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struttura atomica della materia ssss

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Struttura atomicadella materia

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La chimica“La chimica è la scienza che sioccupa dello studio dellacomposizione e delle proprietà dellevarie forme della materia”


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Classificazione della materiaClassificazione della materia

MATERIAspaziomassa

ComposizioneStrutturaProprietà

Trasformazioni

3 STATI DI AGGREGAZIONE

SOLIDO (V e forma propri)LIQUIDO (V definito e forma indefinita)GASSOSO (V e forma indefiniti)

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I materiali sono spesso formati daagglomerati complessi di atomi e di

molecole anche multi-fasici

fase 2fase 1

fase 3

FASE: porzione di materiachimicamente e fisicamenteomogenea delimitata da superficidi separazione ben definite


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Classificazione della materia

MATERIA

Sistemi fisicamente eterogenei(proprietà diverse –insieme di più fasi)

elementi

Sistemi chimicamenteeterogenei (più specie

chimiche)

Sistemi fisicamente omogenei(proprietà identiche in ogni punto-

fasi singole)

Sistemi chimicamenteomogenei (1 sola specie

chimica)

composti

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ElementiSono formati da atomi dello stesso tipo.Tutti gli elementi sono classificati nella Tavola o Tabella Periodicadove sono indicati sia il nome che il simbolo Chimico.90 elementi in natura (gli altri sono artificiali). Crosta terrestre 13elementi.

CompostiSono costituiti da atomi di tipo diverso ed hanno composizionefissa (es. H2O, H: 11,9% O: 88,81%)Proprietà dipendono:Natura elementi (NaCl, KCl)Modo in cui gli atomi sono legati (CH3CH2OH, CH3OCH3)

Classificazione della materia


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Oltre il 98% della massa della crosta terrestre è costituita daiseguenti 13 elementi

• Ossigeno (O) 46.1• Silicio (Si) 25.7• Alluminio (Al) 7.51• Ferro (Fe) 4.70• Calcio (Ca) 3.99• Sodio (Na) 2.64• Potassio (K) 2.40• Magnesio (Mg) 1.94• Cloro (Cl) 1.88• Idrogeno (H) 0.88• Titanio (Ti) 0.580• Fosforo (P) 0.120• Carbonio (C) 0.087

% in massa

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Immagine ottenuta con un microscopio ascansione a effetto tunnel (STM) di unsingolo atomo di Xenon depositato su unasuperficie di Nickel(110)

La data celebrativa del nuovomillennio è stata ottenutaposizionando 47 molecole diossido di carbonio, CO, su unasuperficie di rame, mediantetecniche di microscopie a sonda


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La materia è costituita da atomi indivisibili e indistruttibiliTutti gli atomi di uno stesso elemento hanno la stessa massa e le stesseproprietà chimicheAtomi di elementi diversi hanno masse diverse e proprietà chimichediverseGli atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeriinteri e generalmente piccoli dando origine a composti

TEORIA ATOMICA di DALTON (1808)

La MATERIA è costituita da particelleestremamente piccole: gli ATOMI

Fine 800-inizio 900 demolizione della teoria atomica di Dalton

Atomos = indivisibile

Le origini della teoria atomicaDemocrito (468-370 a.c.)Epicuro (341-270 a.c.)Lucrezio (96-11 a.c.)

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Il modello di ThompsonEsperimenti con raggicatodici: scopertadell’elettrone

L’atomo è neutro per cui devono esistere anche dellecariche positive, i protoni

Modello a “panettone” di Thompson

Struttura atomica della materiaStruttura atomica della materia


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L’esperimento di ruthefordL’esistenza del nucleo

Struttura atomica della materiaStruttura atomica della materia

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Modello planetario con un nucleo contenente i protoni e glielettroni che ruotano intorno al nucleo come i pianeti intornoal sole (nuvola elettronica). Ipotizzata esistenza dei neutroni.

Modello atomico diRutherford

++

+ --

-

Nucleo contenenteparticelle carichepositivamente (protoni) edaltre particelle (neutroni)

Elettroni, che ruotanointorno al nucleo


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ATOMO: particella neutra a forma sferica con al centro unpiccolissimo nucleo positivo.

Atomora≈ 10-8 cm

elettroni(e-)

nucleo(rnucl≈ 10-12-10-13 cm)

protoni(p+)

neutroni(n)

quarks quarks

Struttura atomica: le particelle fondamentali

I nucleoni sono le particelle che costituiscono ilnucleo atomico e quindi comprendono sia iprotoni che i neutroni. Essi sono tenuti insieme daforze di scambio che non sono né di naturaelettrostatica, né gravitazionale, ma chesarebbero generate da uno scambio continuo tra inucleoni di mesoni π (chiamai anche pioni) di tipodiverso. Questi ultimi sono particelle con massa264-273 volte quella dell’elettrone

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1 nm (nanometro) = 10–9 m1 Å (Ångstrom) = 10–10 m1 pm (picometro) = 10–12 m

Struttura atomica – Le dimensioni degli atomi

Se il nucleo dell’atomo di idrogeno avessele dimensioni di una palla da tennis,l’elettrone si troverebbe ad una distanza dicirca 2000 m.


