Le risposte della scienza alle domande dell’Astronomia

LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI TRA TERRA E SPAZIO

17 ottobre 2009 - Via Bellardi 116 a Torino

Lorenzo Tei

Gli elementi raggruppati a seconda dell’epoca della loro scoperta

Breve introduzione storica1661- Robert Boyle: The Skeptical Chemist è il primo testo in cui la chimica è considerata una scienza. Famosa la sua Legge dei Gas; applica il metodo scientifico allo studio della materia e delle sue trasformazioni allontanandosi dalle vaghe e misteriose teorie e legate al misticismo dell'alchimia.

1789- Antoine Lavoisier: Traité Élémentaire de Chimie ; La legge di conservazione degli elementi o legge della conservazione delle masse: “Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”. Studio accurato del fenomeno della combustione (avviene solo in presenza di ossigeno). Definì per primo un elemento chimico come una sostanza che non può essere ulteriormente decomposta.

1808 - John Dalton: E’ il primo a introdurre una teoria atomica: la materia è formata da piccolissime particelle indivisibili e indistruttibili chiamate atomi e “Gli atomi di un elemento si legano agli atomi di altri elementi in rapporti unitari se il prodotto è un singolo composto” (Legge di Dalton)

1811 - Amedeo Avogadro: distinse atomi da molecole, ammettendo che particelle semplici potevano essere composte da molecole, e che queste ultime sono composte da atomi; “Volumi uguali di gas, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole” (Legge di Avogadro)

1813 - Jöns Jacob Berzelius cambiò la scrittura attuale della formula chimica introducendo i simboli letterali.

Breve introduzione storica

Dmitrij Mendeleev (1834 - 1907), nel 1869 introdusse la tavola periodica degli elementi Regolarità delle proprietà chimiche degli elementi, classificati sulla base del peso atomico.

Nel 1830 si conoscevano più di 50 elementi diversi, divenne necessario ordinarli secondo un metodo sistematico. Si andava inoltre accumulando un gran numero di dati relativi alle proprietà chimiche e fisiche degli elementi già isolati.

Mendeleev e la Tavola Periodica

In base alla Legge Periodica posizionò correttamente alcuni elementi che avevano ad allora un numero atomico sbagliato.

Ancora più sorprendentemente lasciò bianche le caselle relative ad alcuni elementi ancora sconosciuti predicendone la loro scoperta (scandio, germanio e gallio) compresi il loro peso atomico e le loro proprietà chimico-fisiche.

Previsioni fatte in base ad analogie e linearità presenti nella Tavola

Mendeleev e la Tavola Periodica

Come si sono formati gli elementi chimici? NucleosintesiProcesso di formazione degli elementi chimici attraverso reazioni di fusione termonucleare. Tali reazioni nucleari si possono dividere in due gruppi, a seconda che siano avvenute nelle prime fasi di vita dell’universo (nucleosintesi cosmologica) o all’interno dei nuclei delle stelle (nucleosintesi stellare), dove si verificano ancora oggi.La formazione dei primi elementi chimici dell’universo ebbe inizio circa tre minuti dopo il Big Bang: tramite la fusione di protoni (che in pratica rappresentano i nuclei di H) e neutroni, iniziarono a formarsi i nuclei di He e solo in piccolissima quantità di Li.

I nuclei degli elementi successivi, fino al Fe (26° elemento) si formano in reazioni di fusione termonucleare per cattura di nuclei di 4He (2protoni e 2neutroni) si formano 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si. Due nuclei di Si si combinano per dare 56Ni che è instabile e decade prima a 56Co e poi al nucleo stabile del 56Fe.

Le reazioni nucleari per la formazione degli elementi successivi al Fe, invece, non avvengono spontaneamente, perché sono endotermiche (richiedono energia per avvenire).

Gli astrofisici ritengono che questi nuclei si producano nel corso delle esplosioni di supernova, attraverso un processo noto come cattura neutronica. In sostanza, i nuclei di elementi già relativamente pesanti catturano dei neutroni, che li rendono ancora più massicci. Poi, tramite l’emissione di elettroni (decadimento β-) i neutroni si trasformano in protoni e si formano i nuclei degli elementi mancanti, fino all’uranio.

Nucleosintesi stellare

Abbondanze relative degli elementi nell’universo

• Composizione del mezzo interstellare: si ha una uniforme e prevalente presenza di H (93.9%) e di He (5.9%), tutti gli altri elementi costituiscono assieme il restante 0.2% (impurità di valore trascurabile rappresentate da O, C e N oltre a Ne, Ni, Si, S, Fe, Mg, Ca, Al, Ar e Na).

• H2 e He rimangono allo stato gassoso fino a temperature prossime allo zero assoluto (-273º C), il 99.8% dell’universo resta gassoso anche nelle parti esterne più fredde.

• Tutti gli altri elementi, che possono reagire con l'ossigeno formando ossidi, resistono allo stato solido anche a temperature molto alte comprese tra i 700 e i 1000º C circa.

