Struttura dell’atomo e della materia

unità 1, modulo C del libro

Gli elementi sono costituiti da specie atomiche, dette nuclidi. Tali specie atomiche sono formate da tre tipi di particelle elementari: elettrone, protone e neutrone. Le tre particelle elementari si trovano nel nucleo (protone e neutrone) e nella cosiddetta nube elettronica (elettrone) che si trova intorno al nucleo.L’elettrone, simbolo e-, è provvisto di carica negativa e ruota attorno al nucleo nella nube elettronica. Ha una massa molto molto piccola, e talmente trascurabile che infatti la massa di un atomo è costituita fondamentalmente da quella di protoni e neutroni.Il protone si trova nel nucleo ed è provvisto di carica positiva; è in uno spazio piuttosto ristretto che condivide con i neutroni (senza carica) i quali permettono di limitare il disturbo tra particelle di uguale carica (e che pertanto si respingono).Se il nuclide è elettricamente neutro, il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni; si ha quindi neutralità rispetto alle cariche; tale numero si indica con Z, numero atomico. Se il nuclide non è elettricamente neutro, ma ha un elettrone in meno o in più, assume una carica positiva o negativa rispettivamente; nel primo caso prende il nome di catione, nel secondo di anione.Il numero di protoni è normalmente uguale al numero di neutroni e la loro somma si indica col numero di massa, A.Per rappresentare gli elementi con gli appropriati numeri atomici e di massa, si usa una simbologia apposita. Il numero atomico si indica in basso a sinistra: ad esempio, per il carbonio Z=6, ovvero 6C; il numero di massa si indica in alto a sinistra: ad esempio, sempre per il carbonio A=12, ovvero 12C.Il numero di neutroni non è sempre uguale a quello dei protoni. Atomi con ugual numero di protoni e diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi: elementi che hanno uguale numero atomico ma diverso numero di massa. Come esempio si può ricordare il celebre isotopo del carbonio usato per la datazione dei fossili, il 14C, che possiede 6 protoni ed 8 neutroni. Altri celebri isotopi: 2H: deuterio, 3H: trizio, con 1 e due neutroni rispettivamente.

Gli elementi vengono normalmente rappresentati, in ordine di numero atomico crescente nella TAVOLA PERIODICA (pagina seguente).Gli elementi sono ordinati in GRUPPI, che sono le colonne, e inPERIODI, che sono le righe.

Gli elementi, all’interno della tavola periodica, sono inoltre classificati come METALLI, NON METALLI e SEMIMETALLI o METALLOIDI. I SEMIMETALLI sono molto pochi: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po e At. I NON METALLI sono: H, He, C, N, O, F,Ne, P, S, Cl, Ar, Se, Br, Kr, I, Xe, Rn; questi elementi, come si può vedere, si trovano sulla destra della tavola periodica e sono separati dai METALLI (che sono tutti gli altri elementi) attraverso i SEMIMETALLI.

Alcuni gruppi hanno nomi particolari: nella diapositiva successiva sono indicati.

Dalla tavola periodica dovete ricordare il nome dei primi 30 elementi oltre a quello di bario (Ba), cadmio (Cd), piombo (Pb) e stagno (Sn)

Gruppo dei Metalli alcalino-terrosi

Gruppo dei

Gas nobilio

inerti

1A

2AB

3A 4A 5A 6A 7A

8A

Gruppi dei Metalli alcalini

Gruppi degli Elementi di transizione interna

Gruppo degli

Alogeni

Gruppi degli Elementi di transizione

Come si può notare guardando la tavola periodica, gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico crescente, in modo da evidenziare similitudini e ricorrenze di comportamento; infatti gli atomi godono di alcune proprietà che, essendo tipiche degli elementi della tavola periodica, prendono il nome di proprietà periodiche. A noi ne interessa una in particolare: l’ELETTRONEGATIVITÁ, che è una stima della capacità che un atomo ha di attrarre elettroni.

Come si può vedere dall’immagine, l’elettronegatività aumenta salendo lungo un gruppo e andando da sinistra a destra lungo un periodo. Quindi l’elemento ad elettronegatività maggiore è il FLUORO, mentre quello ad elettronegatività minore è il FRANCIO.

