Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari
ISTM-CNR, Università degli Studi di Padova
e-mail: [email protected]
Silvia Gross
La chimica moderna e la sua comunicazione
Master in Comunicazione delle Scienze
Dipartimento di Scienze Chimiche
Università degli Studi di Padova
e-mail: [email protected]
Silvia Gross
La chimica moderna e la sua comunicazione
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
http://www.chemistry2011.org/
2011: Anno internazionale della Chimica(2015: Anno internazionale della Luce)
“Chemistry is really the queen of the
sciences. If there is any one subject that
an educated person should know in the
world, it is chemistry.”
Roger Kornberg, Nobel Laureate in
Chemistry 2006
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
2019: Anno internazionale
della Tavola Periodica
https://iupac.org/united-nations-proclaims-international-year-periodic-table-chemical-elements/
Nel 2019 ricorreranno infatti 150 anni dall'invenzione da parte di Dmitrij Mendelev
del sistema periodico e della Tavola, un capolavoro della scienza per classificare
gli elementi chimici, ancora in fase di completamento poiché il numero degli
elementi conosciuti continua ad aumentare (gli ultimi 4 elementi sono stati inseriti
nel novembre 2016).
La decisione delle Nazioni Unite intende riconoscere l'importanza della chimica
per la promozione dello sviluppo sostenibile e per la ricerca di soluzioni
alle sfide globali in svariati settori (quali energia, educazione, agricoltura,
salute) e fornirà l'occasione per dimostrare la centralità degli elementi
chimici per collegare aspetti culturali, economici e politici della società
globale attraverso un linguaggio comune.
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
Breve CV
Silvia Gross1996 Laurea quinquennale in Chimica, Università di Padova
1994-2008 Collaboratrice de “Il Gazzettino” ed altri giornali
2000-2017 Iscritta all’Albo Pubblicisti dell’Ordine dei Giornalisti del Veneto
2001 Dottorato di Ricerca in Scienze Chimiche, Università di Padova
2001-2002 Post-Doc Technische Universität Vienna, Austria (18 mesi)
2001-2010 Ricercatore CNR
2004-2017 Docente di Chimica generale, Chimica Inorganica, Tossicologia, Chimica dei Colloidi
2006-2016 Comitato Organizzatore “Non è magia è chimica” (Università di Padova)
2004-2018 Docente di Chimica nel Master in Comunicazione della Scienza
2004-2017 Attività di divulgazione ed alfabetizzazione della chimica per varie fasce di età (3-18 anni)
2014-oggi Co-ideatore ed organizzatore dello spettacolo di Magia Chimica «I MagiChimici»
2010-2017 Primo Ricercatore CNR
2013-2017 DFG Mercator Fellow e Visiting Professor Justus Liebig Universität Giessen, Germania
2017 Professore ordinario di Chimica Generale ed Inorganica (università di Padova)
Autore di circa 140 pubblicazioni scientifiche ISI e 5 capitoli di libro
Autore di circa 1000 articoli su “Il Gazzettino” riguardanti Università di Padova e divulgazione scientifica
http://www.chimica.unipd.it/silvia.gross/
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articolazione delle lezioni
Introduzione alla a chimica: i suoi concetti, il suo linguaggio (3.5 h)
(4 su 11 corsisti hanno fatto chimica all’Università)
Cos’è la chimica: definizione e brevissima storia
Atomo e sua struttura, molecola, elementi, composti, ioni, isotopi
Il Sistema Periodico: gruppi, periodi, metalli, non metalli, gas nobili
Stati di aggregazione e trasformazioni della materia
Sostanze amorfe e cristalline
Acidi e basi, il pH
Ossidazioni e riduzioni, sostanze ossidanti e riducenti
I materiali: polimeri, metalli, leghe, ceramici, vetri, nanomateriali
Elementi radioattivi e radioattività (cenni → cfr. lezioni Prof. Pascolini)
Sostanze chimiche ed effetti sull’uomo e l’ambiente: frasi di rischio, tossicità di una
sostanza, concentrazioni limite, dosi ed esposizione, sistema R/S (obsoleto), sistema GHS
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articolazione delle lezioniComunicare la chimica (3.5 h)
• L’immagine odierna della chimica: falsi scientifici e demonizzazioni
• Il linguaggio corretto: le formule, la terminologia, scelta dei termini
• Scrivere di chimica: dove trovare le informazioni corrette, la ricerca delle fonti
• Esempi di comunicazione scientificamente scorretta e possibili rimedi
• Sostanze e concetti di cui sentiamo parlare spesso (diossina, radicali liberi ecc.)
• Esercizio: leggere criticamente e scrivere un articolo su un argomento di chimica
• Divulgazione chimica a Padova
La chimica oggi: casi studio (4 h)
• La regolamentazione europea REACH
• Metalli “pesanti”?
