La struttura atomica
ó
ó
Che cosa afferma la teoria di Dalton
sulla struttura della materia?
Quali furono i contributi
di Rutherford e di Thomson
allo sviluppo della teoria atomica?
struttura
2 Ladell’atomo
ó
ó
ó
ó
CONCETTI IN AZIONE
Costruzioni su piccola scala
Quali sono le tre particelle
subatomiche?
Quali proprietà possono essere
utilizzate per confrontare elettroni,
protoni e neutroni?
In cosa gli atomi di un elemento
sono diversi da quelli di un altro
elemento?
Qual è la differenza tra due isotopi
dello stesso elemento?
FOCUS TECH
Microscopio a effetto tunnel
moderna teoria
3 Laatomica
lezione
lezione
1 Studiare
gli atomi
lezione
unità
64
D
CHIMICA
ó
ó
ó
Che cosa può accadere agli elettroni
quando gli atomi assorbono
o cedono energia?
Quale modello utilizzano
gli scienziati per descrivere
il comportamento degli elettroni
negli atomi?
Qual è la configurazione elettronica
più stabile in un atomo?
IN LABORATORIO
Utilizzare i saggi alla fiamma
SCIENZA E STORIA
I modelli atomici
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Chimica e Fisica - Concetti in azione
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LA CHIMICA INTORNO A NOI
In quale modo le leggi della chimica
si possono applicare alla vita di tutti
i giorni? Saprai rispondere alle seguenti
domande dopo aver letto questa unità.
˘ Per cosa sono utilizzate le particelle
non visibili a occhio nudo?
˘ Quali particelle subatomiche producono
le immagini sugli schermi televisivi e sui
monitor dei computer?
65
˘ In che modo il tipo di atomo di idrogeno
presente nell’acqua ne modifica
le proprietà?
˘ In che modo i fuochi d’artificio
producono i colori che vediamo quando
questi esplodono?
PER INCOMINCIARE
˙ Come possiamo studiare gli oggetti non visibili?
1. Fai delle osservazioni sperimentali sul contenuto di due sacchetti
sigillati e prendine nota. Per effettuare le tue osservazioni utilizza
il senso del tatto, dell’olfatto e dell’udito.
2. Basandoti sulle tue osservazioni, fai delle previsioni su cosa può essere
contenuto in ciascun sacchetto. Decidi se ciascun sacchetto contiene
uno o più oggetti.
3. L’insegnante farà una lista sulla lavagna delle previsioni fatte da tutta
la classe.
1. Quali prove sperimentali hai utilizzato per prevedere quanti e quali
oggetti fossero contenuti nei sacchetti?
2. Prendi nota di una delle previsioni fatte che corrisponde esattamente
alle osservazioni anche meglio delle tue previsioni.
3. Proponi un esperimento per testare la previsione.
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Chimica e Fisica - Concetti in azione
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lezione
unità
D Studiare
1 gli atomi
66
parole chiave
ΩΩnucleo
ΩΩparticella alfa
2 figura 1
Aristotele
sosteneva che
tutte le sostanze
fossero costituite
solo da quattro
elementi: terra,
aria, acqua e
fuoco. Questi
elementi erano
la combinazione
di quattro
proprietà della
materia: caldo,
freddo, umido
e secco. Ad
esempio, il
fuoco era la
combinazione
di caldo e secco,
l’acqua di freddo
e umido.
1
I modelli atomici degli antichi greci
Se tagliamo un foglio di alluminio in due parti
uguali, otteniamo due pezzi più piccoli dello stesso
lucente e flessibile materiale. Possiamo procedere
in questo modo, tagliando i pezzi di alluminio in
parti sempre più piccole, ma quando dobbiamo
fermarci? I filosofi greci hanno affrontato questo
argomento circa 2500 anni fa.
Il filosofo Democrito credeva che tutta la materia
fosse costituita da particelle estremamente piccole
che non potevano essere divise. Egli chiamò queste particelle atomi, dalla parola greca atomos che
significa “indivisibile”. Democrito sosteneva che
dovevano esistere differenti tipi di atomi, ciascuno con specifiche proprietà: ad esempio gli atomi che costituivano sostanze
liquide erano rappresentati rotondi e
lisci, mentre quelli che costituivaterra
no i solidi erano rugosi e spinosi.
Aristotele, invece, non si poneva
il problema che la materia potesse essere suddivisa e se ci fosse un
acqua
limite al numero di volte in cui questo
poteva essere fatto: egli infatti interpretava la materia come una combinazione
o
aria
um
o
fre
id
dd
o
o
fuoco
cc
ld
tudiare la struttura degli atomi è un po’ come
studiare il vento: poiché non possiamo vedere
l’aria, dobbiamo utilizzare una prova indiretta per
descrivere la direzione del vento. Ad esempio, possiamo osservare lungo quale direzione cadono le
foglie degli alberi quando sono spinte dal vento e
dedurre che il vento si sta muovendo nella stessa
direzione.
Gli atomi pongono gli stessi problemi di studio
poiché sono delle particelle così piccole che gli
scienziati non riescono a vederne la struttura
nemmeno al microscopio. In questo capitolo scopriremo in che modo John Dalton, J. J. Thomson,
Ernest Rutherford, Niels Bohr e altri scienziati
hanno utilizzato i risultati di diversi esperimenti
per sviluppare i modelli atomici.
se
ca
S
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1 figura 2
Il magnesio reagisce con l’ossigeno per formare l’ossido
di magnesio. Il rapporto tra la massa di magnesio e quella
di ossigeno nel composto è di 3 : 2.
D Qual è il colore dell’ossido di magnesio?
di quattro elementi, acqua, aria, terra e fuoco, come
mostrato in figura 1. L’interpretazione aristotelica
della struttura della materia è stata accettata per
molti secoli, ma a partire dal 1800, grazie a numerosi esperimenti, gli scienziati hanno raccolto dati
sufficienti a supportare il modello atomico.
2
La teoria atomica di Dalton
John Dalton, nato in Inghilterra nel 1766, era un
insegnante che trascorreva il tempo libero effettuando esperimenti scientifici. Poiché il suo interesse principale erano le previsioni del tempo,
Dalton studiava il comportamento dei gas nell’aria.
Proprio basandosi sul modo in cui un gas esercita
una pressione, dedusse correttamente che un gas è
costituito da particelle singole.
Prove dell’esistenza degli atomi
Dalton ottenne la prova dell’esistenza degli atomi
misurando la massa degli elementi che si combinano
quando si formano i composti. Egli notò che tutti i
composti avevano qualcosa in comune: non importa
quanto grande o piccolo sia un campione, qualunque sia la quantità di materia osservata il rapporto tra le masse degli elementi che costituiscono un composto è sempre lo stesso. In altre
parole, i composti hanno una composizione fissa.
Ad esempio, quando il magnesio brucia, come
mostrato in figura 2, si combina con l’ossigeno e
il prodotto di questa reazione è un solido bianco
chiamato ossido di magnesio; per formare questo
composto, un campione di 100 grammi di magnesio si combina con 65,8 grammi di ossigeno, mentre
un campione da 10 grammi di magnesio si combina
con 6,58 grammi di ossigeno: il rapporto tra la massa
di magnesio e la massa di ossigeno è costante.
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:52:48
”” Tutti gli elementi sono composti da atomi.
”” Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la
stessa massa e gli atomi di elementi diversi hanno
masse diverse.
”” I composti contengono atomi di uno o più elementi.
”” In un particolare composto, gli atomi di diversi elementi si combinano sempre nello stesso
modo.
In questo modello, gli elementi sono rappresentati
come sfere solide come quelle mostrate in figura
3. Ciascun tipo di atomo è rappresentato da una
piccola sfera solida e a ogni tipo di atomo è associata una ben determinata massa.
Dobbiamo ricordare che una teoria deve spiegare i risultati di molti esperimenti per essere accettata. Poiché la teoria di Dalton raggiungeva
questo obiettivo, in un primo momento fu accettata. Con il passare del tempo, però, gli scienziati
osservarono che non tutte le idee di Dalton erano completamente corrette. Questo, tuttavia, non
fece sì che la teoria atomica fosse completamente
abbandonata da parte degli scienziati che, invece, la riesaminarono tenendo conto delle nuove
scoperte.
3
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raggio
luminoso
a
+
Quando alcuni materiali sono strofinati acquistano la capacità di attrarre o respingere altri materiali: ad esempio il vetro e l’ambra possiedono
questa proprietà. In base al loro comportamento,
si dice che alcuni materiali hanno carica elettrica
positiva e altri carica elettrica negativa. Gli oggetti
con la stessa carica si respingono, mentre quelli
con carica opposta si attraggono.