I pianeti del Sistema Solare hanno avuto origine dalla condensazione e aggregazione di materia a partire da gas e pulviscolo cosmico contenuti all'interno di una nebulosa solare a forma di disco, che aveva al centro il “proto-Sole”.

La temperatura di questo ammasso di materia doveva raggiungere e superare i 2000ºC verso l'interno, per diminuire gradualmente verso l'esterno.

Quando la temperatura dell’anello di materiale che circolava intorno al sole è scesa sotto i 2000°C si condensò nei pianeti le cui orbite stanno sul piano di quell’anello.

Formazione dei pianeti

Composizione dei pianeti del sistema

solarePianeti rocciosi terrestri interni: Mercurio, Venere, Terra e MarteI giganti gassosi: Giove, SaturnoI giganti di ghiaccio: Urano, Nettuno

I pianeti giganti (più esterni) sono composti soprattutto di H2 e He, e di una percentuale molto minore di silicati e metalli mentre i pianeti terrestri (più interni) hanno un nucleo centrale di metallo (Fe o Ni) ricoperto di silicati. I pianeti ghiacciati sono ricchi di composti volatili del carbonio e dell’azoto con una porzione solida di metano e azoto solidificati.

* ferro (32,1%) * ossigeno (30,1%) * silicio (15,1%) * magnesio (13,9%) * zolfo (2,9%) * nichel (1,8%) * calcio (1,5%) * alluminio (1,4%) * altri elementi (1,2%)

Composizione della Terra

Si ritiene che il nucleo sia costituito principalmente di ferro (88,8%) con piccole quantità di nichel (5,8%) e zolfo (4,5%).

Poco più del 47% della crosta terrestre è composta da ossigeno.

I costituenti più comuni sono rappresentati dagli ossidi (silicati, gli ossidi di alluminio, di ferro, di calcio, magnesio, potassio e di sodio)

Cloro, zolfo e fluoro sono le uniche importanti eccezioni, sebbene la loro presenza totale nelle rocce sia inferiore all'1%.

Distribuzione degli elementi nelle atmosfere planetarie

Mercurio e Marte sono per lo più senza atmosfera, quella di Venere è quasi tutta di CO2, quella della Terra di N2 e O2 e gli altri pianeti quasi solo da H2 e He.

I pianeti giganti esterni hanno trattenuto i loro gas leggeri a causa della gravità cui soggiacciono e delle basse temperature, mentre i pianeti più piccoli interni hanno perso la maggior parte dei loro componenti volatili.

Venere Marte

CO2 96.5% 95.0%

N2 3.5% 2.7%

O2 Tracce 0.13%

Ar 70 ppm 1.6%

CH4 0% 0%

T (°C) 459 -53

P (bar) 90 0.0064

Elemento/Molecole: Percentuale (parti per milione)

Azoto (N2) 78,08% Ossigeno (O2) 20,95% Argon (Ar) 0,93% Vapore acqueo (H2O) 0,33% in media (variabile

da circa 0% a 5-6%)Biossido di carbonio (CO2) 0,032% (320 ppm)

Neon (Ne) 0,00181% (18 ppm)

Elio (He) 0,0005% (5 ppm)

Metano (CH4) 0,0002% (2 ppm)Idrogeno (H2) 0,00005% (0,5 ppm)

Kripton (Kr) 0,000011% (0,11 ppm)

Xeno (Xe) 0,000008% (0,08 ppm) Ozono (O3) 0,000004% (0,04 ppm)

L’atmosfera terrestre

Terra (senza vita)

Terra attuale

CO2 98.0% 0.03%

N2 1.9% 79.0%

O2 0% 21%

Ar 0.1% 1.0%

CH4 0% 1.7 ppm

T (°C) 240-340 14

P (bar) 60 1

Elemento Percentuale di massa

Ossigeno 65Carbonio 18Idrogeno 10Azoto 3Calcio 1.5Fosforo 1.2Potassio 0.2Zolfo 0.2Cloro 0.2Sodio 0.1Magnesio 0.05Ferro, Cobalto, Rame, Zinco, Iodio <0.05 ciascuno

Selenio, Fluoro <0.01 ciascuno

E infine…nel corpo umano?Le cellule sono composte per il 65-90% del loro peso da acqua (H2O); un'altra parte significativa del peso è dato da molecole organiche contenenti carbonio.

E come si sono potute formare le molecole della vita (acidi nucleici come DNA e RNA, amminoacidi e quindi proteine) a partire dagli elementi chimici….?

Ma questa è un’altra storia….Chimica Prebiotica.

La tavola periodica degli elementi tra Terra e Spazio

Dott. Lorenzo Tei

CONSIGLI di LETTURAPrimo Levi – “Il sistema periodico” (Einaudi) Oliver Sacks – “Zio Tungsteno” (Adelphi)