SB - SAPC 1 MATERIA ED ATOMI C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini La CHIMICA STRUTTURA ATOMICA studia STATI FISICI GAS LIQUIDO SOLIDO può esistere MATERIA ATOMI formata TAVOLA PERIODICA ELEMENTI SOLUZIONI e CONCENTRAZIONE che si legano TIPI DI COMPOSTI e NOMENCLATURA LEGAME CHIMICO ionico, si trasformano con scambi di energia covalente e metallico EQUILIBRI FISICI REAZIONI CHIMICHE PROPRIETA’ COLLIGATIVE TERMODINAMICA ELETTROCHIMICA ACIDI E BASI pH CINETICA OSSIDORIDUZIONI REAZIONI ACIDO BASE SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Finalità della studiare la composizione, la struttura, le caratteristiche e le chimica: modificazioni della materia o meglio dei vari tipi di materia, comunemente detti materiali studio macroscopico dei fenomeni simbologia chimica spiegazione a livello microscopico SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini MISURE DI GRANDEZZA Grandezze fondamentali Grandezze derivate SISTEMA DI UNITA’ DI MISURA prima MKS poi (1960) SI Metro Kilogrammo Secondo Grandezze fondamentali Sistema Internazionale Unità di misura Simbolo Unità di misura Simbolo metro m Pressione N/m2 Pascal (Pa) Massa chilogrammo kg Tempo secondo s Densità g/cm3 Corrente elettrica ampere A Energia/calore Nm Temperatura kelvin K Intensità di luminosità candela cd Quantità di sostanza mole mol Lunghezza Grandezze derivate Joule (J) SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini MATERIA Tutto ciò che occupa spazio e possiede massa Le MATERIA può esistere in diversi stati fisici: • solido, • liquido • aeriforme (vapore o gas) SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini La MATERIA possiede: (A) PROPRIETA’ FISICHE Possono essere osservate senza che la sostanza cambi la sua identità o la sua composizione. H2O(s) + calore (A) H2O(l) Colore - Punto di fusione - Punto di ebollizione - Densità - Conduttività elettrica (B) PROPRIETA’ CHIMICHE (B) Descrivono in che modo un composto può reagire e trasformarsi in altri composti. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) Reattività in genere –Acidità e basicità SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Le proprietà della materia si dividono anche in base alla dipendenza o meno dalla massa del campione: PROPRIETA’ INTENSIVE non dipendono dalla quantità di materia densità temperatura colore reattività PROPRIETA’ ESTENSIVE dipendono dalla quantità di materia peso volume SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini VERSO LA CONCEZIONE ATOMICA DELLA MATERIA (XVIII secolo) Legge di Lavoisier (1743-1794): conservazione della massa La massa totale delle sostanze rimane invariata durante una reazione chimica 6.5 g di Zinco + 3.2 grammi di Zolfo => 9.7 grammi di Solfuro di Zinco SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Legge di Proust (1754-1826) : composizione definita e costante Quando due o più atomi si legano fra di loro per formare un composto, lo fanno secondo rapporti in peso definiti e costanti. 12.7 g di ferro + 7.3 grammi di Zolfo = 20 grammi di Solfuro di Ferro 25.4 g di Ferro + 14.6 grammi di Zolfo = 40 grammi di Solfuro di Ferro Ferro/Zolfo = 1.74 SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Legge di Dalton (1766-1844) : proporzioni multiple Quando due elementi si combinano in modi diversi per formare diversi composti, posta fissa la quantità di uno dei due elementi, la quantità dell'altro elemento necessaria per formare un diverso composto risulterà essere un multiplo o sottomultiplo di se stessa, in rapporti esprimibili con numeri piccoli ed interi. 1 g di Carbonio + 1.33 grammi di Ossigeno = 2.33 grammi di Monossido di Carbonio 1 g di Carbonio + 2.66 grammi di Ossigeno = 3.66 grammi di Diossido di Carbonio SB - SAPC O C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini N SB - SAPC Cosa sono gli atomi? E’ possibile “vederli”? C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini MICROSCOPIA A EFFETTO TUNNEL STM (1982, Rohrer &Binning) Scanning Tunnelling Microscopy Il Microscopio a Effe/o Tunnel è dotato di una punta di materiale metallico (tungsteno, pla:no-iridio o anche oro) che, a una distanza di circa 10÷20 Å dalla superficie condu/rice di un solido, sente una corrente dovuta a un passaggio di ele/roni dalla punta alla superficie del materiale (effe/o tunnel). Da questo deriva nel 1996 il Microscopio a Forza Atomica (AFM) Il microscopio STM è costituito da una punta posta così vicina alla superficie del campione conduttore che quando è applicata una differenza di potenziale scorre una corrente per effetto tunnel che dipende esponenzialmente dalla distanza puntacampione SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Visualizzazione dei singoli atomi di una proteina tramite microscopia crioelettronica, o Cryo-EM (Nature). SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini TORNIAMO ADESSO AGLI ATOMI: secondo Dalton gli atomi erano indivisibili, ma….. 