• Questione di definizione
• Tossicità ed accumulo nell’ambiente e negli organismi
• La corsa al nuovo oro: i lantanidi (o terre rare) e gli «elementi della speranza»
• Il Teflon e le sostanze fluorurate
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Esercitazione interattiva
Redazione testo divulgativo (6-17 gennaio)
• Individuare un argomento relativo alla chimica (non vaccini, o argomenti correlati a medicina)
• redigere un breve testo (3-4000 caratteri) per la cronaca di giornale quotidiano locale o nazionale
• inviarlo al docente entro il 17.1.2018
Discussione in aula (1 h) il giorno 25.1.2019
• Correttezza del contenuto «chimico»
• Linguaggio scelto per veicolare la notizia
• Efficacia mediatica
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cos’è la ChimicaL
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La chimica studia la materia, la sua composizione e le sue trasformazioni
È una scienza di base, con solide radici nel pensiero culturale moderno
È una disciplina insieme antica e modernissima
Dà un contributo primario al nostro sviluppo tecnologico
- chimica dei materiali
- sintesi e progettazione di farmaci
- chimica dell’ambiente
- chimica per le energie rinnovabili
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prima della Chimica: l’alchimiaL
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quando nasce la ChimicaL
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«Alla folla è bastato un solo istante per
tagliare la sua testa; ma alla Francia
potrebbe non bastare un secolo per
produrne una simile.» (J-L. Lagrange)
Antoine-Laurent Lavoisier (1743–1794)
Legge di conservazione della massa
Antoine Laurent de Lavoisier, Traité élémentaire de
chimie. 1, A Paris, chez Cuchet, 1789
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Nomenclatura e termini:
cos’è la IUPAC
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The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) serves to
advance the worldwide aspects of the chemical sciences and to contribute to the
application of chemistry in the service of Humankind. As a scientific,
international, non-governmental and objective body, IUPAC can address many
global issues involving the chemical sciences.
IUPAC announces the verification of the discoveries of 4 new chemical
elements: The 7th period of the periodic table of elements is complete.
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Gli ultimi 4 elementi del
Sistema Periodico
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• Nihonium and symbol Nh, for the element 113
• Moscovium and symbol Mc, for the element 115
• Tennessine and symbol Ts, for the element 117
• Oganesson and symbol Og, for the element 118
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Terminologia (IUPAC)L
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chemical element
A species of atoms; all atoms with the same number of protons in the atomic nucleus.
A pure chemical substance composed of atoms with the same number of protons in the
atomic nucleus.
Sometimes this concept is called the elementary substance as distinct from the chemical
element as defined under 1, but mostly the term chemical element is used for both
concepts.
molecule
An electrically neutral entity consisting of more than one atom (n > 1). Rigorously, a
molecule, in which n> 1 must correspond to a depression on the potential energy surface
that is deep enough to confine at least one vibrational state.
ion
An atomic or molecular particle having a net electric charge.
isotopes
Nuclides having the same atomic number but different mass numbers.
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Terminologia (IUPAC)L
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https://goldbook.iupac.org/index.html
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l’atomo e la sua strutturaL
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elettrone
nucleo: nucleoni
protoni + neutroni
Tipo di particella Carica Massa
protone +1 1.66 * 10-27 kg
neutrone 0 1.66 * 10-27 kg
elettrone -1 9.31 * 10-31 kg (1800 volte più leggero del protone)
raggio di un atomo: ≈ 100 pm = 100*10-12 m
Raggi ionici:
(http://abulafia.mt.ic.ac.uk/shannon/ptable.php)
N.B. La figura è idealizzata e non
rappresentativa della realtà
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elementi & compostiL
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gio un elemento (sono 118 attulmente) è costituito da un unico tipo di atomo
lo caratterizzano la massa atomica (A)
(somma masse dei protoni e dei neutroni)
e
il numero atomico (Z)
(numero di elettroni e quindi di protoni:
specie elettricamente neutra)
un composto deriva dalla combinazione
di due o più elementi, che hanno tra
loro rapporti definiti e costanti
CO2, CO
H2O2, H2O
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terminologiaL
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Elementi, composti, molecole
Elementi: H, C, Na, P, He
(eventualmente in forma di molecole: H2, Cl2, S8, P4…)
Composti: combinazione di due o più atomi di elementi diversi
(eventualmente costituiti da molecole)
Binari: due elementi (NaCl (non è una molecola!), NH3)
Ternari: tre elementi (HNO3, Ca3(PO4)2)
Quaternari (KSCN)
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atomi & molecoleL
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gio gli atomi (uguali o diversi) si combinano a dare molecole
Molecola di ossigeno, O2
Molecola di acqua, H2O
Molecola di ammoniaca, NH3
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la formazione dei legami chimici
H2, Cl2, F2, Br2, I2, O2, S2, S4, S6
molecole biatomiche, triatomiche, esatomiche
composti ionici (NaCl, LiCl..)