Le particelle cariche possono fluire da un punto
all’altro: un flusso di particelle cariche è chiamato corrente elettrica. Quando accendi un
elettrodomestico, come un asciugacapelli, la corrente fluisce dalla presa elettrica all’elettrodomestico. Joseph John Thomson (1856-1940), utilizzò
proprio una corrente elettrica per approfondire le
conoscenze sugli atomi.
1 figura 3
Dalton costruì
queste sfere
di legno per
rappresentare
gli atomi di
elementi diversi.
67
Prova dell’esistenza di particelle
subatomiche
Thomson concluse che le particelle nel fascio
avessero una carica negativa poiché erano attratte
dal piatto positivo. Egli inoltre ipotizzò che le particelle provenissero dall’interno dell’atomo. Aveva
due risultati a supporto della sua ipotesi: per prima
cosa, qualsiasi metallo Thomson avesse utilizzato
per i due dischi, le particelle prodotte erano identiche e poi, le particelle avevano una massa pari a
circa 1/2000 della massa dell’atomo di idrogeno,
l’atomo più leggero.
tubo di vetro sigillato riempito
con aria a bassa pressione
Il modello atomico di Thomson
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Gli esperimenti di Thomson
Thomson utilizzò un apparato sperimentale come
quello mostrato in figura 4a. Al centro dell’apparato è posto un tubo di vetro sigillato da cui è rimossa gran parte dell’aria. Alle due estremità del
tubo sono posti due dischi di metallo, connessi attraverso dei fili al generatore di corrente elettrica.
Quando si accende il generatore, uno dei dischi si
carica positivamente e l’altro negativamente e nello spazio tra i due dischi appare un fascio luminoso.
Thomson ipotizzò che il fascio luminoso fosse un
flusso di particelle cariche che interagiva con l’aria
residua presente nel tubo producendo delle scintille. In un esperimento successivo Thomson cercò
di verificare questa ipotesi: egli sistemò una coppia
di piatti di metallo carichi sui due lati del tubo di
vetro, come mostrato in figura 4b e osservò che
la presenza dei piatti causava una deflessione del
fascio luminoso rispetto al suo percorso rettilineo:
il fascio era allontanato dal piatto carico negativamente e attratto dal piatto carico positivamente.
–
piatto di metallo
piatto di metallo
sorgente di corrente
elettrica
piatto
positivo
b
+
–
piatto
negativo
piatto di metallo
sorgente di corrente
elettrica
3 figura 4
Thomson
utilizzò un tubo
sigillato per i suoi
esperimenti.
[a] Quando
si accende
il generatore
di corrente i dischi
si caricano e un
fascio luminoso
appare nel tubo.
[b] Il fascio
è attratto da
una piastra carica
positivamente
sistemata
all’esterno
del tubo.
D Qual è la carica
delle particelle
del fascio?
la struttura atomica
Teoria di Dalton
Dalton sviluppò una teoria che spiega perché gli
elementi in un composto si combinano sempre
allo stesso modo. Egli propose che tutta la materia fosse costituita da particelle singole chiamate atomi, che non possono essere divisi
in porzioni più piccole. I punti principali della
teoria di Dalton possono essere riassunti come
segue.
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:52:50
D1
studiare gli atomi
La scoperta di Thomson cambiò il modo in cui
gli scienziati vedevano gli atomi: prima di questi esperimenti, il modello accettato era quello di
una sfera solida di materia che non poteva essere
diviso in parti più piccole. Gli esperimenti di
Thomson fornirono la prima prova del fatto
che gli atomi sono costituiti da particelle più
piccole. Thomson, quindi, revisionò il modello di
Dalton per fare in modo che si accordasse con la
presenza di queste particelle subatomiche.
68
1 figura 5
Il gelato alla
stracciatella può
rappresentare
il modello
di Thomson
dell’atomo.
I pezzi di
cioccolato
rappresentano
particelle cariche
negativamente
disperse nella
materia carica
positivamente,
la crema
di vaniglia.
Il modello di Thomson
Un atomo è neutro, cioè non possiede né carica
positiva né carica negativa. Come può un atomo
contenere particelle negative se è neutro? Affinché
l’atomo sia neutro, deve contenere anche delle cariche positive. Nel modello dell’atomo di Thomson, le cariche negative sono uniformemente distribuite all’interno di un atomo costituito da una
massa di materia carica positivamente. Il modello
è chiamato modello a “panettone” dal nome del
famoso dolce natalizio: la pasta del panettone rappresenta la massa carica positivamente e l’uvetta e
i canditi gli elettroni negativi distribuiti all’interno
della massa positiva. Oppure puoi vedere il modello di Thomson come un gelato alla stracciatella in
cui i pezzetti di cioccolata rappresentano le cariche
negative, mentre la crema alla vaniglia può essere
vista come la massa carica positivamente (figura 5):
quando i pezzi di cioccolata sono sparsi nel gelato,
la loro carica negativa bilancia esattamente la carica positiva della crema di vaniglia.
4
La teoria atomica di Rutherford
Quando provi a fare qualcosa di nuovo, hai delle
aspettative sui risultati. Ma i risultati che ottieni
sono sempre in accordo con le tue aspettative o
qualche volta ti sorprendono? Anche gli scienziati
possono essere sorpresi dai risultati dei loro esperimenti, ma i risultati inaspettati possono portare
a importanti scoperte: è proprio ciò che accadde a
Ernest Rutherford (1871-1937).
L’ipotesi di Rutherford
Nel 1899 Ernest Rutherford scoprì che l’uranio
emetteva particelle veloci con carica positiva che
chiamò particelle alfa. Nel 1909, Rutherford
chiese a un suo studente, Ernest Marsden, di studiare che cosa accadeva quando queste particelle
attraversavano un sottile foglio d’oro.
Dobbiamo ricordare che nel modello atomico
di Thomson le particelle negative sono distribuite all’interno di una massa carica positivamente.
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Basandosi su questo modello, Rutherford ipotizzò
che la massa e la carica in ogni posizione sul foglio
d’oro fossero troppo piccole per cambiare il percorso delle particelle alfa. Si aspettava quindi che
la maggior parte delle particelle avrebbe seguito
un percorso rettilineo tra la sorgente e uno schermo rivelatore e che solo alcune sarebbero state
leggermente deflesse.
L’esperimento del foglio d’oro
Marsden utilizzò l’apparato strumentale mostrato
in figura 6. Egli inviò un fascio collimato di particelle alfa su un foglio d’oro circondato da uno
schermo; tale schermo era costituito da un materiale che produce un segnale luminoso quando è
colpito da una particella alfa. Osservando la po2 figura 6
Il percorso di una particella alfa può essere individuato
dalla posizione di un segnale luminoso su uno schermo.
Rutherford si aspettava che il percorso delle particelle alfa,
cariche positivamente, fosse modificato debolmente
dagli atomi d’oro. Invece, molte particelle furono deflesse
e alcune tornarono indietro.
particella
deflessa
particella
non deflessa
90°
fenditura
foglio d’oro
fascio
di particelle
alfa
schermo
sorgente
di particelle alfa
risultati attesi
particelle
alfa
atomi di oro
risultati ottenuti
particelle
alfa
nucleo
Chimica e Fisica - Concetti in azione
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Studiare la carica
degli oggetti
Materiale occorrente
Nastro adesivo trasparente, metro a nastro, forbici.
sizione dei segnali luminosi, Marsden poteva ricostruire il percorso di una particella alfa dopo il
passaggio attraverso il foglio d’oro.
Tuttavia, alcune posizioni dei segnali luminosi non
supportavano l’ipotesi fatta da Rutherford, poiché
le particelle deflesse erano molte di più di quelle
previste e, inoltre, circa una particella su 20000 era
deflessa a più di 90 gradi. Inoltre, alcune particelle
si comportavano come se avessero urtato contro un
muro, poiché dopo l’urto erano riflesse all’indietro.
Procedura
1. Taglia due pezzi di nastro adesivo di circa 10 cm.
Piega su se stesso 1 cm di una delle due estremità
di ciascun pezzo.
2. Sostieni ciascun pezzo dall’estremità piegata in modo che penda verso il basso. Quindi, senza lasciare
che i pezzi si tocchino, avvicina lentamente le due 69
estremità appiccicose. Registra le tue osservazioni.
3. Posiziona una delle due strisce su una superficie
pulita con la faccia appiccicosa rivolta verso il
basso.
4. Sistema l’altra striscia sulla prima, sempre con la
faccia appiccicosa rivolta verso il basso, esattamente
come mostrato in figura. Premi bene in modo che
le due strisce restino incollate.
5. Rimuovi dal tavolo la striscia così ottenuta. Lentamente separa le due strisce.
6. Lentamente avvicina le due strisce senza farle toccare. Registra le tue osservazioni.
Il nucleo è una massa densa e carica positivamente concentrata al centro dell’atomo.