Gli atomi costituiscono quindi gli elementi. Quando atomi diversi si aggregano, si formano i composti o molecole. Entrambe queste categorie sono parte della materia come si può vedere dal seguente schema:

COMPOSTI

SOSTANZE PUREELEMENTI

MATERIA MISCUGLI OMOGENEI

MISCUGLI

MISCUGLI ETEROGENEI

Lo schema ci dice che la materia è costituita sia da sostanze pure che da miscugli. Le sostanze pure sono costituite, a loro volta, dagli elementi (quando gli atomi sono tutti uguali: la molecola di O2 è una sostanza pura, così come l’atomo di Fe) e dai composti quando elementi diversi si aggregano: ad esempio la molecola di H2O, formata da due atomi di H ed uno di O, è un composto.I miscugli, a loro volta, possono essere di due tipi: omogenei, cioè costituiti da composti che non sono più fisicamente distinguibili, ed eterogenei, in cui i composti che li costituiscono sono fisicamente distinguibili. Esempi di miscugli eterogenei sono acqua e sabbia o acqua e limatura di ferro.

Dei miscugli omogenei parleremo nella prossima diapositiva.

I miscugli omogenei prendono anche il nome di SOLUZIONI.SOLUZIONE: miscela omogenea di 2 (o più) sostanze. Le sostanze prendono il nome di SOLUTO e SOLVENTE.Le sostanze nella soluzione devono soddisfare i requisiti:

Particelle dei componenti di dimensioni molecolari

Componenti distribuiti in maniera caotica

Sono possibili soluzioni in tutti gli stati della materia• gas: tutti miscibili (es: aria)• solidi: molte leghe (es: ottone = zinco + rame)• liquidi es: acqua + alcool

Il solvente è il componente presente in quantità maggiore, il soluto quello in quantità minoreUna soluzione viene definita satura o insatura in base alla quantità di soluto rispetto al solvente: se è satura il soluto ulteriormente aggiunto non si scioglie più

Esercizi riassuntivi (NON potete usare la tavola periodica)

1) Le sostanze pure costituite da diversi tipi di atomi si chiamanoa) elementib) compostic) miscugli omogeneid) miscugli eterogenei

2) Un nuclide composto da 9 protoni, 10 neutroni e 10 elettroni èa) un atomo elettricamente neutrob) uno ione positivo con una carica +c) uno ione negativo con una carica -d) uno ione positivo con due cariche

3) Una soluzione limpida di acqua e sale deve essere considerataa) una sostanzab) un compostoc) un miscuglio omogeneod) un miscuglio eterogeneo

4) Elencare in ordine di massa crescente i seguenti nuclidi: A (9 protoni, 10 neutroni, 11 elettroni); B (9 protoni, 9 neutroni, 9 elettroni); C (9 protoni, 11 neutroni, 9 elettroni); D (10 protoni, 11 neutroni, 10 elettroni)

a) B < A < C< Db) A < B < C < Dc) D < A < C < Bd) B < A < D < C

Esercizi riassuntivi

5) Qual è il numero di massa A della specie costituita da 10 protoni, 11 neutroni e 11 elettroni?a) 11 b) 21c) 20d) 10

6) In un atomoa) il numero di protoni è pari al numero di elettronib) il numero atomico è pari alla somma dei protoni più i neutroni c) la somma di neutroni e protoni è pari al numero di elettronid) il numero di protoni è pari alla metà del numero di elettroni

7) Qual è il numero atomico Z della specie costituita da 10 protoni, 11 neutroni e 11 elettroni?a) 11b) 21c) 20d) 10

8) Un bicchiere contenente acqua e limatura di ferro èa) un compostob) un miscuglio omogeneoc) un miscuglio eterogeneod) una sostanza