composti covalenti
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la formazione dei legami chimiciL
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"SOMETIMES IT SEEMS to me that a bond between two atoms has become so real, so
tangible, so friendly, that I can almost see it. Then I awake with a little shock, for a
chemical bond is not a real thing. It does not exist. No one has ever seen one. No one ever
can. It is a figment of our own imagination." C.A. Coulson (1910-1974) was an English
theoretical chemist who played a central role in the development of quantum theories of
chemical bonding.
Linus Carl Pauling
(1901-1994)
Vincitore di due premi
Nobel: chimica nel
1954 e per la pace nel
1962.
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la formazione dei legami chimici:
legame covalene (e polarità)
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la formazione dei legami chimici:
legame ionico
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ioQual è l’elemento più abbondante?
Universo:H2 = 90% atomico e 75% in peso … il resto è quasi esclusivamente He
Terra:Fe … ma poco accessibile
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ioElementi accessibili sulla terra
(crosta solida, acque superficiali ed atmosfera):
Elemento Abbondanza % Principali materiali contenenti l’elemento
Ossigeno 49.3 acqua, silice, silicati, ossidi metallici, atmosfera
Silicio 25.8 silice (sabbia, quarzo, agata, selce); silicati
(feldspato, argilla, mica)
Alluminio 7.6 silicati (argilla, feldspato, mica); ossido (bauxite)
Ferro 4.7 ossido (ematite, magnetite)
Calcio 3.4 carbonato (calcare, marmo); solfato (gesso)
fluoruro (fluorite); silicati (feldspato, zeoliti)
Sodio 2.7 cloruro (salgemma, acqua di mare); silicati
(feldspato, zeoliti)
Potassio 2.4 cloruro, silicati (feldspato, mica)
Magnesio 1.9 carbonato; cloruro (acqua di mare); solfato
Idrogeno 0.7 acqua; gas naturale e petrolio; materia organica
Titanio 0.4 ossido
Cloro 0.2 sale comune (salgemma, acqua di mare)
Fosforo 0.1 Rocce fosfatiche; materia organica
Gli altri 0.8
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terminologiaL
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gio Gli ioni
EA
Z
UN ATOMO CHE HA PERSO O ACQUISTATO UN ELETTRONE
VIENE DETTO IONE E POSSIEDE UNA CARICA ELETTRICA
± X
X = carica
= numero di protoni – numero di elettroni
O16
8
2-
Cu63
29
O
Cu
UNO IONE CON CARICA NEGATIVA E’
DETTO ANIONE
UNO IONE CON CARICA POSITIVA E’ DETTO
CATIONE
2+
2-
2+
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elementi ed isotopiL
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Gli isotopi (dal greco iso-topos, eguale posto, nella tavola periodica, dato che si tratta
di atomi con lo stesso nome) sono atomi dello stesso elemento chimico, e quindi
caratterizzati dallo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa, e
quindi massa atomica. Possiedono lo stesso numero di protoni ed elettroni (quindi
proprietà chimiche uguali) ma un diverso numero di neutroni (quindi proprietà fisiche
diverse), con conseguente differenza delle masse.
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ioisotopi più comuni
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importanza isotopi nelle scienze della vita• Gli isotopi radioattivi possono essere usati come traccianti
• La biochimica degli organismi può essere studiata utilizzando isotopi stabili (assorbimento di O o C)
• Datazioni (14C, t1/2 = 5730 anni )
• Marcatura (labelling) di particolari molecole e macromolecole
• Imaging (MRI) (131I) e PET (18F, 11C, 13N, 15O es.: 18F fluorodeoxyglucosio per metabolismo)
• Radiofarmaci (Tc)
• Radioterapia
• Risonanza magnetica nucleare (NMR)
Isotopes in Biology, G. Wolf, Academic Press, 1964
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gli allotropiL
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la grafite è carbonio
IUPAC: Different structural modifications of an element
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gli allotropiL
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anche il diamante è carbonio!
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gli allotropiL
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Dr. Jekyll
Mr. Hyde
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gli allotropiL
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anche il fullerene è carbonio!
Kroto, Curl e Smalley hanno ricevuto il premio
Nobel per la chimica nel 1996
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allotropia
allotropi del fosforo
allotropi dello stagno
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polimorfismoL
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The phenomenon in which the same chemical compound exhibits different crystal structures.