Poiché il modello di Thomson non era in accordo
con questi risultati, Rutherford propose un nuovo
modello secondo il quale tutta la carica positiva di un atomo è concentrata nel suo nucleo.
Questo modello spiegava che le particelle alfa deflesse per più di 90° erano quelle passate molto vicino al nucleo, mentre quelle che procedevano senza
subire modifiche al percorso, erano transitate nello
spazio tra i nuclei senza avvicinarsi a nessun nucleo.
Per immaginare quali sono le dimensioni dell’atomo e del suo nucleo, possiamo fare riferimento alla
figura 7 che mostra lo stadio Olimpico
di Roma: se un atomo avesse
lo stesso volume dello stadio, il suo nucleo avrebbe le dimensioni di
una biglia. Il volume
totale di un atomo
è infatti circa 1012
volte il volume
del suo nucleo.
2 figura 7
Se lo Stadio
Olimpico di Roma
rappresenta
il modello di un
atomo, il nucleo
ha le dimensioni
di una biglia.
D Secondo
il modello
di Rutherford,
dove dovrebbe
essere posizionata
la biglia che
rappresenta
il nucleo se lo
stadio rappresenta
l’atomo?
Analisi e conclusioni
1. Che cosa puoi concludere sulla carica delle due
strisce di nastro dopo che sono state separate?
2. Quali sono altri oggetti che hai osservato e che si
sono caricati?
per studiare
Ripassa
1. Quale teoria propose Dalton sulla struttura della
materia?
2. Quale prova diede J. J. Thomson sulla struttura dell’atomo?
3. Quale scoperta fece Rutherford sulla struttura atomica?
4. In base a quale risultato sperimentale Thomson poté affermare che le particelle contenute nel fascio
luminoso fossero cariche negativamente?
5. Perché dopo gli esperimenti di Thomson fu necessario modificare il modello atomico previsto da
Dalton?
Rifletti
6. Spiega perché gli scienziati hanno accettato la teoria atomica di Dalton, ma non l’idea dell’atomo
proposto dai filosofi greci.
7. Se osservi un fascio di particelle deflettersi verso un
piatto carico negativamente, cosa puoi concludere?
8. Nell’esperimento di Rutherford, perché non tutte
le particelle alfa subivano una deflessione?
œ Guida allo studio a pagina 82
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la struttura atomica
La scoperta del nucleo
Rutherford concluse che le particelle alfa deflesse
dovevano aver interagito con altre cariche. Tuttavia, lo scienziato doveva spiegare perché molte
particelle alfa passavano attraverso il foglio senza essere deflesse. Da questi risultati Rutherford
concluse che la carica positiva di un atomo non è
distribuita uniformemente nell’atomo, ma è concentrata in una regione centrale molto piccola che
Rutherford chiamò nucleo.
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
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34.
CONCETTI IN AZIONE
1. Costruire con la tecnica top-down
70
Costruzioni
su piccola
scala
Alcuni scienziati e ingegneri pensano
di poter utilizzare atomi e molecole
per costruire oggetti di dimensioni
molto piccole.
Il campo della scienza chiamato
nanotecnologia prende il nome da
un’unità di misura, il nanometro:
il nanometro è la milionesima parte
del metro, cioè per ottenere un metro,
bisogna utilizzare un miliardo
di nanometri (109 nm).
Per dare un’idea delle dimensioni del
nanometro possiamo fare riferimento
a un capello, le cui dimensioni sono
di circa 80 nm. Gli scienziati e gli
ingegneri che lavorano nel campo
delle nanotecnologie sono riusciti
a costruire versioni in miniatura
di oggetti macroscopici, ad esempio,
dei veri e proprio i motori.
In generale, nella nanotecnologia,
esistono due tecniche per costruire
un oggetto. Si può utilizzare una
quantità di materiale maggiore
di quanto effettivamente ne serva
e ottenere l’oggetto desiderato
rimuovendo il materiale in eccesso;
altrimenti si può assemblare un
oggetto assemblando parti molto
piccole. Quando si ottiene un oggetto
eliminando il materiale che non
serve, si utilizza un metodo detto
top-down, che significa dal grande
al piccolo; quando invece si
assemblano piccole parti si utilizza
un metodo chiamato top-down,
che significa dal piccolo al grande.
Gli ingranaggi sono ruote dentate che sono
progettati per incastrarsi in modo tale che
il moto di una ruota regola il moto di un’altra.
Questi ingranaggi di silicio sono fra gli oggetti
più piccoli mai costruiti con la tecnica
top-down.
Assemblaggio
di ingranaggi
di silicio
2. Costruire con la tecnica bottom-up
Con un microscopio a effetto tunnel STM
(scanning tunneling microscope) è possibile
muovere singoli atomi o singole molecole.
Questo personaggio, costruito mettendo
assieme molecole di monossido di carbonio,
è alto cinque nanometri (0,000005 mm).
Nel 1990 alcuni scienziati costruirono questa
figura per illustrare i metodi di costruzione
bottom-up.
Acaro della
polvere
3. Nano ingranaggi
Questa immagine di nanoingranaggi è stata prodotta con un programma
per il computer progettato per costruire modelli molecolari. Tubi vuoti di
dimensioni nanometriche (nanotubi) costituiti da fogli di carbonio arrotolati
esistono davvero; gli anelli che sono costituiti da atomi di carbonio e di
idrogeno sono utilizzati come denti dell’ingranaggio. Ma i ricercatori devono
ancora scoprire come riuscire ad agganciare i denti ai tubi.
Foglio di atomi
di carbonio arrotolato
per formare un tubo
Anello formato
da atomi di carbonio
legati ad atomi di idrogeno
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070-071_Chim_CIA_D.indd 70
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:53:36
71
Modello futuristico
di un nanorobot che
effettua un’operazione
chirurgica in un vaso
sanguigno
Le potenziali applicazioni delle nanotecnologie
possono riguardare la strumentazione per la
diagnostica medica e i dispositivi elettronici
nanostrutturati che si assemblano da soli. Se
questo tipo di dispositivi dovesse funzionare,
forse un giorno saremo in grado di costruire
dei nanorobot chirurghi.
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Approfondimento
Fai una ricerca su quali sono gli utilizzi proposti
dagli scienziati per le nanotecnologie e prepara
un poster descrivendone una. Spiega quali
sono i vantaggi dell’uso di oggetti molto
piccoli. Quali problemi devono essere risolti
prima che un oggetto nanometrico possa
essere utilizzato?
LA STRUTTURA ATOMICA
4. Il futuro della nanotecnologia
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:53:46
lezione
unità
D La struttura
2 dell’atomo
72
parole chiave
ΩΩprotone
ΩΩelettrone
ΩΩneutrone
ΩΩnumero atomico
ΩΩnumero Ω
di massa
ΩΩisotopo
F
asci di particelle simili a quelli prodotti da
Thomson sono utilizzati per creare le immagini sugli schermi televisivi dei televisori a tubo
catodico. Quando un fascio di particelle si muove
attraverso lo schermo, si accendono dei punti luminosi nello stesso modo in cui, nell’esperimento
del foglio d’oro, lo schermo era illuminato dalle
particelle alfa. In un televisore a colori di questo
tipo ci sono tre fasci, uno per ciascuno dei colori
rosso, verde e blu: le particelle che costituiscono
questi fasci sono particelle subatomiche.
1
Proprietà delle particelle subatomiche
L’ipotesi dell’esistenza di due particelle subatomiche fu data proprio da Rutherford prima del
1920 che ipotizzò l’esistenza di una terza particella subatomica: il neutrone. Le particelle subatomiche sono quindi tre: protoni, elettroni
e neutroni.
I protoni
Basandosi sui risultati di esperimenti eseguiti con
elementi diversi dall’oro, Rutherford concluse
che la quantità di carica positiva contenuta in
un atomo varia da un elemento all’altro. Ciascun
nucleo contiene almeno una particella subatomica con carica positiva che Rutherford chiamò
protone.
Un protone è una particella subatomica carica positivamente che si trova nel nucleo di un
atomo.
A ciascun protone è assegnata una carica pari a
+1. Alcuni nuclei contengono più di 100 protoni.
Gli elettroni
Le particelle che Thomson aveva individuato
sono chiamate elettroni. Il termine elettrone
deriva dalla parola greca elektron che significa
ambra.
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072-075_Chim_Lez_D2.indd 72
1 figura 8
Nell’immagine è mostrata la scultura di una molletta da bucato
a Philadelphia. Claes Oldenburg realizzò la molletta nel 1976
utilizzando 10 tonnellate di acciaio. Se un protone avesse una
massa di 10 tonnellate, allora un elettrone avrebbe una massa
di circa cinque kilogrammi.