Esercizi riassuntivi

9) Indicare il simbolo che rappresenta il barioa) Feb) Blc) Bad) Be

10) Indicare il simbolo che rappresenta lo zolfoa) Scb) Sc) Zd) Si

11) Indicare il simbolo che rappresenta il cadmioa) Cb) Cac) Cdd) Co

12) Indicare il simbolo che rappresenta l’azoto a) Nb) Nac) Azd) A

Le proprietà e le trasformazioni della materia

unità 2, modulo A del libro

Abbiamo precedentemente detto che il mondo che ci circonda è costituito da materia. Le porzioni di materia in cui gli scienziati effettuano i loro studi vengono definiti sistemi. Quindi:Un sistema è una porzione limitata di materia.Tutta la materia ha una massa ed occupa uno spazio, ossia possiede un volume. Essa può esistere in tre stati fisici: STATO SOLIDO, STATO LIQUIDO e STATO AERIFORME (o gassoso). I tre stati di aggregazione dipendono dalla costituzione della materia, dalla temperatura e dalla pressione. Per esempio, l’acqua è solida (ghiaccio) ma solo sotto 0°C se la pressione è una atmosfera. La seguente tabella illustra le proprietà caratteristiche dei tre stati di aggregazione:

BassaMediaAltaDensitàcomprimibileIncomprimibileincomprimibileEffetto della

pressione

Assume la forma del recipiente

Assume la forma del recipiente

PropriaForma

Occupa tutto il volume disponibile

ProprioProprioVolumeAeriformiLiquidiSolidi

Nella diapositiva successiva si chiariranno i concetti di pressione, temperatura, volume.

Parametri che caratterizzano lo stato gassoso, liquido e solido

Massa: quantità di sostanza ---> moli o grammi (mole=g/PM)

Volume = spazio che una sostanza occupa = volume del recipiente per i gas ----> cm3, mL….

Temperatura: misura del livello di calore di una sostanza, fornisce indicazioni sulla direzione del flusso di calore

----> gradi Celsius (°C), gradi Kelvin (K), gradi Farenheit (°F)punto di congelamento dell’acqua = 0 °C =273.15 K =32°Fpunto di ebollizione dell’acqua = 100°C = 373.15 K = 212°F

273.16 K corrisponde al punto triplo dell’acqua K = °C + 273.15

K = (°F-32)*5/9 + 273.15

Pressione: forza esercitata per unità di superficie, fornisce indicazioni sulla direzione del flusso di materia

----> Newton m-2 = Pa, più comune l’uso del kPa

1 atm = 760 mm Hg = 760 Torr = 101.325 kPa = 1.01325 bar

Ma come passa la materia da uno stato fisico all’altro?

Le sostanze e i materiali possono passare, per effetto delle variazioni di temperatura e di pressione, da uno stato fisico ad un altro, cioè possono effettuare i PASSAGGI DI STATO.Nella tabella sono riportati i passaggi e i relativi nomi.Ricordiamo inoltre che la temperatura alla quale un solido diviene liquido prende il nome di temperatura di fusione, mentre alla temperatura di evaporazione un liquido diviene aeriforme.

CONDENSAZIONEAERIFORME --- > LIQUIDO

SOLIDIFICAZIONELIQUIDO --- > SOLIDO

BRINAMENTOAERIFORME --- > SOLIDO

SUBLIMAZIONESOLIDO --- > AERIFORME

EVAPORAZIONELIQUIDO --- > AERIFORME

FUSIONESOLIDO ---- > LIQUIDO

Esercizi riassuntivi

13) Il passaggio di stato di un solido a gas è denominatoa) evaporazioneb) condensazionec) brinamentod) sublimazione

14) I liquidi sono caratterizzati daa) densità altab) comprimibilitàc) volume propriod) forma propria

15) Al punto di ebollizionea) il solido diventa liquidob) il liquido diventa aeriformec) il solido diventa aeriformed) il liquido diventa solido

16) 27 °C corrispondono aa) 300 Kb) 273 Kc) 27 Kd) 373 K

Legame chimicounità 1, modulo D del libro

PERCHÉ IL LEGAME CHIMICO?

Gli atomi si trovano raramente isolati, spesso due o più atomi si uniscono tramite un legame chimico. Perché ciò avviene? Perché l’insieme di atomi che si forma ha ENERGIA MINORE degli atomi separati, ed è quindi più stabile. Gli atomi si aggregano a formare molecole cedendo, acquisendo o mettendo in comune elettroni.

Solo gli elettroni di valenza partecipano alla formazione del legame. I GAS NOBILI sono eccezionalmente stabili: infatti possiedono una configurazione elettronica con 8 elettroni (ad eccezione dell’elio, che ne ha due). Questa configurazione corrisponde al massimo numero di elettroni possibile nel livello energetico più esterno

Questo è il significato della REGOLA DELL’OTTETTO:un atomo è particolarmente stabile quando ha 8 elettroni nel livello di valenza.