(http://reference.iucr.org/dictionary/Polymorphism)
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c4nr01657b/unauth#!divAbstract
TiO2
Biossido di titanio (titania)
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unità di misura per la massa degli atomi
• Unità di massa atomica (u)
1 u = m (1 atomo 12C)
= 1.660538782(83) ×10−27 kg = 1.660538782(83) ×10−24 g
12
1
in biologia si usa spesso il Dalton (Da), pari all’unità di massa atomica
Es. massa proteine generalmente data in kDa
massa aminoacido = 110-120 Da
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come si contano gli atomi
• Numero di Avogadro:
NA ≈ 6.02214 *1023
•1NA di isotopi 12C pesa 12 g !
• 1 NA di particelle è pari a “1 mole”
(simbolo: mol)
“massa molare” di 12C:
MM(12C) = 12 g/mol
• massa di un atomo di C:
12 g/6.022 *1023 = 1.99*10-23 g
esigenza relazione tra massa assoluta atomi e massa macroscopica sostanze
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Mole (mol)
Moli
Mole: quantità che consente di contare le molecole pesando quantità
macroscopiche di sostanza
quantità di sostanza che contiene un numero di Avogadro di oggetti
(atomi, molecole, ioni…)
1 mole di C = 6.022*1023 atomi di C
massa molare (g/mol) numericamente uguale alla massa atomica
relativa (adimensionale)
1 mole di C = 6.022*1023 atomi di C = 12 g di C
massa relativa acqua = 18.0152 (adimensionale)
massa molare acqua = 18.0152 g/mol
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...la nobiltà dell'Uomo, acquistata in
cento secoli di prove e di errori, era
consistita nel farsi signore della
materia, e che io mi ero
iscritto a Chimica perchè a questa
nobiltà mi volevo mantenere fedele.
Vincere la materia è comprenderla,
e comprendere la materia è
necessario per comprendere
l'universo e noi
stessi […]
Il sistema periodico
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iobreve storia degli elementi
• intorno ai primi secoli d.C. 9 elementi noti (C, S, Fe, Cu, A, Sn, Au, Hg, Pb)
• Medioevo (alchimia): Bi, As, Sb
• XVI-XVII secolo: P, Co, Ni (cercando il Cu: Kobold e Kupfernickel)
• XVIII- XIX secolo: Cavendish, Rutherford, Priestley, Scheele, Lavoisier
• 1770: 20 elementi noti
• 1800-1869: circa 40 elementi noti
• diversi scienziati sviluppano in modo indipendente idea di “affinità chimica”
• contributi di Dobereiner, Newlands ecc.
• 1869: Mendeleev e Meyer sviluppano in modo indipendente sistema periodico
• inizio XX secolo: 88 elementi noti (anche gas nobili)
• 1937: Emilio Segre e Carlo Perrier identificano tecnezio (dal greco “artificiale”)
• altri elementi radioattivi (At, Fr, Pm, dal nome mitologico di Promezio, che ruba fuoco)
• possibilità di estendere il sistema periodico: transuranici
• questioni e limiti tecnici nella sintesi di nuovi elementi
The New Chemistry
Nina Hall (editor), Cambridge University Press
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ioSistema Periodico degli elementi:
evoluzione verso la modernità
L. Gmelin, Handbuch der anorganischen Chemie 4th ed., Heidelberg, 1843, vol. 1, p. 52:
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Sistema Periodico degli elementi:
evoluzione verso la modernità
Döbereiner Triadi, 1829
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Sistema Periodico
degli elementi:
evoluzione verso
la modernità
1881
Spring's Diagram
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Sistema Periodico
degli elementi:
evoluzione verso
la modernità
Hans Peter Jørgen Julius Thomsen
(1895. Z. Anorg. Chem. 9, 190 )
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Legge delle ottave di Newlands (1864)
ripetizione di proprietà chimiche dopo una sequenza di
7 elementi (l’8 come il 1)
La Royal Society of Chemistry la definsce “chimica da avanspettacolo”
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triadi di Döbereiner (1829)
Johann Wolfgang Döbereiner
(1780-1849)
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Julius Lothar Meyer (1830-1895)
Julius Lothar Meyer (1830-1895)
- tedesco
- scopre il meccanismo di trasporto dell’ossigeno da parte dell’emoglobina
- classifica elementi in 7 gruppi
- presenta sistematizzazione di 52 elementi (1868)
- presenta sistematizzazione di 55 elementi (1870) in 9 gruppi
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tavola periodica di Meyer (1868-1872)
Julius Lothar Meyer (1830-1895)
55 elementi, ma la pubblica nel 1872
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tavola periodica di Meyer (1868-1872)
Julius Lothar Meyer (1830-1895)
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Mendeleev (1834-1907)
Dmitrij Ivanovič
Mendeleev (1834-1907)
- nato in Siberia, ultimo di 14 figli
- attraversa la Russia e va a studiare a Mosca, ma viene rifiutato
- va a San Pietroburgo dove si immatricola e si laurea
- studente brillante, ma pessimo carattere
- completa formazione a Parigi e Heidelberg (Bunsen)
- cattedra a San Pietroburgo dove sviluppa idee che porteranno al SP
- anarchico, istrionico, volubile, plateale, egocentrico, geniale
Aneddoto
Bigamo, denunciato. Lo Zar risponde “E’ vero, Mendeleev ha due mogli, ma io ho un solo Mendeleev “
(Il cucchiaino scomparso, S. Kean)
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Contributi di Mendeleev
- capisce che alcune proprietà degli elementi persistono nei loro composti, altre no
- intuisce l’importanza del peso atomico
- conoscenza sperimentale approfondita degli elementi (caratteristiche, colore, reattività…)
- dialettica tra teoria ed esperimento
- conosce bene i metalli, difficili tuttavia da classificare
- estrapolando proprietà, fa previsione su elementi allora ignoti, persino su loro densità e peso atomico
- li chiama con prefisso “eka” (da sanscrito: “sta dopo il..”)