Un elettrone è una particella subatomica caricata negativamente che si trova nello spazio
attorno al nucleo.
Ciascun elettrone ha carica pari a –1.
I neutroni
Nel 1932 il fisico inglese James Chadwick progettò un esperimento per dimostrare l’esistenza del
neutrone. Chadwick concluse che tali particelle
erano neutre poiché un corpo carico non ne modificava il percorso.
Un neutrone è una particella subatomica neutra che si trova nel nucleo dell’atomo. Ha una
massa quasi uguale a quella del protone.
2
Confrontare le particelle subatomiche
La figura 9 riassume alcune proprietà di protoni,
elettroni e neutroni. Protoni, elettroni e neutroni possono essere distinti in base alla massa, alla carica e alla posizione che occupano
nell’atomo.
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:08
I dati in figura 9 mostrano che protoni e neutroni
hanno circa la stessa massa ma che sono necessari
2000 elettroni per eguagliare la massa di un protone. Gli elettroni hanno una carica uguale in valore,
ma opposta, a quella dei protoni e i neutroni non
hanno carica elettrica. Protoni e neutroni si trovano nel nucleo, mentre gli elettroni occupano lo
spazio esterno al nucleo.
Tutto ciò che gli scienziati conoscono del nucleo
e delle particelle subatomiche si basa sull’osservazione del comportamento delle particelle, cioè su
una prova indiretta della loro esistenza, poiché non
esiste ancora nessuno strumento in grado di visualizzare l’interno dell’atomo. Esistono tuttavia dei
microscopi che possono mostrare come gli atomi
sono sistemati sulla superficie dei materiali, come
quello mostrato nella rubrica di approfondimento
Focus Tech Microscopio a effetto tunnel.
3
Numero atomico e numero di massa
Dalton, nella sua teoria, aveva previsto che gli atomi
di ciascun elemento differiscono da quelli di tutti gli
altri elementi: con la scoperta delle particelle subatomiche, gli scienziati sono stati in grado di descrivere le differenze tra gli atomi di elementi diversi.
Il numero atomico
Gli atomi di un dato elemento hanno sempre lo
stesso numero di protoni: ad esempio, i nuclei di
tutti gli atomi di idrogeno posseggono un solo
protone. Per questo motivo all’idrogeno è assegnato numero atomico 1.
Proprietà delle particelle subatomiche
Particella
Simbolo
Carica
relativa
Massa relativa
(protone = 1)
Massa
Elettrone
e–
–1
1/1836
9,11 · 10 –28
Protone
p+
+1
1
1,674 · 10 –24
Neutrone
n
01
1
1,675 · 10 –24
Lo zolfo mostrato in figura 10a ha numero atomico 16 perché l’atomo di zolfo ha 16 protoni.
Poiché ogni elemento è individuato univocamente dal suo numero atomico possiamo utilizzare il numero atomico per indicare gli elementi esattamente come si fa con il nome e il
simbolo.
In un atomo ciascuna carica positiva è bilanciata
da una carica negativa, poiché gli atomi sono
complessivamente neutri. Perciò, il numero atomico di un elemento indica anche il numero
di elettroni posseduti dall’atomo. Ad esempio,
ciascun atomo di idrogeno ha un solo elettrone,
mentre ciascun atomo di zolfo ha 16 elettroni.
Modello
73
8 figura 9
La tabella elenca
i simboli, la carica
relativa e la massa
dell’elettrone,
del protone
e del neutrone.
La colonna
“Modello” mostra
i colori utilizzati
in questo libro
per indicare
ciascuna particella.
D Qual è la
differenza tra
la massa del
protone e quella
del neutrone?
Il numero di massa
Abbiamo visto che il numero atomico indica il
numero di protoni contenuti in ciascun atomo, ma
non dà alcuna informazione sul numero di neutroni. Per avere questa informazione, è necessario
conoscere il numero di massa.
Il numero di massa di un atomo è la somma
del numero di protoni e del numero di neutroni contenuti nel suo nucleo.
Un atomo di alluminio con 13 protoni e 14 neutroni ha numero di massa 27. Quindi, se conosci il
numero di massa e il numero atomico di un atomo,
puoi calcolare il numero di neutroni effettuando
una semplice sottrazione.
Gli atomi di idrogeno sono i soli ad avere un solo
protone.
Numero di neutroni = numero di massanumero atomico
Ciascun elemento
ha il proprio
numero atomico.
[a] Il numero
atomico dello
zolfo (S) è 16,
[b] del ferro
(Fe) è 26, [c]
dell’argento (Ag)
è 47.
D Quanti protoni
ci sono in ciascun
atomo di zolfo,
ferro e argento?
la struttura atomica
Il numero atomico di un elemento è uguale
al numero dei protoni contenuti in un atomo di
quell’elemento. Atomi di elementi diversi hanno
un diverso numero di protoni, cioè diverso numero atomico.
6 figura 10
a
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b
c
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
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FocUSTECH
74
Microscopio
a effetto tunnel
Una sonda si sposta lungo
la superficie del campione
avvicinandosi e allontanandosi
da questa. Gli elettroni “saltano”
attraverso la barriera di energia
che separa la sonda e la superficie
e si produce una corrente elettrica:
in gergo scientifico si dice che
passano per effetto tunnel.
Un computer utilizza la corrente
acquisita dalla sonda per produrre
un’immagine della superficie
del campione corrispondente alla
posizione della sonda. In che modo
è mantenuta costante la distanza
tra la punta della sonda e la
superficie del campione?
A. Sonda di analisi
Quando la sonda si sposta sul campione,
una corrente fluisce tra la sonda e la
superficie del campione. Il computer
mantiene la punta della sonda a una
distanza costante dalla superficie
mantenendo costante la corrente elettrica.
In questo modo le variazioni in altezza
della posizione della sonda seguono il
profilo della superficie del campione.
Microscopio a effetto tunnel
Un moderno microscopio a effetto
tunnel può produrre un’immagine
di campioni metallici o di tessuti
biologici come quelli del DNA.
B. Processore
Il processore invia, riceve e
registra tutte le informazioni
sul movimento della sonda.
Segnale che
giunge dal
processore
Segnale che
giunge dalla
sonda
Dispositivo
di scansione
Questo
dispositivo
abbassa e alza
la sonda.
Campione
di oro
Flusso di elettroni
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Un computer costruisce
la mappa della superficie
utilizzando i dati ricevuti
dal processore aggiungendo
all’immagine mostrata sullo
schermo anche dei colori.
Punta della sonda
La larghezza della punta
della sonda corrisponde
alla larghezza di due soli
atomi.
Il flusso di eletroni attraversa
una distanza di circa 1 nm
(0,000001 mm) tra la punta
della sonda e il campione,
producendo una corrente
elettrica.
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C. Computer
Chimica e Fisica - Concetti in azione
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per studiare
Ripassa
1. Elenca tre particelle subatomiche.
2. Elenca tre proprietà che possono essere utilizzate
per distinguere un protone da un elettrone.
3. Quali caratteristiche di un atomo variano sempre
da un elemento all’altro?
4. In che cosa differiscono due isotopi dello stesso
elemento?
5. Che cosa hanno in comune il neutrone e il protone? Per che cosa differiscono?
6. Come possono essere neutri gli atomi se contengono particelle cariche?
7. Qual è la differenza tra l’atomo di ossigeno-16 e
l’atomo di ossigeno-17?
Gli isotopi
Secondo la teoria atomica di Dalton tutti gli atomi di un dato elemento sono identici. In realtà,
tutti gli atomi di un dato elemento hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma non tutti
hanno lo stesso numero di neutroni.
Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso
numero atomico ma un diverso numero di
massa, poiché hanno un diverso numero di
neutroni.
Confronto tra le proprietà dell’acqua
e dell’acqua pesante
Proprietà
Acqua
Acqua pesante
PuntoΩdiΩfusione
0,00 °C
3,81 °C
PuntoΩdiΩebollizione 100,0 °C
DensitàΩ(aΩ25Ω°C)
101,42 °C
0,99701 g/cm
3
1,1044 g/cm3
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Rifletti
8. Spiega di quali proprietà sono dotati i protoni e gli
elettroni che non posseggono invece i neutroni?
9. Spiega perché non è possibile per un atomo avere
numero di massa 10 e numero atomico 12.
Esercitati
10. Sapendo che il magnesio (Mg) ha Z = 12, scrivi
il simbolo nucleare degli isotopi del magnesio che
hanno 12, 13 e 14 neutroni.
[24
Mg; 25
Mg; 26
Mg]
12
12
12
Collega i concetti
Nel lezione 1 dell’unità B hai visto che gli elementi
contengono solo un tipo di atomo. Come puoi definire un “tipo di atomo” se esistono gli isotopi?