1897 THOMSON scopre l’elettrone, particella carica negativamente. Applicando una elevata differenza di potenziale fra due elettrodi di metallo in un tubo di vetro sotto vuoto, si osserva un flusso di cariche elettriche (raggi catodici) dal catodo (elettrodo negativo) all’anodo (elettrodo positivo). Tali particelle hanno tutte la stessa carica (negativa), qualunque metallo si usi come catodo. Il rapporto carica/massa e/m = -1.76x108 C/g SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini 1909 MILLIKAN misura la carica dell’eleOrone. Piccole gocce d’olio vengono faOe cadere tra due piastre eleOricamente cariche; i raggi X provocano l’espulsione di eleOroni dagli atomi dell’aria; quesS eleOroni vengono captaS dalle gocce d’olio che si caricano negaSvamente. La variazione del voltaggio influenza la caduta; Millikan calcola la carica negaSva delle gocce, che risulta sempre un mulSplo intero di -1.602x10-19 C. Quindi deduce che questa è la carica dell’eleOrone. A questo punto, calcola anche la massa dell’eleOrone che è 9,1095x10-31Kg. SB - SAPC 1898 MARIE CURIE isola il polonio ed il radio, sostanze che emettono spontaneamente radiazioni, e ipotizza che gli atomi delle sostanze radioattive si degradano spontaneamente man mano che emettono queste radiazioni. Gli atomi con nuclei instabili possono dare origine a DECADIMENTO RADIOATTIVO di Spo: alfa nuclei di elio-4 beta flusso di eleOroni gamma fotoni ad alta energia C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini SB - SAPC Gli atomi con nuclei instabili possono dare origine a DECADIMENTO RADIOATTIVO di tipo: - alfa nuclei di elio-4, il nucleo diminuisce di 2 protoni P e 2 neutroni N - beta emissione di elettroni è, provoca la conversione di un neutrone N in un protone P - gamma fotoni ad alta energia, non cambia il contenuto di protoni e neutroni; si associa ad altre emissioni radioattive e corrispondede all’energia persa dal nucleo quando si riorganizza in una condizione più stabile. C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini SB - SAPC 1886 GOLDSTEIN uSlizzò il tubo di Crookes adoOando un anodo formato da una piastra metallica forata. Operando nelle stesse condizioni che avevano portato alla scoperta dei raggi catodici/eleOroni, notò che la parete dietro al catodo perforato diventava fluorescente in corrispondenza dei fori. Chiamò quesS raggi anodici. Nel 1919 ERNEST RUTHERFORD associò quesS raggi ad una parScella con carica posiSva uguale a quella dell’eleOrone + 1.602x10-19 C, chiamata protone. C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini 1932 CHADWICK scopre un’altra parScella, il neutrone. E’ privo di carica (0 C) e ha massa uguale a quella del protone 1.67x10-27 Kg. SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini … gli atomi non sono indivisibili: esistono delle particelle subatomiche che li compongono: PROTONI, NEUTRONI ed ELETTRONI 1,6022×10-19 C = carica elementare massa protone/massa elettrone volume nucleo/volume atomo ~ 1837 = (10-14)3 /(10-10)3 = 10-12 SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini Contemporaneamente a queste scoperte si sviluppano diverse teorie atomiche… 1903 Modello atomico di Thomson. L’atomo è complessivamente neutro; è una sfera positiva, uniformemente carica (una sorta di pasta del panettone) di raggio pari al raggio atomico. Gli elettroni sono conficcati nella sfera come l'uvetta nel panettone. Poiché Thomson era inglese, più che di panettone dovremmo parlare di pudding, tipico dolce inglese. SB - SAPC 1911 Esperimento di Rutherford e raggi alfa C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini 1911 Modello atomico di Rutherford. Un atomo è costituito in prevalenza da uno spazio vuoto occupato dagli elettroni e da una zona centrale molto piccola (nucleo) che contiene tutta la carica positiva ed quasi tutta la massa. SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini L’atomo ha una natura fondamentalmente elettrica. Elettroni e protoni sono tenuti assieme da forze ATTRATTIVE di tipo ELETTROSTATICO fra cariche di segno opposto. All’interno del nucleo agisce invece la FORZA NUCLEARE FORTE, che ha un raggio di azione molto piccolo: è la forza di attrazione fra la massa dei neutroni e quella dei protoni. Riesce a vincere la forza repulsiva elettrostatica fra protoni. Per rendere il nucleo stabile, occorre quindi un numero di neutroni almeno uguale a quello dei protoni. SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini ll neutrone è formato da un quark up e due quark down, con carica elettrica netta pari a zero. Il protone è formato da particelle ancora più piccole, due quark up e un quark down (carica positiva). N.B. Il Fermi o Femtrometro (fm) è l’unità di misura di lunghezza introdotta nell'ambito della fisica microscopica, pari a 10-15 m. SB - SAPC C.I. CHIMICA GENERALE Prof. Elisabetta Giorgini TEORIA ATOMICA (1) Tutta la materia è costituita da atomi, che sono divisibili in quanto formati da un nucleo centrale molto piccolo che contiene la maggior parte della massa e tutta la carica positiva. Nel nucleo si trovano i protoni e neutroni (NUCLEONI). Gli elettroni negativi contribuiscono molto poco alla massa dell’atomo. «Ruotano» attorno al nucleo e occupano la maggior parte del volume dell’atomo. (2) Gli atomi di un elemento non possono essere interconvertiti in atomi di un altro elemento in una reazione chimica (occorre una reazione nucleare). (3) Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni. Gli atomi sono quindi strutture neutre: il numero dei neutroni può essere variabile. (4) Gli atomi sono neutri ma possono cedere o acquistare elettroni per arrivare a una maggiore stabilità: CATIONE ione positivo: perde elettroni Ca2+ Na+ H+ ANIONE ione negativo: acquista elettroni Cl- S2-