- ekaalluminio (poi “gallio”, scoperto dal francese Lecoq, disfida polemica sulla paternità con M.)
- lascia lacune in corrispondenza dei lantanidi
- non previde invece l’esistenza dei gas nobili (Ramsay li sistemò in un gruppo 0 tra gli alogeni
(VII) e i metalli alcalini (I))
- Mendeleev lasciò vuoti alcuni posti, in corrispondenza di elementi non ancora scoperti (68 Ga
1871, 44 Sc 1879, 72 Ge (=ekasilicio) 1886), prevedendone alcune proprietà (massa,
densità, colore etc.).
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tavola periodica di Mendeleev (1869)
Dmitrij Ivanovič
Mendeleev (1834-1907)
• Mendeleev lasciò vuoti alcuni posti, in corrispondenza di elementi non ancora scoperti (68 Ga 1871, 44 Sc 1879,
72 Ge (=ekasilicio) 1886), prevedendone alcune proprietà (massa, densità, colore etc.).
•Non previde invece l’esistenza dei gas nobili.
• Ramsay li sistemò in un gruppo 0 tra gli alogeni (VII) e i metalli alcalini (I).
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1234
56
7
7 “periodi”
la tavola periodica moderna
La
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oi c
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cett
i, il
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gu
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io
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la tavola periodica moderna
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
18 “gruppi”
La
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
metalli
nonmetalli
metalloidi
gas nobili
la tavola periodica moderna
La
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la tavola periodica: la tavolozza del chimicoL
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la tavola periodica: la tavolozza del chimicoL
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La
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ioEquazioni chimiche e
conservazione della massa
Legge di Lavoisier n. di atomi X (reagenti) = n. di atomi X (prodotti)
C3H8 (g) + O2 (g) = CO2 (g) + H2O (g)
• C3H8 (g) + 5 O2 (g) = 3 CO2 (g) + 4 H2O (g)
1 molecola 5 molecole 3 molecole 4 molecole
1.00 moli 5.00 moli 3.00 moli 4.00 moli
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La
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ioEquazioni chimiche e reazioni
aA + bB → cC + dDdove:
• A, B, C e D sono le “specie” coinvolte
• a, b, c e d sono detti “coefficienti stechiometrici”
Deve essere rispettata la legge di conservazione di massa.
Per ciascun elemento, il numero di atomi deve essere uguale a dx. e a sx.
Quando i coefficienti stechiometrici soddisfano questa condizione,
l’equazione si dice “bilanciata”
reagenti prodotti
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gli acidi e le basiL
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Esistono tre teorie che interpretano e spiegano i concetti di
acido/base:
Arrhenius
Brønsted-Lowry
Lewis
nella quotidianità, i fenomeni acido/base
possono essere interpretati assumendo come:
acido: sostanza che dona ioni H+ (protoni)
base: sostanza che accetta protoni H+
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gli acidi e le basi: Teoria di
Brønsted-Lowry (1923)
La
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io
–Ma se NH3 è una base, e HCl è un acido, segue che:
– HCl + NH3 NH4Cl
–è una reazione acido-base.
–⇒ Le reazioni acido-base non sono solo quelle di neutralizzazione.