Scrivi di scienza
Supponi di lavorare come volontario nel museo della
scienza della tua città.Ti viene chiesto di progettare un
modellino che confronti le dimensioni di un atomo di
litio con quelle del suo nucleo. Scrivi una proposta per
esporre il tuo modello alla commissione che approva i
progetti seguendo i seguenti suggerimenti:
” di quanto l’atomo di litio è più grande del suo nu-
6 figura 11
L’acqua pesante
contiene atomi
di deuterio,
che hanno massa
doppia rispetto
all’atomo
di idrogeno.
D A quale
temperatura
solidifica un
campione di acqua
pesante?
cleo? Cerca degli oggetti che possano rappresentare
il nucleo nel tuo modellino e misura il loro diametro
(un atomo di litio ha un diametro di circa 3 · 102
picometri, mentre il suo nucleo ha un diametro di
circa 5 · 10–3 picometri. Ci sono mille miliardi (1012)
di picometri in un metro);
” scegli uno degli oggetti che hai misurato per rappresentare il nucleo, decidi come gli oggetti devono essere posizionati su un righello per fare in modo che
gli osservatori riescano a distinguere le differenze tra
le dimensioni dell’atomo e del nucleo;
” spiega bene dove posizioni il nucleo e dove il righello. Sii preparato a spiegare perché ti sono necessari gli spazi richiesti.
œ Guida allo studio a pagina 82
la struttura atomica
Ad esempio, ciascun atomo di ossigeno possiede
8 protoni, ma alcuni atomi di ossigeno hanno
8 neutroni e, quindi, numero di massa 16; altri
atomi di ossigeno hanno 9 neutroni e numero di massa 17, altri ancora hanno 10 neutroni e numero di massa 18. Quando è importante distinguere un isotopo dall’altro, gli isotopi
dell’ossigeno sono indicati come ossigeno-16,
ossigeno-17 e ossigeno-18. Per indicare un isotopo si può anche utilizzare il simbolo nucleare.
Il simbolo nucleare si scrive utilizzando il simbolo dell’elemento con a sinistra in alto il numero
di massa A e in basso il numero atomico Z. Ad
esempio l’ossigeno-18 si può indicare con il simbolo 188O.
Tutti e tre gli isotopi possono reagire con l’idrogeno per formare l’acqua o combinarsi con il
ferro per formare la ruggine.
Per molti elementi è estremamente complicato distinguere le proprietà fisiche e chimiche di
un isotopo rispetto ad un altro. L’idrogeno però
rappresenta un’eccezione: l’idrogeno-1 (o semplicemente idrogeno) ha un solo protone (quasi tutto l’idrogeno è idrogeno-1), l’idrogeno-2
(o deuterio) ha un neutrone mentre l’idrogeno-3 (o trizio) possiede due neutroni. Poiché
l’idrogeno-1 ha un solo protone, aggiungere
un neutrone, per formare il deuterio, significa
raddoppiare la massa dell’atomo: per questa ragione l’acqua formata con deuterio invece che
con idrogeno è chiamata “acqua pesante”. Nella
figura 11 sono confrontate le proprietà fisiche
dell’acqua semplice e dell’acqua pesante.
75
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:21
lezione
unità
D La moderna
3 teoria atomica
76
parole chiave
ΩΩlivello energetico
ΩΩnuvola
elettronica
ΩΩorbitale
ΩΩconfigurazione
elettronica
ΩΩstato
fondamentale
2 figura 12
Fuochi d’artificio.
La luce rossa
è prodotta
da composti
dello stronzio.
T
i sei mai chiesto cosa produce i diversi colori nei fuochi d’artificio? Perché alcuni producono luce rossa e altri luce verde? I tecnici che
costruiscono i fuochi d’artificio sanno che alcuni
composti, quando riscaldati, emettono una luce di
un ben determinato colore. Ad esempio, i composti dello stronzio, quando sono scaldati, producono
luce rossa, mentre i composti del bario emettono
luce verde.
Sai già che quando un atomo assorbe energia possono avvenire due diversi fenomeni: un aumento
dell’energia cinetica o un passaggio di stato. Esiste,
tuttavia, una terza possibilità: l’energia può essere
temporaneamente assorbita dall’atomo e rilasciata
poi sotto forma di luce. I colori dei fuochi d’artificio rappresentano un indizio di come gli elettroni
sono sistemati attorno all’atomo.
1
Il modello atomico di Bohr
Probabilmente ci è capitato di vedere un atomo
rappresentato come un piccolo sistema solare con
i pianeti che ruotano attorno al sole. Questa rappresentazione è basata sul modello
atomico sviluppato da Niels Bohr
(1885-1962), un fisico danese che
lavorò con Rutherford. I due scienziati erano in accordo sul fatto che
l’atomo fosse costituito da un nucleo circondato da un grande volume di spazio vuoto. Tuttavia, Bohr,
a differenza di Rutherford, focalizzò la sua attenzione sugli elettroni:
la descrizione di come gli elettroni
si sistemano attorno al nucleo rappresenta il punto di partenza per la
costruzione del modello atomico
moderno.
I livelli energetici
Nel modello di Bohr gli elettroni
si muovono con velocità costante
attorno al nucleo occupando orbite
© Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos
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fisse, come fanno i pianeti attorno al Sole. In questo modello ciascun elettrone possiede una specifica quantità di energia; se un atomo assorbe o
cede energia, tale processo può determinare una
variazione dell’energia dei suoi elettroni. Le energie che un elettrone può possedere all’interno di
un atomo sono chiamate livelli energetici. Per
capire che cosa sia un livello energetico dobbiamo
immaginarlo come il gradino di una scala; quando
saliamo e scendiamo da una scala possiamo indicare i nostri cambiamenti di posizione utilizzando
il numero di gradini che abbiamo superato: possiamo salire di un passo o scendere di due, ma in
ogni caso possiamo spostarci solo di un gradino
alla volta. Così come non possiamo stare tra due
gradini della scala, così un elettrone non può esistere tra due livelli energetici, ma può occupare
solo un ben determinato livello energetico.
Il gradino della scala che sta più in basso rappresenta il più basso livello energetico in un atomo: ogni
altro gradino rappresenta un livello energetico più
alto e la distanza tra due gradini rappresenta la differenza di energia tra due livelli. Seguendo questa
analogia, per ciascun elemento chimico avremmo
bisogno di una scala diversa, poiché non esistono
due elementi che hanno lo stesso insieme di livelli
energetici. In generale possiamo dire che:
un elettrone in un atomo si può muovere da
un livello energetico a un altro quando l’atomo
assorbe o cede energia.
In particolare, un elettrone può muoversi in un
livello energetico più alto solo se assorbe una ben
determinata quantità di energia oppure può scendere a un livello energetico più basso solo se cede
una ben determinata quantità di energia.
La dimensione del salto che l’elettrone deve effettuare tra i due livelli energetici corrisponde
alla quantità di energia che l’elettrone deve cedere o acquistare.
Prove dell’esistenza dei livelli energetici
Quali sono le prove sperimentali del fatto che gli
elettroni si spostano da un livello energetico all’altro? Gli scienziati possono misurare sia l’energia
assorbita da un elettrone quando questo si sposta
da un livello verso un altro superiore sia quella ceduta quando si sposta verso un livello inferiore.
Il movimento degli elettroni tra i livelli energetici
spiega i colori prodotti dallo scoppio dei fuochi
d’artificio poiché la luce è una forma di energia.
Il calore prodotto dall’esplosione determina il passaggio di alcuni elettroni verso livelli a più alta
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:44
energia; quando gli elettroni tornano ai livelli di
partenza, che sono caratterizzati da una energia
inferiore, emettono energia. Una parte dell’energia emessa è rilasciata sotto forma di luce visibile:
poiché due elementi non hanno gli stessi insiemi di livelli energetici, elementi diversi emettono
luce di colori diversi.
2
Il modello della nuvola elettronica
Come i modelli precedenti, anche il modello di
Bohr è stato modificato grazie scoperte scientifiche
successive. Bohr aveva assegnato agli elettroni dei
livelli energetici, ma aveva sbagliato nell’assumere
che gli elettroni si muovessero lungo delle orbite,
come i pianeti nel sistema solare. Oggi gli scienziati
sanno che gli elettroni si muovono in modo poco
prevedibile e sanno che quando devono prevedere
la posizione e il movimento di un elettrone lo possono fare solo in termini probabilistici.
