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Valeria Costantino » 2.L'atomo. La tavola periodica


La teoria atomica

La materia è costituita da un numero limitato di sostanze elementari (che non possono essere scisse in sostanze più semplici) dette appunto elementi.

Un elemento è costituito da una sola specie di atomo.

Ogni elemento ha un nome e proprietà macroscopiche (colore, densità e combustibilità) uniche.

La maggior parte degli elementi esiste in natura come singoli atomi, alcuni esistono in forma molecolare (ossigeno, azoto, idrogeno).

La legge di conservazione della massa

Una fondamentale osservazione chimica fu fatta da Lavoisier nel XVIII secolo:

  • La massa totale delle sostanze rimane invariata durante una reazione chimica, in altre parole, nelle reazioni chimiche gli atomi si combinano in maniera diversa, ma non si creano né si distruggono (Legge di conservazione della massa).
  • La conservazione della massa significa che, sulla base delle osservazioni chimiche, la materia non può essere creata né distrutta.
  • Inoltre, indipendentemente dalla sua fonte, un particolare composto chimico è costituito dagli stessi elementi nelle stesse proporzioni (Legge della composizione definita e costante).

La legge delle proporzioni multiple

  • Ulteriori studi condotti da Dalton portarono alla legge delle proporzioni multiple: se gli elementi A e B reagiscono per formare due composti, le differenti masse di B che si combinano con una massa fissa di A possono essere espresse come rapporti di numeri interi piccoli.
  • Nel 1808, Dalton enunciò la sua teoria atomica che spiegava le leggi di massa ipotizzando che tutta la materia fosse costituita da atomi indivisibili, immutabili, di massa fissa.
  • La massa in una reazione chimica rimane costante perché gli elementi si combinano a formare composti, in cui le proporzioni sono multiple perché ciascuno di essi è costituito da atomi interi.

La scoperta dell’elettrone

Gli studi condotti a cavallo del XIX e XX secolo portarono alla scoperta dell’elettrone.

J.J. Thomson fu in grado di misurare il rapporto carica/massa e R. Millikan ne determinò la carica.

L’elettrone è una particella subatomica. Possiede una carica elettrica negativa di qe = 1,6 · 10-19 C (carica elementare), e una massa di circa 9,10 ·10-31 kg.

L’elettrone viene comunemente rappresentato dal simbolo e-.

L’esperimento di Rutherford: la scoperta del nucleo

  • Un fascio di particelle alfa emesse da un campione radioattivo vengono dirette contro una lamina di oro e determinano l’emissione di un lampo di luce quando colpiscono lo schermo rivestito di solfuro di zinco.
  • La maggior parte delle particelle attraversa la lamina d’oro, alcune vengono deflesse lievemente, poche vengono deflesse indietro.

Rutherford


L’esperimento di Rutherford: la scoperta del nucleo

  • Questo comportamento è spiegabile solo ipotizzando la presenza di un nucleo carico positivamente dove è concentrata tutta la carica positiva.
  • Rutherford ipotizzò che un atomo è costituito da uno spazio occupato da elettroni, ma al centro di questo spazio c’è una piccola regione, da lui chiamata nucleo, che contiene tutta la carica positiva ed essenzialmente tutta la massa dell’atomo.
  • Rutherford ipotizzò che al centro del nucleo fossero presenti particelle positive che lui chiamo protoni e calcolò il valore della carica nucleare.

La scoperta del neutrone

  • Questo modello spiegava la natura elettrica della materia, ma non era in grado di spiegare tutta la massa dell’atomo.
  • Questo problema fu risolto solo venti anni più tardi, nel 1932, quando il fisico inglese J. Chadwick scoprì il neutrone, particella densa, elettricamente neutra, situata anch’essa nel nucleo.

L’atomo

  • La parola atomo deriva dal greco άτομος (atomos), che vuol dire indivisibile.
  • Gli atomi sono molto leggeri: l’idrogeno pesa 1.67 · 10-27 kg, e anche gli atomi più pesanti non superano i 5 · 10-25 kg.

Ogni atomo è costituito da:

  • un nucleo, che è piccolissimo (10-14 m) anche rispetto all’atomo (10-10 m) e tuttavia contiene quasi tutta la massa dell’atomo, ed è carico positivamente;
  • un certo numero di elettroni, che sono leggerissimi ma occupano quasi tutto il volume dell’atomo, e sono carichi negativamente.

Il nucleo

  • L’atomo è neutro, per cui la carica negativa degli elettroni compensa esattamente la carica positiva del nucleo.
  • Il nucleo è a sua volta composto da particelle cariche, dette protoni, e particelle neutre, dette neutroni. La carica del protone è identica, ma di segno opposto, a quella dell’elettrone. Le masse del protone e del neutrone sono quasi identiche.
  • In ogni atomo, quindi, il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.

Numero atomico e numero di massa

  • Il numero dei protoni contenuti nel nucleo è detto numero atomico ed è indicato con il simbolo Z.
  • Il numero totale di nucleoni (neutroni e protoni) contenuti in un atomo è detto numero di massa (talvolta più impropriamente peso atomico) ed è indicato con il simbolo A.

Gli isotopi

  • Come vedremo, le proprietà di un atomo dipendono essenzialmente dal numero di elettroni, e quindi dal numero di protoni contenuti nel nucleo (il numero atomico Z).
  • Perciò due atomi i cui nuclei hanno lo stesso numero di protoni, ma numero differente di neutroni, hanno le stesse proprietà chimiche (a parte la massa). Due atomi del genere sono detti isotopi.
  • Quindi:gli isotopi sono atomi che hanno lo stesso numero atomico e diverso numero di massa.