NH3 + H2O NH4+ + OH−
Acido –
un donatore di protoni H+
Base –
un accettore di protoni H+
HCl + H2O H3O+ + Cl−
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La
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iouna reazione acido-base
Base(1)
Base
con.(2)
Acido
con.(1)
Acido(2)
⇒ Una reazione acido-base è una reazione nella quale due coppie acido-base si scambiano un protone
+ H+
- H+
NH3 + HCl NH4+ + Cl−
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gli acidi e le basi: la scala del pHL
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acidi forti: acido nitrico (HNO3), acido solforico (H2SO4), acido cloridrico (HCl,
acido muriatico), acido perclorico (HClO4)
basi forti: idrossido di sodio (NaOH, soda caustica), KOH (potassa caustica)
cartina al tornasole:
determinazione pH
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gli acidi e le basiL
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
gli acidi e le basiL
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la pericolosità di acidi e basi forti non è tipicamente legata
alla tossicità (eccezione: HF), bensì alla loro azione irritante,
caustica e corrosiva, in alcuni casi disidratante:
pericolo per i tessuti
vanno evitati:
contatto con la pelle, occhi
ingestione
inalazione di vapori
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HF: un acido molto pericolosoL
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chela calcio e magnesio
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ossidazioni e riduzioniL
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una specie chimica si ossida quando perde uno o più elettroni (e
si chiama riducente)
una specie chimica si riduce quando acquista uno o più elettroni
(e si chiama ossidante)
specie riducente + specie ossidante = specie ossidata + specie
ridotta (con scambio reciproco di elettroni)
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ossidazioni e riduzioniL
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ossidazione
reazione di combustione
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ossidazioni e riduzioni:
corrosione
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2Fe(solid) = 2Fe2+(aq) + 4e-
O2(gas) + 4H+(aq) + 4e- = 2H2O(liquid)
4Fe2+(aq) + 3O2(gas) + 6H2O(liquid) = 2Fe2O3 .6H2O(solid)
Fonte: http://www.nace.org/Publications/Cost-of-Corrosion-Study/
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gli stati di aggregazioneL
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Fonte: treccani.it
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sostanze amorfe e cristalline
materiale
determinazione
strutturaarrangiamento ordinato di
atomi: reticolo cristallino assenza di ordine a lungo raggio
materiale cristallinomateriale amorfo
La
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
i cristalli L
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NaCl
cloruro di sodio, salgemma
sale da cucina
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i cristalli L
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acetato di sodio
il ferro
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i cristalli L
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
miscele, soluzioni & sospensioniL
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miscela: sistema eterogeneo di due o più componenti
soluzione: miscela chimicamente omogenea (a livello molecolare)
di due o più componenti (solvente e soluto)
sospensione: miscela in cui un componente (fase dispersa) è
finemente suddiviso è disperso in un altro componente (fase
disperdente)
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soluzioni & sospensioniL
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soluzione (NaCl in acqua) sospensione
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Miscela omogenea a livello molecolare di due o più sostanze (componenti)
Le soluzioni
soluto = sostanza che viene sciolta (componente presente in quantità minore)
solvente = sostanza nella quale si scioglie il soluto (presente in quantità maggiore)
Se il solvente è acqua la soluzione si dice “acquosa”
il solvente determina lo stato di aggregazione della soluzione
Solution: A liquid or solid phase containing more than one substance, when for convenience one (or more)
substance, which is called the solvent, is treated differently from the other substances, which are called
solutes. When, as is often but not necessarily the case, the sum of the mole fractions of solutes is small
compared with unity, the solution is called a dilute solution. A superscript attached to the ∞ symbol for a
property of a solution denotes the property in the limit of infinite dilution.
IUPAC Golden BookLa
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come si esprime la
concentrazione delle soluzioni
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•percentuale in volume (%v/v): quantità di soluto in ml per 100 ml di soluzione
•percentuale in peso (%wt/wt): quantità di soluto in grammi per 100 g di soluzione
•percentuale mista: quantità in grammi di soluto per 100 ml di soluzione
•Molarità (M): moli di soluto per litro di soluzione
•molalità (m): moli di soluto per 1000 g di solvente
•normalità (N): equivalenti di soluto per litro di soluzione
•frazione molare (x): rapporto tra le moli di soluto ed il totale delle moli della soluzione
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formazione di una soluzione:
interazione soluto/solvente
Solvatazione
processo in cui molecole di
solvente
circondano molecole/ioni di soluto
quando l’acqua è il solvente:
idratazione
M(s) M(aq)
La
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la formazione delle soluzioni:
similia similibus solvuntur
• solventi polari per soluti polari o ionici
• solventi apolari per soluti apolari
La
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non sciolgo l’olio con l’acqua…
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colloidi, emulsioni, gel, solL
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sospensione colloidale
gel
emulsione
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colloidi
regime dimensionale intermedio
stato di suddivisione della materia che implica che le
molecole o le particelle polimolecolari disperse abbiano
almeno una dimensione compresa tra 1 nm-1 mm
Fase dispersa Fase disperdente Nome Esempio
Solido Gas Fumo - Aerosol Fumo
Liquido Gas Nebbia - Aerosol Nebbia
Solido Liquido Sol, Gel Vernice, Gelatina
Liquido Liquido Emulsione Latte, maionese
Liquido Liquido Emulsione Creme
farmaceutiche
Gas Liquido Schiuma Schiuma della birra
Solido Solido Sospensione solida Ametista, opale
Liquido Solido Emulsione solida Rocce petrolifere
Gas Solido Schiuma solida Pietra pomice
Solido Liquido Colloidi inorganici Oro, argento,
idrossidi metallici
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colloidi
Colloidi macromolecolari fase dispersa fase disperdente
Colle, gelatine, gel macromolecole solvente
Colloidi associati
acqua/sapone micelle solvente
acqua/detergente
Biocolloidi
sangue globuli rossi/bianchi siero
ossa idrossiapatite collagene
muscoli proteine leticina ecc.