Gli scienziati infatti per descrivere quali sono le
posizioni più probabili in cui si può trovare un
elettrone quando si muove attorno a un nucleo
utilizzano il modello della nuvola elettronica: secondo questo modello, la nuvola è più densa
nelle regioni dove la probabilità di trovare
gli elettroni è più alta. La figura 13 mostra con
un esempio qual è l’idea della nuvola elettronica:
quando l’elica di un aeroplano è ferma possiamo
contare il numero di pale dell’elica e conosciamo
la loro posizione nello spazio; quando invece il
motore dell’aeroplano è acceso, l’elica è in movimento e la velocità dell’elica è così elevata che
non distinguiamo le singole pale, ma vediamo solo
una alone confuso. Sappiamo che le pale dell’elica
stanno girando dove noi vediamo l’alone, ma non
sappiamo dire con certezza quale sia la posizione
esatta della pale in un certo istante.
o il corridoio, avranno una maggiore concentrazione di punti, mentre
quelli dove egli andrà meno frequentemente, avranno una concentrazione
di punti molto più piccola.
I puntini sulla piantina sono un
esempio del nostro orbitale, poiché
descrivono i posti che lo studente ha
maggiormente frequentato durante
la settimana. Inoltre, ci sono dei posti
sui quali non abbiamo sistemato alcun puntino, come l’ufficio del preside, perché durante la settimana che
abbiamo analizzato, lo studente non
li ha frequentati; ciò comunque non
significa che lo studente non possa
andarci. La distribuzione dei puntini
sulla piantina della scuola è un buon
modello di come normalmente lo
studente si muove nel suo “orbitale”.
Una nuvola elettronica è una buona approssimazione di come gli elettroni si muovono nei
loro orbitali.
Gli elettroni non si sistemano casualmente nei livelli energetici e negli orbitali poiché ogni livello
energetico ha un determinato numero di orbitali.
Il livello in cui un elettrone assume il più basso
valore energetico, ha un solo orbitale. I livelli a
energia maggiore hanno più di un orbitale. La
figura 14 mostra il numero di orbitali nei primi
quattro livelli energetici di un atomo: possiamo
notare che il massimo numero di elettroni in ogni
livello energetico è doppio del numero di orbitali
e che ciascun orbitale può contenere al massimo
due elettroni.
77
1 figura 13
Quando il motore
di un aeroplano
è fermo, possiamo
controllare
esattamente
la posizione
dell’elica. Quando
il motore è in
azione, vediamo
solo una macchia
che dà un’idea
di quello che
si intende per
nuvola elettronica.
4
Configurazione elettronica
La nuvola elettronica rappresenta l’in-sieme degli
orbitali di un atomo.
Un orbitale è una regione di spazio attorno al
nucleo in cui è possibile trovare un elettrone.
Per comprendere il concetto di orbitale immaginiamo una piantina della scuola e supponiamo di
registrare la posizione esatta di uno studente riportando ogni 10 minuti, per la durata di una settimana, un puntino sulla piantina. I posti in cui lo
studente si trova più spesso, come la classe, la mensa
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Come sono sistemati i banchi nella tua classe? Sono
posizionati lungo una linea retta o a gruppi?
Una configurazione è una “sistemazione” di
oggetti in un determinato spazio.
Livelli energetici, orbitali ed elettroni
Livello
energetico
Numero
di orbitali
Massimo numero
di elettroni
1
1
2
2
3
4
8
4
16
32
9
18
6 figura 14
La tabella mostra
il numero
di orbitali
nei primi quattro
livelli energetici
di un atomo
e il massimo
numero di
elettroni contenuti
in ciascun livello.
D Quanti elettroni
ci sono in ciascun
orbitale?
la struttura atomica
3
Orbitali atomici
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:47
78
iN laBoraTorio
Utilizzare i saggi alla fiamma
Gli scienziati utilizzano diverse
tecniche per individuare
le varie sostanze. In questo
laboratorio vedrai come sostanze
diverse producano fiamme di
colori diversi e come si possa
utilizzare questo fenomeno
per distinguere i vari elementi.
PROCEDURA
1. Fa una copia della tabella mostrata di seguito:
Soluzioni
Cloruro di calcio
Cloruro di potassio
Acido borico
Solfato di rame (II)
Cloruro di sodio
Incognita
PROBLEMA
Come si possono utilizzare
i colori di una fiamma
per distinguere le sostanze?
MATERIALE OCCORRENTE
ó Soluzioni di cloruro di calcio, acido
borico, cloruro di potassio, solfato
di rame (II), cloruro di sodio e una
incognita.
ó Becco di Bunsen
ó Un filo di nichel cromo
ó Soluzione diluita di acido cloridrico
ó Una bottiglietta di acqua distillata
ABILITÀ RICHIESTE
Osservare, prevedere, utilizzare
tabelle di dati.
Colore della fiamma
Identità della soluzione
incognita
2. Accendi il becco di Bunsen. attenzione Indos3.
4.
5.
6.
7.
sa occhiali da protezione e camice. Lega bene i
capelli prima di lavorare con una fiamma.
Inserisci il filo di nichelcromo nella soluzione
di cloruro di calcio e successivamente poni il
filo sopra la fiamma, come mostrato nella foto.
Osserva e annota il colore della fiamma.
Pulisci il filo immergendolo nell’acido cloridrico. Successivamente porta il filo sul lavandino e sciacqua l’acido cloridrico con l’acqua
distillata. attenzione Tieni l’acido cloridrico
lontano dalla pelle e dai vestiti. Non respirarne
i vapori.
Ripeti i punti 3 e 4 con ciascuna delle soluzioni in tuo possesso. Non trasferire le soluzioni
da un contenitore all’altro. attenzione Tutte
queste sostanze sono velenose: non metterle in contatto con la pelle.
Fatti dare una soluzione incognita dall’insegnante.
Ripeti per tale soluzione i passi 3 e 4. Confronta le osservazioni con
quelle fatte per le soluzioni note in modo da poter identificare la
soluzione. attenzione Lava bene le mani prima di uscire dal laboratorio.
ANALISI E CONCLUSIONI
˘
˘
˘
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Esiste una relazione tra il calore della fiamma e quello della soluzione corrispondente?
Perché le sostanze producono fiamme di colori diversi?
Uno scienziato analizza con il saggio alla fiamma una sostanza. Cosa
può concludere se la fiamma è verde?
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:50
Confrontare gli stati
eccitati
Materiale occorrente
Evidenziatori, giocattoli che si illuminano al buio, lampada ultravioletta.
Alcune configurazioni sono più stabili di altre,
quindi è meno probabile che si possano modificare, altre lo sono meno; in particolare, gli elementi che si trovano in una configurazione instabile
cercheranno di raggiungerne una più stabile: ad
esempio la posizione della ginnasta in figura 15
non è molto stabile poiché la trave su cui poggia
è larga circa 10 cm; ella cercherà quindi, durante
l’esercizio, la posizione sulla trave che le garantisce
una maggiore stabilità.
Procedura
1. Utilizza gli evidenziatori per disegnare un’immagine su un foglio di
carta.
2. Spegni le luci nella stanza e osserva il disegno con
la lampada ultravioletta. attenzione: non guardare direttamente la lampada. Rimuovi il disegno da
sotto la lampada e osservalo ancora. Registra le tue
osservazioni.
3. Osserva i giocattoli che si illuminano al buio sotto la
lampada ultravioletta. Rimuovi gli oggetti da sotto la
lampada ed osservali ancora. Registra le tue osservazioni.
Una configurazione elettronica è una sistemazione degli elettroni negli orbitali atomici.
La configurazione elettronica più stabile è quella in cui gli elettroni si sistemano negli orbitali a
più bassa energia.
Analisi e conclusioni
1. In che modo differisce la luminosità degli evidenziatori da quella dei giocattoli?
2. Utilizza i concetti di stato fondamentale e stato eccitato per spiegare in quale modo la luce ultravioletta
causa la luminescenza dei disegni e dei giocattoli.
3. In quale oggetto gli atomi hanno stati eccitati più
stabili o probabilmente più difficili da modificare?
Motiva la tua risposta.
Quando tutti gli elettroni in un atomo hanno la
più bassa energia possibile, si dice che l’atomo si
trova nel suo stato fondamentale.
Ad esempio, il litio, un metallo di colore biancoargenteo ha numero atomico 3, che indica che
questo elemento possiede tre elettroni. Quando
si trova nello stato fondamentale, due elettroni
sono posizionati nell’orbitale corrispondente al
primo livello energetico, mentre il terzo elettrone
è in uno degli orbitali del secondo livello energetico. Se un atomo di litio assorbe abbastanza
energia, uno dei suoi elettroni può spostarsi verso un orbitale di un livello energetico a energia
più alta e la configurazione elettronica risultante è detta stato eccitato. Uno stato eccitato è
molto meno stabile di uno stato fondamentale:
infatti, l’elettrone che è appena passato allo stato
eccitato, per tornare nello stato fondamentale, si
sposta al livello energetico più basso emettendo
energia sotto forma di luce.
