Corso Icaro

Corso ICARO
Manutentori di Aeromobili
MODULO DI FISICA
2.1 MATERIA
Natura della materia: gli elementi chimici, struttura degli atomi, molecole;
Un numero abbastanza piccolo di strutture fondamentali costituisce il mondo in cui viviamo.
Si è infatti scoperto che tutte le cose che ci circondano sono il risultato della combinazione di un centinaio di
atomi diversi: 92 specie di atomi sono quelli che si trovano in natura, circa dieci sono quelli che si possono
creare artificialmente.
L’atomo più leggero è quello di idrogeno, quello più pesante ( fra quelli naturali ) quello di Uranio.
Gli atomi hanno tuttavia una struttura interna: sono costituiti da un nucleo pesante ( costituito da protoni e
neutroni) circondato da una nube di elettroni in rapidissimo movimento.
In un atomo allo stato neutro il numero di protoni é uguale al numero degli elettroni.
Negli ioni si hanno elettroni in eccesso o in difetto.
I protoni hanno carica elettrica positiva, i neutroni hanno carica elettrica nulla, gli elettroni hanno carica
elettrica negativa
La massa dei protoni è quasi uguale a quella dei neutroni, ma é molto maggiore ( 1836 volte ) di quella degli
elettroni.
Le tre particelle hanno inoltre un momento magnetico intrinseco che é proporzionale al numero quantico di
spin
Carica
( in coulomb )
Massa
( in Kg )
numero di Spin
elettrone
- 1,6 10-19
9,11 10-31
1/2
protone
+ 1,6 10-19
1,673 10-27
1/2
neutrone
0
1,675 10-27
1/2
Particella
( in unità h / (2π))
h = 6,62 10-34 J·s é la costante di Planck
I protoni e i neutroni vengono denominati “nucleoni” poiché residenti nel nucleo.
Ogni atomo é un sistema formato, in generale, da molte particelle in moto: il nucleo molto pesante si può
considerare praticamente immobile rispetto agli elettroni.
Il sistema nucleo – elettroni risulta legato a causa della forza elettrica coulombiana che fa interagire gli
elettroni e i protoni del nucleo ( essendo particelle di segno opposto la forza é attrattiva ).
Il nucleo ( formato da protoni e neutroni ) risulta stabile a causa della presenza di forze nucleari ( interazione
forte ) che riescono a tenere incollati tali particelle.
Le leggi fisiche che vigono nell’atomo e nel nucleo sono diverse ( e più complicate ) di quelle della fisica
classica: abbiamo la “fisica quantistica”, la “cromodinamica quantistica”, ecc.
Le proprietà chimiche degli elementi ( cioè le proprietà che portano gli atomi a legarsi fra di loro per formare
composti più complessi, chiamati molecole ) dipendono dal numero di elettroni presenti nella nube
elettronica ( tavola periodica di Mendeleef ).
In tutte le tavole degli elementi chimici, riportati nei manuali, sono sempre riportate: il Numero atomico
(simbolo Z ), il numero di massa ( simbolo A ) oppure il peso atomico ( detto dai fisici massa atomica ) Z
rappresenta il numero di protoni; A rappresenta il numero di protoni + neutroni; il peso atomico o massa
atomica rappresenta il peso di ogni atomo relativo al peso della 12a parte dell’atomo di carbonio 12.
Pertanto quando scriviamo un elemento talvolta ne indichiamo il numero atomico, il numero di massa oppure
la massa atomica:
Esempio:
3
𝐿𝑖6,91
l’elemento è il litio, 3 è il numero atomico, 6,941 è il peso atomico o massa atomica.
Altro esempio
238
𝑈92
l’elemento è l’Uranio, 92 è il numero atomico Z , 238 è il numero di massa A
Un isotopo (letteralmente nello stesso luogo) è un atomo di uno stesso elemento chimico, e quindi con lo
stesso numero atomico Z, ma con differente numero di massa A, e quindi differente massa atomica M.[1] La
differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a
parità di numero atomico
Composti chimici;
Le molecole si formano dall’unione di uno o più atomi o dello stesso tipo e/o di tipo diverso.
•
•
•
se a legarsi sono atomi dello stesso tipo avremo molecole biatomiche, triatomiche, .., legami
metallici (vedi O2; H2; P3 );
se a legarsi sono atomi di tipo diverso avremo composti inorganici oppure organici ( vedi H2O; CH4
);
i composti potranno essere binari ( es. HCl; CO2 ), ternari ( es. NaOH; H2SO4 ), quaternari, ecc., a
secondo che a legarsi siano due o tre atomi di tipo diverso.