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Esempio: Rame (Cu), Ferro (Fe), ...Raggio nucleare

Valore sperimentale: rnucl ≈ 10-4 Årat/rnucl ≈ 10000 (in alcuni casi anche

100000)

≈ 1 cm

Struttura atomica – Le dimensioni degli atomi

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Particella Massa Carica

simbolo SI (g) atomica SI (C) atomica

e- 9.109·10-28 5.486 ·10-4 -1.602·10-19 -1

p+ 1.673·10-24 1.0073 +1.602·10-19 +1 n 1.675·10-24 1.0087 0 0

unità di carica atomica: 1.602·10-19 Cunità di massa atomica: 1.6606 · 10-24 g

massa elettrone 1836 volte < massa protone

Nel NUCLEONUCLEO è concentrata la MASSAMASSA dell’atomo

Struttura atomica: le particelle fondamentali


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Atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietàchimiche, sono classificati come atomi dello stesso elemento eidentificati dallo stesso simbolo chimico.

Carica nucleare (+ Z)

La struttura dell’atomo

Numero di massa (A) = numero protoni + numero neutroni= numero nucleoni.

A - Z = numero dei neutroni

Numero atomico (Z) = numero di protoni (corrispondeanche al numero di elettroni essendo gli atomi neutri).

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XA

Z

NuclideUna specie atomica caratterizzata da una ben determinatacomposizione del nucleo.

Per scrivere un nuclide occorre:simbolo elemento (X)Z (in basso a sinistra)A (in alto a sinistra)

La struttura del nucleo atomico: nuclidi e isotopi

N Z = 7 A = 14 A-Z = 7 7 p+, 7 e-, 7 n; carica nucleare: +7

14

7

Esempio: nuclide elemento azoto


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IsotopiNuclidi di uno stesso elemento (isos topos = stesso posto), quindicon uguale numero atomico Z ma diverso numero di massa A equindi diverso numero di neutroni.

C14

C12

C13

C6

IsobariNuclidi di elementi diversi, quindi con diverso numero atomico Z macon uguale numero di massa A (isos baros = stesso peso).

Fe54

26 Cr54

24


O18

O16

O17

O8

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Tutti gli isotopi di un elemento hanno lo stesso nome. Faeccezione l’idrogeno:

L’idrogeno naturale contiene il 99.985% di H, lo 0.015% di Ded una percentuale pressoché inapprezzabile di T.

Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono solo dalnumero di elettroni (e quindi da Z) e conseguentemente diversiisotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche echimico-fisiche. Fanno eccezione gli isotopi degli elementi leggeri,in particolare dell’idrogeno:

H2O p.f. 0.00°C p.e. 100.00°C ad 1 atmD2O p.f. 3.82°C p.e. 101.42°C ad 1 atm

Esistono elementi come F, Al e P che hanno un solo isotopo


idrogenoHH ==1

1deuterioDH ==

2

1trizioTH ==

3

1


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Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi concomposizione costante.

Ne (9.22%)2210

Ne (0.27%)2110

Ne (90.51%)2010

Spettro di massadel Neon


Quando si indica unelemento con il solosimbolo (Ne) ci siriferisce alla sua miscelaisotopica naturale.

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La struttura del nucleo atomico La struttura del nucleo atomico Nuclidi stabili e Nuclidi stabili e radionuclidiradionuclidi

Nuclidi noti > 1000Nuclidi stabili (naturali) ≈ 270Nuclidi instabili naturali ≈ 30

StabilitàStabilità

Numero PROTONI (Z)

Numero NEUTRONI (A-Z)

Processo di decadimento radioattivo è un processo di trasformazione di unnuclide in un altro nuclide (stabile o meno) con emissione di PARTICELLEe a volte di radiazione elettromagnetica.Legami chimici, stato di aggregazione, P, T, campi elettrici e campimagnetici NON influenzano i processi di decadimento radioattivo.


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In particolari condizioni e senza alterare la composizione delnucleo, un atomo può perdere o acquistare elettroni, diventandocosì una specie elettricamente carica detta ione.

Un atomo che perde uno o più elettroni diventa caricopositivamente, ovvero uno ione positivo (catione).

Un atomo che acquista uno o più elettroni diventa cariconegativamente, ovvero uno ione negativo (anione).

Simbologia: simbolo dell’elemento, carica ionica (numero dicariche + o –) in alto a destra.

ESEMPI: Na+ Al3+ O2– Cl–

IONI

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Le masse atomiche assolute degli atomi si possono determinaresperimentalmente con la spettrometria di massa. I valori sono moltopiccoli: H 1.66 x 10-24 g

Fe 9.30 x 10-23 g

Unità di Massa Atomica (u.m.a.)1 u.m.a. = 1/12 della massa assoluta di 12C = 1/12 1.9926·10-23 g

= 1.6606·10-24 g

1961 definita scala unificata delle masse atomiche

Con questa unità di misura sono state tabulate le masse atomicherelative (Mr).