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
colloidi, emulsioni, gel, solL
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l’osmosiL
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membrane semipermeabili
Una membrana semipermeabile (es.: cellule) lascia passare liberamente l’acqua.
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Una membrana semipermeabile (es.: nelle cellule)
non lascia passare liberamente i soluti.
Cl
Cl
Na
Na
membrane semipermeabiliL
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l’osmosiL
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Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
cellule e pressione osmotica
Globulo rosso
normale
Globulo rosso
in soluzione
ipertonica
Soluzione isotonica: soluzione con π uguale a quella del sangue
Soluzione ipotonica: soluzione con π inferiore a quella del sangue
Soluzione ipertonica: soluzione con π superiore a quella del sangue.
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i materialiL
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Metalli e leghe
Ceramici (non ceramiche!)
Vetri
Polimeri e tecnopolimeri (plastiche)
Biopolimeri
Nanomateriali
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i materiali: ordine e strutturaL
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materiale
determinazione
strutturaarrangiamento ordinato di
atomi: reticolo cristallino assenza di ordine a lungo raggio
materiale cristallino materiale amorfo
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iotipologie di materiali: i metalli
Gruppo più ampio di elementi della tavola periodica (circa ¾).
Materiali contenenti una o più (leghe) specie metalliche, con impaccamento compatto degli atomi.
Elevata conducibilità termica ed elettrica dovuta a particolare stuttura elettronica.
Lucentezza, duttilità, malleabilità
Zn
Ti
Pt
W
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metalli
nonmetalli
metalloidi
gas nobili
la tavola periodica moderna
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iotipologie di materiali: le leghe metalliche
Con il termine lega si definisce un materiale metallico contenente due o
più elementi quali componenti.
Le leghe possono essere monofasiche o polifasiche in dipendenza degli
elementi che le costituiscono e delle loro quantità.
Le leghe hanno in genere caratteristiche e proprietà diverse da quelle
degli elementi che le costituiscono.
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iotipologie di materiali: le leghe metalliche
Ottone: lega di rame (Cu) e zinco (Zn)
Bronzo: lega rame (Cu) –stagno (Sn)
Peltro: lega composta principalmente di stagno (95%), con l'aggiunta di altri metalli (rame,
piombo (Pb) e antimonio (Sb))
Acciaio: lega a base di ferro, contenente carbonio in quantità inferiore al 2%
Acciai inossidabili (Stainless steels)
Acciai fortemente alligati (alto-legati) destinati a impieghi in cui è richiesta la resistenza alla
corrosione e/o alla ossidazione. In genere si tratta di leghe contenenti principalmente
cromo o cromo/nichel. L’aggiunta di nichel consente di ottenere una struttura cristallina
austenitica, stabile anche a temperatura ambiente, e una buona lavorabilità. Il cromo
garantisce invece la resistenza alla corrosione. Gli acciai inossidabili contenenti solo cromo
come legante principale hanno struttura ferritica o martensitica.
Ghisa (Cast iron) : lega ferro-carbonio, sufficientemente ricca in carbonio (> 2%).
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iotipologie di materiali: le leghe metalliche
ottone
peltro
acciaio inoxamalgama
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iotipologie di materiali: i ceramici
Composti inorganici costituiti da elementi sia metallici che non metallici ottenuti da reazioni
chimiche a temperature elevate. Materiali chimicamente inerti duri, fragili, isolanti termici
ed elettrici. Generalmente refrattari (=resistenti ad altissime temperature).
Comprendono ossidi, siliciuri, carburi, nitruri, ossinitruri ecc.
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iola ceramica
argille, feldspati, (di sodio, di potassio o
entrambi), sabbia silicea, ossidi di ferro,
allumina
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iotipologie di materiali: i vetri
struttura della silice (SiO2)
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iotipologie di materiali: i polimeri
Macromolecole costituite dalla ripetizione di un elevato numero di unità costituenti
(monomeri) che si ripetono lungo la catena.
