La struttura atomica
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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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 064-065_Chim_Ape_D.indd 64 Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 13:43:46 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. © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 064-065_Chim_Ape_D.indd 65 Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 13:43:48 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 066-069_Chim_Lez_D1.indd 66 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. 3 066-069_Chim_Lez_D1.indd 67 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 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. © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 066-069_Chim_Lez_D1.indd 68 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 18-12-2009 12:52:52 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 066-069_Chim_Lez_D1.indd 69 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 18-12-2009 12:52:56 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 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. © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 070-071_Chim_CIA_D.indd 71 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. © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 072-075_Chim_Lez_D2.indd 73 b c D Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:54:12 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 072-075_Chim_Lez_D2.indd 74 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. © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos C. Computer Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:54:18 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 072-075_Chim_Lez_D2.indd 75 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 076-081_Chim_Lez_D3.indd 76 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 076-081_Chim_Lez_D3.indd 77 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 ˘ ˘ ˘ © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 076-081_Chim_Lez_D3.indd 78 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 82 076-081_Chim_Lez_D3.indd 79 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 076-081_Chim_Lez_D3.indd 80 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 076-081_Chim_Lez_D3.indd 81 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 D Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:55:06 D unità unità O I D U T S O L L A 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. ....................... © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 082-085_Chim_Guida_D.indd 82 – Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:55:43 O I D U T S O L L 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 082-085_Chim_Guida_D.indd 83 protone neutrone la struttura atomica a numero di massa meno numero atomico. D Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:55:44 D unità O I D U T S O L L A 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? © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 082-085_Chim_Guida_D.indd 84 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. Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:55:44 O I D U T S O L L A 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 © Pearson Italia S.p.A. - Frank, Wysession, Yancopoulos 082-085_Chim_Guida_D.indd 85 Chimica e Fisica - Concetti in azione 18-12-2009 12:55:44