Massa atomica

massa atomica assoluta (g) dell’isotopomassa (g) corrispondente all’unità di massa atomicaMr =


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1.9926·10-23 g

Mr 23Na = 38.163·10-24 g1.6606·10-24 g

= 22.9898

1.6606·10-24 gMr 12C = = 12.0000

Elementi in natura miscele di diversi isotopiMassa atomica media relativa di un elemento Quale massariportiamo nella tavola periodica???? La media pesata delle masseatomiche relative degli isotopi costitutivi (peso atomico).

C (98.89%) M = 12.000012 6 C (1.11%) M = 13.0033513

6

12.0000 x 98.89 + 13.00335 x 1.11MC = = 12.01

100

Massa atomica (peso atomico)

100

p M M i ii

E

!=

ME = massa atomica media dell’elementoMi = massa atomica dell’isotopo i-esimo;pi = abbondanza relativa dell’isotopo i–esimo (%)

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Le specie chimiche si rappresentano sinteticamente con dellenotazioni dette formule chimiche.

Le formule chimiche indicano quali elementi sono presenti in unadata specie chimica (o quale elemento, nel caso di una specieelementare) e in quali rapporti essi si trovano.

ESEMPI: H2O S8 C2H6O CaSO4

L’informazione qualitativa è contenuta nei simboli degli elementicostituenti la specie chimica, mentre l’informazione quantitativa èdata dagli indici numerici che indicano i rapporti di combinazione(coefficienti stechiometrici).

Quando l’indice è 1, per semplicità si omette.

FORMULE CHIMICHE


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Alcol etilico(C2H6O)

Le molecole sono aggregatipoliatomici, vengono rappresentate dauna formula chimica che fornisceuna descrizione della composizione inmaniera qualitativa e quantitativa

massa molecolare

somma delle masse atomiche degliatomi presenti in una sua molecola

MC2H6O = 2 MC + 6 MH + MO = 2 · 12.011 + 6 · 1.0079 + 15.999 =

= 46.068

Massa molecolare (peso molecolare)

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Le reazioni chimiche osservabili sperimentalmente coinvolgono unnumero enorme di atomi, molecole o ioni.È conveniente definire una nuova grandezza che rappresenta unnumero grande e fisso di particelle e comparabile alle quantitàutilizzate in un esperimento reale.

Mole (simbolo mol)Quantità di sostanza che contienetante entità elementari (atomi, ioni,molecole, ecc.) quanti sono gliatomi contenuti in 12 g esatti di12C, il cui valore corrisponde ad NA

Numero di Avogadro

NA = 6.022·1023 entità/mol

Mole

A. Avogadro


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n° atomi 12C in 1 mole =12.0000 g

massa di 1 atomo 12C=

12,0000 g12 · 1,6606 10-24 g

n° atomi 12C in 1 mole = 6,022 1023

Mole

Massa molare di una sostanza

La massa di una mole di atomi o di molecole si dice massamolare ed è espressa in g/mol

Come conseguenza della definizione di mole, la massa molareè numericamente uguale alla massa atomica (per gli elementi)o alla massa molecolare (per i composti).

1 mole Fe contiene un numero NA di atomi di Fe1 mole di H2O contiene un numero NA di molecole di H2O

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Verifica. Calcolo massa molare di H2O (MH2O):

MH2O = n° molecole H2O in 1mole · massa di una molecola H2O =MH2O =6.022 1023 mol-1 · 1.660610-24 g · 18.02 = 18.02 g mol-1

Analogamente per gli elementi, essendo MCa = 40.08, 1 mole di Ca(NA atomi) pesa 40.08 g

numericamente uguale allamassa molecolare (18.02)


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CALCOLO DEL NUMERO DI MOLI

Il numero di moli contenuto nella massa (in g) di una certa quantità disostanza è dato da:

Il numero di particelle elementari contenute nella quantità di una certasostanza sarà pari a:

n (mol) =m (g)

M (g mol-1)

numero particelle = n (mol) · NA (mol–1)

ESEMPIO: Quante moli e quanti atomi sono contenuti in 100.0 g di sodio?La massa molare del sodio, numericamente pari al suo peso atomico, è 22.990 g mol–1

n (mol) = 100.0 g /22.990 g mol–1 = 4.350 molnumero di atomi di sodio = 4.350 mol · 6.02213 · 1023 mol-1 = 2.620 · 1024

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Stessa massaDiverso numerodi moli

Diversa massaUguale numerodi moli

Massa molare (di un elemento o di un composto)


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n = 1 mole

46 g di alcoletilico

18 g di acqua 180 g diglucosio

342 g di saccarosio

Massa molare (di un elemento o di un composto)

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LA MASSA MOLARE SC

HgPbCu

n = 1 mole

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