Bassa denistà, struttura a base di atomi di carbonio e non metallici (H, N, O, P, S).
Termoindurenti o termoplastici, schiume o gel
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iotipologie di materiali: i polimeri
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iotipologie di materiali: i polimeri
Politetrafluoroetilene-CF2-CF2-
Variando monomero e condizioni di sintesi si può ottenere un’enorme gamma di
caratteristiche e prestazioni. Un’accurata scelta degli additivi consente
un’ottimizzazione dal punto di vista estetico, meccanico e delle prestazioni
-CH-CH2-
CH3Polipropilene
-CH2-CHCl- Polivinilcloruroo
-CH2-CHCN- Poliacrilonitrilee
-CO-NH- Nylon
-CO-O- Poliestere
-NH-CO-O- Poliuretano
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iotipologie di materiali: i polimeri
PET
PET
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iotipologie di materiali: i polimeri
bachelite
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iotipologie di materiali: i biopolimeri
Proteine
Polinucleotidi
Polisaccaridi
- La cellulosa, l‘amido e derivati, chitina e acido alginico
Biopolimeri proteici: lana, seta e collagene
Altri biopolimeri naturali:
- La gomma, la lignina
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iotipologie di materiali: i biopolimeri
proteina
collagene
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iotipologie di materiali: i nanomateriali
nano = 10-9
Nanotecnologia:
la scienza e la tecnologia per la realizzazione di
oggetti di dimensioni nanometriche
(un nanometro = un miliardesimo di metro)
Nanosistemi
strutture caratterizzate da una bassa dimensionalità (cluster,
nanocompositi, materiali in strato sottile, sistemi in base
molecolare) in cui almeno una delle dimensioni sia
compresa fra 1 e 100 nm
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iotipologie di materiali: i nanomateriali
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ioscale di durezza
minerale MOHS ROSIWAL KNOOP
talco o grafite 1 0.03 1
gesso o zolfo 2 1.25 32
calcite 3 4.5 135
fluorite 4 5 163
apatite 5 6.5 430
ortoclasio o feldspato 6 37 560
quarzo 7 120 820
topazio 8 175 1340
corindone 9 1000 1800
diamante 10 140000 7000
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iola radiazione elettromagnetica
E = hn = hc/l
nl = c
c = 3*108 m/s
h = 6.626 *10-34 Js
FOTONI
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iolo spettro elettromagnetico
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ioun tipo di radiazione elettromagnetica:
i raggi X
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la scoperta dei raggi X
8. Novembre 1895
Wilhelm Conrad Röntgen
"eine neue Art von Strahlen“
una nuova tipologia di radiazione
Premio Nobel, 1901
Röntgenstrahlung = raggi XAnn. Phys. Chem.
64 (1898) 1-11
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iola radioattività e gli elementi radioattivi
Una specie (nuclide) si definisce radioattiva quando quando emette in modo
spontaneo radiazione elettromagnetica o particelle o va incontro, sempre in modo
spontaneo, a fenomeni di fissione. Questi fenomeni portano alla formazione di altre
specie chimiche.
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iola radioattività e gli elementi radioattivi
Questi fenomeni portano alla formazione di altre specie chimiche
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iola radioattività e gli elementi radioattivi
La scoperta della radioattività avvenne alla fine dell’800 ad opera di Henry Bequerel e dei
coniugi Pierre e Marie Curie che ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per le loro ricerche.
Essi scoprirono che alcuni minerali, contenenti uranio e radio, avevano la proprietà di
impressionare delle lastre fotografiche poste nelle loro vicinanze. Le lastre fotografiche, una
volta sviluppate, presentavano delle macchie scure.
Per questa loro proprietà, elementi come l’uranio,
il radio e il polonio (gli ultimi due scoperti proprio da
Pierre e Marie Curie) vennero denominati “attivi”
e il fenomeno di emissione di particelle venne detto
radioattività. Da allora sono stati identificati
quasi 2500 specie di nuclei differenti e di essi
solo una piccola percentuale, circa 280, sono stabili.
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
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iola radioattività e gli elementi radioattivi
Diverse tipologie di emissione:
- particelle a
- particelle b
- particelle g
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
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iogli elementi radioattivi
e la tavola periodica
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
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ioi decadimenti radioattivi
Silvia Gross – Master in Comunicazione della Scienza
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iotempo di decadimenti radioattivo
(semivita, tempo di dimezzamento)
Il tempo di dimezzamento di un nuclide è il tempo t necessario perché un numero di
nuclidi N si dimezzi, ovvero diventi N/2