Tutti i legami chimici ( sia di tipo covalente, ionico ) sono dovuti a forze di natura elettrica.
Valenza
Valenza è un termine usato per indicare la capacità degli atomi di combinarsi con altri elementi (legame
chimico). Esprime il numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando forma
legami con altri atomi.
Legame covalente
Un legame covalente è un legame che s'instaura fra due atomi appartenenti allo stesso elemento. In pratica si
stabilisce una interazione (cioè il legame) tra atomi dello stesso tipo: è il caso tipico dell'idrogeno,
dell'ossigeno.
Alcuni legami covalenti, detti delocalizzati, possono legare insieme tre o più atomi contemporaneamente,
come nei borani e nei composti aromatici.
Legame metallico
La forma più estrema di delocalizzazione del legame covalente si ha nel legame metallico. Secondo questo
modello un metallo può essere rappresentato come un reticolo cristallino di ioni positivi tenuti uniti da una
nube di elettroni condivisi estesa a tutto il reticolo; essendo tali elettroni non legati a nessun atomo
particolare, risultano essere estremamente mobili; tale mobilità è responsabile della elevata conducibilità
elettrica dei metalli.
Legame ionico
Il legame ionico è un legame tra ioni con carica di segno opposto. Tali ioni si formano da atomi aventi alta
differenza di elettronegatività: in queste condizioni, l'atomo più elettronegativo (quindi caratterizzato da una
elevata energia di ionizzazione ed elevata affinità elettronica) priva l'altro atomo meno elettronegativo
(caratterizzato da una bassa energia di ionizzazione ed una affinità elettronica quasi assente) di un elettrone;
il primo atomo diventa uno ione con carica negativa, il secondo uno ione con carica positiva.
E' il tipo più semplice di legame chimico, sia dal punto di vista concettuale sia da quello della sua
descrizione analitica, essendo interpretabile in base alle leggi classiche dell'elettrostatica.
Il peso molecolare di ogni composto molecolare rappresenta il peso di ogni molecola relativo al peso
della12a parte dell’atomo di carbonio.
Il peso molecolare si ricava facilmente se si conosce la formula chimica della molecola e il peso atomico dei
suoi componenti.
Es.
il peso molecolare della H2O è 18.
Infatti il peso atomico dello H è 1 e dello O è 16.
Peso molecolare H2O = 2 x 1 +16 = 18.
Orbitali
Stati di aggregazione: solido, liquido, gassoso;
Quando sono abbastanza vicine ( distanza dell’ordine di 10-7 m) le molecole tendono ad attrarsi a causa di
forze elettriche dette “forze intermolecolari”:
Le “forze intermolecolari” diventano repulsive quando le molecole sono eccessivamente vicine e diventano
nulle se le molecole sono abbastanza distanti.
Le forze intermolecolari spiegano i fenomeni di coesione e adesione fra molecole diverse.
Mentre le forze intermolecolari tendono a tenere uniti le varie molecole, l’agitazione termica tende a tenerle
lontane.
I differenti stati di aggregazione delle sostanze ( solido, liquido, gassoso) sono effetto della diversa entità
delle forze molecolare e del diverso apporto dell’agitazione termica.
Nei solidi le forze intermolecolari prevalgono sulle forze di agitazione termica: tali corpi hanno forma e
volume proprio;
Nei liquidi c’è un sostanziale equilibrio: tali corpi hanno volume proprio, forma uguale a quella del
recipiente dove sono contenuti;
Nei gas le forze di agitazione prevalgono abbondantemente: tali non hanno né forma, né volume proprio.
Cambiamento di stato fisico
Modificando la temperatura e la pressione di un qualsiasi corpo è possibile modificarne lo stato di
aggregazione.
Il passaggio da solido a liquido prende il nome di fusione;
Il passaggio da liquido a solido prende il nome di solidificazione;
Il passaggio da liquido a gas prende il nome di vaporizzazione / ebollizione;
Il passaggio da gas a liquido prende il nome di liquefazione.
Il passaggio da solido a gas prende il nome di sublimazione;
Il passaggio da gas a solido prende il nome di sublimazione o brinamento
Isotopi
Un isotopo (letteralmente nello stesso luogo) è un atomo di uno stesso elemento chimico, e quindi con lo
stesso numero atomico Z, ma con differente numero di massa A, e quindi differente massa atomica M.[1] La
differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a
parità di numero atomico
Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni o Atomico(Z) e del numero di
neutroni (n°) contenuti nel nucleo
A = Z + n°