
87
Fr
Ra
Ac
Unq Unp Unh Uns
Uno
Une
(223) (226) (227) (257) (260) (263) (262) (265) (266)
Th
18
8A
2
Np
Er
Po
(210)
At
Rn
(210)
(222)
69
70
71
Tm
Yb
Lu
150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Pu
(242)
Am
(243)
Cm
(247)
Bk
(247)
Cf
(249)
Es
(254)
Fm
(253)
Md
(256)
No
(254)
Lw
(257)
Metalli, Non-metalli e Semimetalli
Gli elementi sono classificati in due categorie principali metalli e
non-metalli divisi sulla tavola da una linea a zigzag
I metalli sono solidi (eccetto il mercurio) con una caratteristica
lucentezza, malleabilita e duttilità; sono inoltre buoni conduttori
di calore ed elettricità
I non-metalli sono gas o solidi (eccetto il bromo) che non
presentano caratteristiche metalliche
Gli elementi attorno alla linea a zigzag hanno caratteristiche
intermedie fra metalli e non-metalli e sono noto come
semimetalli o metalloidi. (B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At)
Le caratteristiche metalliche aumentano da destra verso sinistra
e dall’alto verso il basso.
Gas Nobili
• Sono gli elementi meno reattivi
• Sono gas, poco abbondanti sulla Terra, però
l’elio è l’elemento più abbondante
nell’universo dopo l’idrogeno
• Il Neon viene utilizzato nelle insegne
luminose
• Alcuni laser utilizzano He, Ar, Kr
La Mole
Mole: è unità di misura.
• Fisicamente è impossibile contare gli atomi.
• E’ necessario mettere in relazione il n. di atomi
con una massa misurabile.
Numero di Avogadro
• La quantità di atomi, ioni, molecole, elettroni in un
composto sono misurati in moli.
• 1 mole di atomi, … = 6.0221367 × 1023 unità
(6.0221367 × 1023 = N Numero di Avogadro).
• in1 mole di atomi di 12C vi sono 6.02 x 1023 atomi
• in 1 mole di molecole di H2O vi sono 6.02 x 1023 molecole
• in1 mole di ioni NO3- vi sono 6.02 x 1023 ioni
Massa Molare
• La massa molare, M, è la massa in grammi di una
mole di sostanza, ed è numericamente uguale al
peso atomico/molecolare della sostanza
Massa molare di Na
= 22.990 g/mol
Massa molare di Cl
= 35.453 g/mol
Massa molare di O
= 15.999 g/mol
Per definizione, 1 mole of 12C = 12 g.
(12g/mol)
Calcoli di moli
1)
grammi ⇒ moli
A quante moli corrispondono 10,0 g di C2H5OH ?
PM(C2H5OH) =12,0 x 2 +16,0 + 6 x 1,01= 46,1 u.m.a.
Massa molare = 46,1 g/mol
massa( g)
numero di moli (n) =
massa molare (g/mol)
n=
10,0 g
= 0,217 mol
46,1 g/mol
2)
Moli ⇒
grammi
Quanto pesano 0,0654 moli di ZnI2 ?
PM(ZnI2)= 65,39 + 126,90 x 2= 319,2 u.m.a.
Massa molare di ZnI2= 319,2 g/mol
Peso = 0,0654 mol x 319,2 g/mol= 20,9 g
Esercizio
• Quanti atomi di C ci sono in 0.350 moli di
C6H12O6 (glucosio)?
Atomi di C = [0.350 moli C6H12O6 x (6.02 x 1023
molecole/1 mol C6H12O6) x (6 C atomi/1 molecola)] =
1.26 x 1024 C atomi
Esercizio
Convertire le moli in massa
• Calcolare il numero di moli di glucosio
contenute in 5.380 g. (glucosio C6H12O6; PM 180
g/mol)
• Moli di C6H12O6 = [5.380 g C6H12O6 x (1 mole
C6H12O6/ 180 g C6H12O6)] = 0.02989 mol C6H12O6
In pratica: moli di A = grammi di A / PA o PM di A
Esercizio
Convertire la massa in n. particelle
• Calcolare il numero di atomi presenti in 3 g
of Cu? (PA 63,5 g/mol)
• Atomi di Cu = [3 g Cu x (1 mole Cu/63,5g
Cu) x (6.02 x 1023 atomi Cu/1 mole Cu)] =
2,84 x 1022 atomi di Cu
Esempio 2-8
Combinazione di diversi fattori di conversione in un
problema. Massa Molare, Costante di Avogadro,
Abbondanze Percentuali
Il potassio-40 è uno dei pochi isotopi radioattivi
naturali degli elementi a basso numero atomico. La
sua abbondanza percentuale è 0.012%.
Quanti atomi di 40K sono presenti in 371 mg di K?
(PA = 39,1)
Soluzione
1. Convertire la massa del K (mg K) in moli di K (mol K)
mK (g) x 1/MK (mol/g)  nK(mol)
nK = (0.371 g)
x (1 mol) / (39.10 g)
= 9.49 x 10-3 mol K
2. Convertire le moli di K in atomi di 40K
nK(mol) x NA  atomi K x 0.012%  atomi 40K
atomi 40K = (9.49 x 10-3 mol) x (6.022 x 1023 atomi /mol)
x (1.2 x 10-4 40K/K) = 6.9 x 1017
40K
atomi
Radioattività
La radioattività è un fenomeno spontaneo e implica
l’emissione di radiazioni da parte di una sostanza.
Raggi X e γ sono radiazioni ad alta energia.
Particelle α sono i nuclei dello ione, He2+.
Particelle β sono elettroni ad alta velocità che
si originano nel nucleo.