Gli isotopi in natura

  • Per alcuni elementi, esiste in natura solo un isotopo: iodio (127I), fosforo (31P), alluminio (27Al), sodio (23Na), fluoro (19F).
  • La maggior parte degli elementi, però, è presente in natura sotto forma di miscele di vari isotopi. Per lo stagno, esistono addirittura 10 isotopi: 112Sn, 114Sn, 115Sn, 116Sn, 117Sn, 118Sn, 119Sn, 120Sn, 121Sn, 124Sn.
  • Nella crosta terrestre, la percentuale degli isotopi di ogni elemento è pressoché costante.

La tavola periodica

  • In natura esistono 92 elementi, un numero abbastanza elevato.
  • Tuttavia, disponendo gli elementi in ordine di numero atomico crescente, è possibile osservare un andamento regolare e periodico delle proprietà chimiche degli elementi.
  • Nella tavola periodica gli elementi sono disposti secondo numero atomico crescente.

La tavola periodica

  • Nella tavola periodica, gli elementi sono organizzati secondo il numero atomico in periodi orizzontali e gruppi verticali.
  • A causa della ricorrenza periodica di alcune proprietà (che vedremo in seguito), gli elementi in un gruppo hanno un comportamento simile, mentre gli elementi in un periodo hanno comportamento diverso.
  • I non metalli sono in alto a destra della tavola periodica.
  • I metalloidi sono lungo la linea obliqua che va dal boro al tellurio ed i metalli riempiono il resto della tavola.

La tavola periodica

  • Metalli: sono solidi (ad eccezione del mercurio), conducono l’elettricità, sono lucenti, duttili, malleabili, possono formare leghe. Circa i ¾ degli elementi sono metalli, comprendenti molti degli elementi dei gruppi principali e tutti gli elementi di transizione.
  • Non metalli: sono di solito gas o solidi fragili (a temperatura ambiente il bromo è l’unico liquido), non conducono l’elettricità, non sono né duttili né malleabili
  • Metalloidi: hanno aspetto di metalli, ma comportamento chimico da non metalli (comprendono B, Si, As, Sn, Sb e Te).

Metalli, metalloidi e non metalli


I metalli alcalini

  • Gli elementi nella colonna dell’estrema sinistra, gruppo 1 A (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), sono conosciuti come metalli alcalini.
  • Hanno caratteristiche metalliche.
  • Sono solidi a temperatura ambiente.
  • Sono molto reattivi : reagiscono con l’acqua per produrre idrogeno e soluzioni alcaline. A causa della loro reattività, in natura si trovano solo combinati in composti, come NaCl e mai come elemento libero.

I metalli alcalino-terrosi

  • Il secondo gruppo, gruppo 2 A, è composto interamente da metalli che si trovano in natura solo combinati (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra).
  • Ad eccezione del Be, essi reagiscono con l’acqua per dare soluzioni alcaline ed ossidi.

Gruppo IV A: la famiglia del carbonio

  • Contiene un non metallo, il C; due metalloidi, Si e Ge e due metalli, Sn e Pb.
  • Nonostante le caratteristiche diverse, formano composti con formule analoghe (come CO2, SiO2, SnO2, PbO2)

Forme allotropiche

I non metalli possono esistere in molte forme diverse, dette allotropi. Le più conosciute forme allotropiche del C sono la grafite ed il diamante.

Buckyball

Buckyball 2

Fullerene


Gruppo 5 A: N, P, As, Sb, Bi

  • In questo gruppo sono presenti due metalli (N e P), due metalloidi (As e Sb) ed un metallo (Bi).
  • Tutti gli elementi del gruppo formano composti analoghi come gli ossidi, N2O5 e P2O5.
  • L’azoto esiste come molecola biatomica.

Gruppo VI A

  • Il primo elemento del gruppo è l’ossigeno che costituisce circa il 20% dell’atmosfera e si combina con molti elementi.
  • Zolfo, selenio e tellurio sono chiamati calcogeni.
  • Il composto dello zolfo più importante è l’acido solforico.
  • L’ossigeno esiste come molecola biatomica ed ha un allotropo, l’ozono O3.

Gruppo VII A: gli alogeni

  • E’ costituito interamente da non metalli (F, Cl, Br, I) esistenti come molecole biatomiche.
  • A temperatura ambiente il fluoro ed il cloro sono gas, il bromo è liquido e lo iodio è solido.
  • Questi elementi sono i più reattivi della tavola periodica. Tutti si combinano con i metalli alcalini per formare sali, tipo NaCl.

Alogeni


Gruppo VIII A: gas nobili

  • Gli elementi del gruppo 8 A (He, Ne, Ar, Xe e Rn) sono così chiamati perché sono i meno reattivi.
  • Sono tutti gas e nessuno è abbondante sulla terra.
  • Questi elementi si avvicinano più di ogni altra sostanza al comportamento di un gas perfetto.
  • Condensano e solidificano solo a bassissime temperature.

Obiettivi della II lezione

  • Descrivere la struttura atomica e definire numero atomico e numero di massa.
  • Comprendere la natura degli isotopi.
  • Conoscere la tavola periodica, i gruppi principali di elementi e le proprietà di metalli, non metalli e metalloidi.
  • Si consiglia di esercitarsi rispondendo alle domande del Test riportato nel materiale supplementare.

I materiali di supporto della lezione

Test

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