Ad esempio, gli atomi di elio, neon, argon, kripton e xenon tornano dallo stato eccitato a quello fondamentale emettendo la luce caratteristica
delle lampade al neon.
per studiare
La ginnasta
in equilibrio
sulla trave è simile
a un atomo nello
stato eccitato
poiché entrambi
non sono
particolarmente
stabili.
Rifletti
6. Un atomo di boro ha due elettroni nel primo livello energetico e tre nel secondo livello energetico.
Confronta le energie relative degli elettroni in questi due livelli.
7. Il modello di Rutherford era sbagliato o incompleto? Motiva la tua risposta.
8. Applica quanto conosci sulle particelle cariche al
moderno modello atomico. C’è qualcosa nel comportamento degli elettroni che risulta inaspettato?
Motiva la tua risposta.
Scrivi di scienza
Utilizza uno scaffale adibito a libreria come analogia
per i descrivere i livelli atomici e scrivi un breve testo
che spieghi tale analogia.
œ Guida allo studio a pagina 82
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la struttura atomica
Ripassa
1. In che modo un elettrone all’interno di un atomo
si può spostare da un livello energetico a un altro?
2. Quale modello è utilizzato dagli scienziati per descrivere il moto degli elettroni attorno al nucleo?
3. Descrivi la configurazione più stabile degli elettroni in un atomo.
4. Qual è il contributo di Bohr alla moderna teoria
atomica?
5. Cosa rappresenta una nuvola elettronica?
3 figura 15
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79
D
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:54:54
ScieNZa e SToria
80
I modelli
atomici
Negli ultimi 200 anni lo sviluppo
delle idee sulla struttura dell’atomo
è passato attraverso diverse tappe.
La carica positiva
della sfera bilancia
la carica negativa
degli elettroni
Sfera carica
positivamente
–
+
+
–
–
–
–
+
+
+
–
–
+
Piccola
sfera
solida
+
+
–
Particelle di
carica negativa
Atomo
di Dalton
Atomo
di Thomson
1803
John Dalton
presenta gli atomi
come particelle
solide, indivisibili
che non hanno
una struttura
interna.
1800
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1805
1897
1904
J. J. Thomson, uno
scienziato inglese,
scopre l’elettrone e
propone il modello
“a panettone”. Egli
mostra gli elettroni
come particelle
disperse in una sfera
carica positivamente.
Hantaro Nagaoka,
un fisico giapponese,
suggerisce che un
atomo possa avere
un nucleo centrale.
Gli elettroni si
muovono attorno
al nucleo in orbite simili
agli anelli di Saturno.
1895
1900
1905
Chimica e Fisica - Concetti in azione
18-12-2009 12:55:00
5
Approfondimento
Scegli uno degli scienziati citati nella linea
del tempo. Fai una ricerca e scrivi un paragrafo
sugli anni della giovinezza provando a
rispondere alle seguenti domande. Quale
esperienza lo portò a interessarsi alla scienza?
È il primo nella sua famiglia a occuparsi
di scienza? Quali materie studiava a scuola?
Percorso di
un elettrone
in movimento
La nuvola elettronica
è un modello visivo
della probabile
posizione degli
elettroni in un atomo.
La probabilità di
trovare un elettrone è
maggiore nella regine
di spazio in cui la
nuvola è più densa
Gli elettroni assorbono
o cedono energia
quando si muovono
tra determinati livelli
energetici
81
Il nucleo
contiene
neutroni
e protoni
–
–
–
–
–
–
–
–
+
–
+
–
–
–
–
Nucleo
–
–
–
Elettrone
Modello
di Rutherford
Nucleo
Modello
di Bohr
Il fisico
neozelandese
Ernest
Rutherford
dimostra che
gli atomi hanno
un nucleo
denso carico
positivamente.
Gli elettroni
si muovono
in modo casuale
nella regione
di spazio attorno
al nucleo.
1910
1913
Nel modello
di Bohr, fisico
e matematico
danese, gli
elettroni si
muovono in orbite
sferiche che si
trovano a distanze
fisse dal nucleo.
1915
1920
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Modello
della nuvola
elettronica
1924
Il fisico francese Luis
De Broglie propone
che le particelle
che si muovono
come gli elettroni
abbiano proprietà
caratteristiche delle
onde. Dopo alcuni
anni furono raccolti
dati sperimentali che
supportarono questa
ipotesi.
1925
1926
1932
Erwin Schroedinger
sviluppa le equazioni
matematiche che
descrivono il moto
degli elettroni negli
atomi. Il suo lavoro
porta alla nascita
del modello a nuvola
elettronica.
James Chadwick,
un fisico inglese,
conferma l’esistenza
del neutrone, una
particella priva
di carica elettrica.
Il nucleo atomico
contiene neutroni
e protoni.
1930
1935
la struttura atomica
1911
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Chimica e Fisica - Concetti in azione
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D
unità
unità
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L
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Ripassa l’unità
G U I DA
1
82
Studiare gli atomi óó
Concetti chiave
óó Dalton propose una teoria secondo la
quale tutta la materia è composta da
particelle singole e indivisibili chiamate atomi.
óó Gli esperimenti di Thomson mostrarono che l’atomo è composto da particelle ancora più piccole.
óó In accordo al modello di Rutherford,
tutta la carica positiva di un atomo è
concentrata nel suo nucleo.
Parole chiave
massa densa caricata positivamente che si trova nel centro di un
atomo
˘˘ particella alfa particella con carica positiva
˘˘
nucleo
2
La struttura
dell’atomo
Concetti chiave
óó Protoni, neutroni ed elettroni sono
particelle subatomiche.
óó Protoni, neutroni ed elettroni possono
essere distinti grazie alla massa, alla carica e alla loro posizione nell’atomo.
óó Gli atomi di elementi diversi hanno
un differente numero di protoni.
Gli isotopi di un elemento hanno lo
stesso numero atomico ma diverso numero di massa poiché hanno un diverso numero di neutroni.
Parole chiave
˘˘ protone
particella subatomica carica
positivamente che si può trovare nel
nucleo degli atomi
˘˘ elettrone particella subatomica caricata
negativamente che si trova nello spazio
che circonda il nucleo di un atomo
˘˘ neutrone particella subatomica neutra
che si trova nel nucleo di un atomo
˘˘ numero atomico numero che identifica
un elemento e che è pari al numero di
protoni dell’atomo stesso
˘˘ numero di massa la somma del numero
di protoni e neutroni nel nucleo di un
atomo
˘˘ isotop0 atomi di uno stesso elemento
che hanno diverso numero di neutroni
e quindi un diverso numero di massa
3
La moderna teoria
atomica le possibili posizioni occupate dagli
elettroni attorno al nucleo; una nuvola
elettronica è una buona approssimazione di come gli elettroni si comportano all’interno dei propri orbitali.
óó La configurazione elettronica più stabile è quella in cui gli elettroni occupano l’orbitale con la più bassa energia
possibile.
Parole chiave
energia che possono
avere gli elettroni in un atomo
˘˘ nuvola elettronica modello visivo che
indica la posizione più probabile per
gli elettroni in un atomo
˘˘ orbitale regione di spazio intorno al
nucleo dove è altamente probabile
trovare un elettrone
˘˘ configurazione elettronica disposizione degli elettroni negli orbitali di un
atomo
˘˘ stato fondamentale stato in cui tutti gli elettroni di un atomo hanno
l’energia più bassa possibile
˘˘
livello energetico
Concetti chiave
óó Un elettrone in un atomo può muoversi
da un livello energetico a un altro quando l’atomo assorbe o cede energia.
óó Gli scienziati utilizzano il modello
della nuvola elettronica per descrivere
˘ Completa la tabella Copia la tabella su un foglio di carta e utilizza le informazioni dell’unità per completarla.
Particella
Protone
Elettrone
Neutrone
Simbolo
a. .......................
e
n
Carica relativa
+1
b. .......................
c. .......................
Massa relativa
d. .......................
1
1836
e. .......................
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–
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A
Prepara la verifica
G U I DA
Ô conoscere i concetti
10.Gli atomi emettono energia sotto forma di luce quando:
1. Uno dei primi a formulare la teoria atomica della mate-
ria fu:
a Democrito.
b Aristotele.
d Rutherford.
a un sistema solare.
b una sfera solida.
83
Ô capire i concetti
rette per studiare la struttura atomica?
d una nuvola elettronica.
3. Chi diede la prima prova sperimentale dell’esistenza delle
12. Quale risultato convinse Dalton del fatto che gli elementi
fossero costituiti da particelle fondamentali chiamate atomi?