Gli elementi tendono a raggiungere la configurazione stabile dei gas nobilicedendo o acquisendo elettroni oppure mettendo elettroni in comune tra più atomi. Per capire meglio, nella pagina successiva troverete le configurazioni elettroniche di tre atomi: Ne, Na e Cl.

1s 2s 2p

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓Ne

Z=10

3s

↑↓↑↓↑↓↑↓ClZ=17

1s

3p

↑↑↑↑

↑↓↑↓↑↓↑↓

↑↓↑↓↑↓↑↓

↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓

NaZ=11 ↑↓↑↓↑↓↑↓

[Ne]

2p

↑↓↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓

2s 3s

Ne: 8 e-

il livello 2 è completo.

Na: 1 e-

se perdesse 1 e- avrebbe il livello 2 completo.

Cl: 7 e-

se acquistasse 1 e- avrebbe il livello 3 completo.

IL LEGAME COVALENTEIl legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni.

Cl + Cl Cl Cl

Il legame covalente può essere puro (es. O2) o polare (es. CO2), a seconda della differenza di elettronegatività tra i due elementi che lo compongono.

I LEGAMI COVALENTI MULTIPLIPossono essere doppi o tripli e si formano quando due atomi mettono in comune due o tre coppie di elettroni.

O + O O O

N + N N N

IL LEGAME IONICOQuando la differenza di elettronegatività tra due elementi che potrebbero legarsi è superiore a 1.9, avviene un trasferimento di elettroni da un elemento all’altro: tra questi due ioni di carica opposta che si attraggono si forma un nuovo legame chimico, chiamato legame ionico.

Na+ + Cl- NaCl

Con differenza di elettronegatività ≤

0.4

legame covalente

RIASSUMENDO

E allora, osservando il sistema periodico, si può dire con una certa approssimazione che:

• I non metalli formano tra loro legami covalenti, puri o polari;

• I metalli ed i non metalli formano tra loro legami ionici.

Con differenza di elettronegatività ≥

1.9

legame ionico

Con differenza di elettronegatività

compresa tra 0.4 e 1.9

legame covalente polare

La differenza di elettronegatività fa sì che la distribuzione degli elettroni in una molecola non sia uniforme. In una molecola di HF gli elettroni rimangono più a lungo nell’orbita del F.

Un DIPOLO è una molecola in cui sono presenti 2 centri di caricaUn dipolo è formato da una carica positiva e da una carica negativa poste ad una certa distanzaUn dipolo si definisce quantitativamente dal momento dipolare (carica x distanza)L’unità di misura del dipolo è il Debye.

Nel caso di molecole biatomiche la polarità del legame si può stimare dalla differenza di elettronegatività.

Esercizi riassuntivi

17) Un legame covalente puro si forma traa) atomi dello stesso gruppob) atomi dello stesso periodoc) atomi con elevata differenza di elettronegativitàd) atomi uguali

18) Il legame tra H ed O nella molecola H2O è un legamea) covalente purob) covalente multiploc) ionicod) covalente polare

19) Quale composto è caratterizzato da legami ionici?a) BH3b) KFc) PH3d) CO

20) Il legame tra N ed N nella molecola N2 è un legamea) covalente purob) covalente multiploc) ionicod) covalente polare

Esercizi riassuntivi

21) Un legame ionico si forma preferibilmente traa) atomi simili, che hanno elevata tendenza a cedere elettronib) atomi simili, che hanno elevata tendenza ad acquistare elettronic) atomi sempre ugualid) atomi diversi, di cui uno ha elevata tendenza a cedere un elettrone, l’altro a riceverlo

22) Una molecola viene definita polare quandoa) il baricentro delle cariche positive non coincide con quello delle cariche negativeb) il baricentro delle cariche positive coincide con quello delle cariche negativec) non ha forma sfericad) ha almeno un elettrone in eccesso

23) La molecola dell’acquaa) è caratterizzata da legame ionicob) è polarec) è apolared) è caratterizzata da legame covalente puro

24) Quale composto non presenta legami ionici?a) KNO3b) BF3c) CaSO4d) FeS