13. Nell’esperimento di Thomson, perché il fascio luminoso era
c Thomson
respinto dal piatto carico negativamente?
d Bohr
4. Quasi tutta la massa di un atomo è localizzata:
a nei protoni.
b negli elettroni.
14. Quale prova sperimentale supportò l’ipotesi di Thomson se-
condo la quale le particelle cariche negativamente che lui
aveva osservato provenivano dall’interno dell’atomo?
15. Confronta la massa e il volume di un nucleo con la massa
c nella nuvola elettronica.
e il volume di un atomo.
d nel nucleo.
16. Confronta le masse relative di protoni, elettroni e neutroni in
5. Un elettrone è una particella:
a con carica negativa e si trova nel nucleo.
b con carica positiva e si trova nel nucleo.
c nessuna carica e si trova all’esterno del nucleo.
d con carica negativa che non si trova nel nucleo.
6. Quale particella è la meno massiva?
b L’elettrone
d un protone si sposta su un livello più basso.
11. Perché è necessario utilizzare delle prove sperimentali indi-
c un panettone.
a Il protone
b un elettrone si sposta su un livello più basso.
c un protone si sposta su un livello più alto.
c Dalton.
2. Il modello atomico di Dalton può essere descritto come:
particelle subatomiche?
a Dalton
b Rutherford
a un elettrone si sposta su un livello più alto.
c Il neutrone
d Il nucleo
7. Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso:
a numero di massa.
un atomo.
17. Qual è la differenza tra il numero atomico e il numero di
massa di un atomo?
18. Se il numero atomico è 11, quanti elettroni possiede l’atomo?
19. Se un atomo ha numero atomico 6 e numero di massa 14,
quanti protoni, neutroni ed elettroni possiede?
20.Quale parte della teoria di Dalton dovette essere modificata
dopo la scoperta degli isotopi?
21. Quale isotopo dell’ossigeno è rappresentato nel disegno sot-
b numero di isotopi.
to indicato, ossigeno-16, ossigeno-17 o ossigeno-18? Assumi
che tutti i protoni e i neutroni siano visibili nell’immagine.
Motiva la tua risposta.
c numero atomico.
d numero di neutroni.
8. Il numero di neutroni in un atomo è uguale al:
b numero atomico più numero di elettroni.
nuvola di elettroni
nucleo
c numero di massa più numero atomico.
d numero atomico meno numero di massa.
9. Il numero atomico dello zolfo è 16. Quanti elettroni ci sono
nello zolfo-34?
a 16
b 34
c 18
d 50
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protone
neutrone
la struttura atomica
a numero di massa meno numero atomico.
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unità
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Prepara la verifica
G U I DA
22.Qual è la differenza principale tra il modello atomico di Bohr
e la teoria attualmente accettata?
31.Gli scienziati che lavorano nel campo delle nanotecnologie
utilizzano le tecniche top-down o bottom-up per costruire oggetti di dimensioni nanometriche. Illustra un esempio di una
struttura reale costruita utilizzando l’approccio bottom-up e di
una realizzata con la tecnica top-down.
23. Che cosa significa dire che un atomo si trova nello stato ecci-
tato?
84
32.Se vedi un colore verde quando esplodono i fuochi d’ar-
tificio, puoi essere certo che la sostanza utilizzata fosse un
composto del bario? Motiva la tua risposta.
Ô Pensare in maniera critica
24.Guarda l’apparato sperimentale mostrato in figura 4a. Spiega
come questo apparato possa essere utilizzato per controllare
l’apparato in figura 4b.
33.Le luci colorate al neon sono costituite da tubi pieni di
gas. Quando una corrente elettrica passa attraverso i tubi,
vengono emessi i diversi colori. Perché puoi concludere
che un tubo a multicolori contenga diverse specie di gas?
25.In cosa sarebbero cambiati i risultati dell’esperimento di
Thomson se al posto di un fascio di elettroni avessero utilizzato un fascio di neutroni?
26.Il numero atomico del carbonio è 6, quello dell’azoto 7 e
quello dell’ossigeno 8. Indica a quale elemento appartiene
l’isotopo mostrato nella figura seguente.
nuvola di elettroni
nucleo
Ô risolvere problemi
34.Il numero atomico del ferro è 26. Quanti neutroni ci sono
nel suo nucleo se il numero di massa è 57? Quanti elettroni
possiede l’atomo di ferro?
[31 neutroni; 26 protoni]
35.Se un atomo di potassio ha numero atomico 19 e nume-
ro di massa 39, quanti protoni, elettroni e neutroni ci sono
nell’atomo?
[19 protoni, 19 elettroni, 20 neutroni]
36.Un atomo di elio ha il doppio dei protoni dell’atomo
protone
di idrogeno. Quanti neutroni e quanti protoni ci sono
in un nucleo di elio-4?
[2 protoni e 2 neutroni]
neutrone
37.Indica il numero di protoni, neutroni ed elettroni nei se27.Perché il protone e l’elettrone sono stati scoperti prima
dell’elettrone?
28.Spiega perché un atomo neutro non può avere un protone,
un neutrone e due elettroni.
29.Il nucleo di un atomo contiene sei neutroni e sei protoni. Il
nucleo di un secondo atomo contiene sei neutroni e cinque
protoni. I due atomi sono di elementi diversi o sono due
isotopi? Motiva la tua risposta.
30.Le particelle del sangue che trasportano l’ossigeno sono co-
stituite da ferro. Il ferro ha numero atomico 26. Il ferro-59 è
utilizzato per lo studio delle malattie dell’apparato circolatorio. In che cosa il ferro-59 è diverso da tutti gli altri isotopi?
In che cosa è uguale?
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guenti isotopi: 147N, 26
Si, 70
Zn.
14
30
[N: 7 protoni e 7 neutroni; Si: 14 protoni e 12 neutroni; Zn: 30 protoni
e 40 neutroni]
38.Qual è il numero di neutroni nei seguenti isotopi: 52
Cr, 34
S,
29
16
Fe?
56
26
[28; 18; 30]
Ô Scrivere di scienza
Una migliore tecnologia porta a un aumento della conoscenza scientifica e, a sua volta, un aumento nelle conoscenze
scientifiche permette lo sviluppo di nuove tecnologie. Scrivi
un paragrafo per discutere questo tema. Utilizza il microscopio a
effetto tunnel come esempio.
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Verifica
G U I DA
1. J.J. Thomson ha dimostrato che gli elettroni:
a hanno una carica elettrica negativa.
a una regione dello spazio attorno al nucleo atomico.
b hanno una carica elettrica positiva.
b tutte le possibili energie che possiede un elettrone.
d sono attratti da oggetti carichi negativamente.
d l’emissione di luce di un atomo eccitato.
c sono respinti da oggetti carichi positivamente.
e non hanno carica elettrica.
c la sistemazione degli elettroni in un atomo.
e il numero dei possibili orbitali in un atomo.
a neutroni.
a costituito da particelle più piccole.
b una particella con una carica positiva.
b massa.
d in moto costante.
d protoni e neutroni.
c la più piccola particella di un elemento.
c protoni ed elettroni.
e particelle subatomiche.
e una particella con carica negativa.
3. Gli elettroni nel primo livello energetico di un atomo:
a non hanno energia.
8. Nel modello di Bohr:
a gli atomi sono tutti uguali.
b possiedono la più bassa energia possibile.
b gli atomi contengono lo stesso numero di elettroni.
d si trovano in uno stato eccitato.
d i protoni si muovono in linea retta.
c possiedono la più alta energia possibile.
4. Molte particelle alfa passano attraverso un sottile foglio d’oro
senza essere deflesse poiché gli atomi d’oro:
a sono pieni di materia carica positivamente.
b non sono uniformemente carichi.
c hanno un nucleo carico negativamente.
d non hanno un nucleo.
e hanno un nucleo denso circondato da spazio vuoto.
9. Il numero di elettroni che possono stare in ogni orbitale è:
a1
b2
c3
d4
e5
a non ha massa.
Ossigeno-16
Ossigeno-18
Protoni
Neutroni
Elettroni
Percentuale in natura
8
8
8
8
10
0,205
b non ha carica.
c ha carica +2.
d sta fuori dal nucleo.
e è trasparente.
Qual è il numero di massa dell’ossigeno-18?
a8
b 10
c 16
d 18
e 0,205
la struttura atomica
Proprietà
99,757
sistema solare.
10.Il neutrone:
5. Osserva la seguente tabella:
8
c gli elettroni si muovono in linea retta.
e gli elettroni si muovono lungo orbite come i pianeti del
e sono in uno stato instabile.
Confronto tra gli isotopi dell’ossigeno
85
7. Due isotopi di ossigeno hanno lo stesso numero di:
2. Secondo la teoria di Dalton, un atomo è:
6. Una configurazione elettronica descrive:
D
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