Deorsola_lezione 2 - l'Atomo

8/19/2019 Deorsola_lezione 2 - l'Atomo

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ChimicaPolitecnico di Torino

A.A.2013-2014

Fabio A. DeorsolaDipartimento di Scienza Applicata e TecnologiaTel.: 011-0904662E-mail: [email protected]

L’atomo


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Esempi: 2HgO 2Hg + O2CaCO3 CaO + CO2

Legge della conservazione della massa:

“La massa totale dei prodotti formati in unareazione chimica è esattamente uguale allamassa totale delle sostanze di partenza(reagenti)”

Lavoisier: la natura amonica della

materia (1/2)

1Fabio Deorsola, Lezione 2 "L'atomo"


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legno cenere

magnesio

ossido dimagnesio

+ anidridecarbonica +

acqua

+ossigeno

combustione

combustione+ossigeno

legno magnesio

Dopo la combustione il legno è consumato diventando cenere

(si formano CO2 e H2O), mentre il magnesio incrementa la suamassa passando a MgO. Complessivamente però la massa deireagenti è uguale a quella dei prodotti.

Lavoisier: la natura atomica della

materia (2/2)



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LEGGE DELLA COMPOSIZIONE DEFINITA ECOSTANTE (Proust)

“Un certa massa di un composto consiste in ungran numero di molecole identiche, ciascunadelle quali costituita dallo stesso piccolo numerodi atomi disposti nello stesso identico modo”

Proust: la composizione definita


Frazione in massa =massa dell’elemento/massa del composto

Percentuale in massa = frazione * 100

Es. 20.0 g di CaCO3 contengono 8.0 g Ca; 2.4g C e 9.6 g O.

200 g contengono 80 g Ca; 24 g di C e 96 g OCa 8.0 g/20 g = 0.4 (40%)C 2.4 g/20 g = 0.12 (12%)O 9.6 g/20 g = 0.48 (48%)


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A.A.2013-2014Dalton: la teoria atomica (1/2)


LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE (Dalton)

“Se A e B reagiscono per formare due composti (AB e AB2), le diversemasse di B che si combinano con una massa fissa di A possono essereespresse come rapporti di numeri interi piccoli”

1

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1. Tutta la materia è costituita da ATOMI,piccolissime particelle indivisibili di un elementoche non possono essere né create né distrutte.

2. Gli atomi di un elemento non si possonotrasformare in atomi di un altro elemento: inuna reazione chimica, le sostanze originali siseparano in atomi che si ricombinano performare differenti sostanze.

3. Gli atomi di un elemento sono identici nellamassa e nelle proprietà e sono diversi dagliatomi di ogni altro elemento.

4. I composti sono formati dalla combinazionechimica di uno specifico rapporto di atomi didiversi elementi.

POSTULATI DI DALTON

Dalton: la teoria atomica (2/2)



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A.A.2013-2014Gay-Lussac, Avogadro, Cannizzaro


LEGGE DEI RAPPORTI MULTIPLI IN VOLUME

(Gay-Lussac) “Nelle reazioni tra sostanze gassose i volumi deireagenti e dei prodotti, misurati nelle stesse condizionidi temperatura e pressione, stanno tra di loro inrapporti di numeri interi e semplici”

PRINCIPIO DI AVOGADRO (L.R.A. Avogadro) “Volumi uguali di gas, misurati nelle stesse condizioni ditemperatura e pressione, contengono lo stesso numerodi particelle”

REGOLA DI CANNIZZARO (S. Cannizzaro)

“Le varie quantità in peso di uno stesso elemento,contenute nelle molecole di sostanze diverse, sonotutte multipli di una stessa quantità, la quale deveritenersi il peso atomico dell’elemento”


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Perché gli elementi si combinano nei composti in certe proporzioni enon in altre?

Ad esempio perché due atomi di H e uno di O e non 3 atomi di H e unodi O, nella molecola d’acqua?

Il modello dell’atomo indivisibile (modello delle palle da biliardo) nonera per altro in grado di spiegare l’esistenza di particelle subatomichecariche elettricamente, come messo in evidenza dagli esperimentisuccessivi di THOMSON, MILLIKAN e RUTHERFORD che condussero almodello nucleare dell’atomo.

… che cosa avevano scoperto questi scienziati?

Dalton: limiti della teoria atomica



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Thomson: il tubo catodico e la scoperta

dell’elettrone


• Thomson dimostra esistenza di particelle negative

• Determinazione rapporto massa/carica

• Tubi modificati usati per particelle positive


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A.A.2013-2014Millikan: carica e massa dell’elettrone


• Misurazione della carica dell’elettrone (1,6 10-19 C)• Calcolo massa elettrone (dalla relazione di Thomson)


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Nube di particelle positive

Particelle negative

Il modello atomico di Thomson



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A.A.2013-2014L’esperimento di Rutherford (1/2)



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A.A.2013-2014L’esperimento di Rutherford (2/2)


Secondo

modello

ThomsonNuovo modello Rutherford


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Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche: elettroni,

protoni e neutroni aventi le seguenti cariche e masse.PARTICELLA CARICA MASSANeutrone (n) Nulla 1.67 . 10-27 kgProtone (p) Positiva +1 1.67 . 10-27 kgElettrone (e) Negativa -1 9.07 . 10-31 kg

(1840 volte più leggero)

Il nucleo è circondato da elettroni (e-)caricati negativamente.

Il nucleo è tenuto insieme da“interazioni nucleari forti” .

Oggi sappiamo che anche p e n sono inrealtà costituiti da “quark”.

4He

L’atomo (1/2)



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Simbolo AZ

Nell’atomo neutro; protoni ed elettroni sono sempre presentiin eguale numero

Ciò che rende qualitativamente e chimicamente diversi gliatomi è il numero di protoni Z, detto numero atomico. Il

numero di nucleoni (protoni + neutroni) si chiama numerodi massa A.L’atomo ha dimensioni dell’ordinedell’Ångstrom (1Å = 1.10-10 m).Protoni e neutroni, detti nucleoni,

invece misurano 1!

10-15

m, mentre iquark 1!10-18 m.Il nucleo è 5 ordini di grandezza piùpiccolo dell’atomo.

L’atomo (2/2)



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Per convenzione la massa di C = 12 uma

Proprietà fondamentale dell’atomo è la sua massa la cuimisura è relativa:

126

612

1 uma = 1/12 massa C

1 uma = 1.66 10-27 kg = 1.66 10-24 g

massa protone =1.6726 10-27

kg =1.007 umamassa neutrone =1.6749 10-27 kg =1.008 umamassa elettrone =0.00055 uma

Unità di massa atomica



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Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d ! 10-15 m).Essi risentono delle forze di:

attrazionegravitazionale

repulsione

elettrostatica

FE FG FG FEP P

In base alle forze che ci sono ben note (gravitazionale ed

elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi violentementee quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici.

?!?

Perché i protoni non si respingono?



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Esiste una nuova forza di attrazione, capace di “incollare” traloro i protoni vincendo la loro repulsione coulombiana

Caratteristiche della forza nucleare:

•

E’ sempre attrattiva• Si manifesta solo a distanze d ! 10-15 m• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni

La colla nucleare



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La differenza tra le massa di un nucleo e dei suoi nucleoni costituenti si

chiama difetto di massa.L’origine del difetto di massa si capisce immediatamente se si considerache per separare un nucleo in protoni e neutroni è necessario fornirglidell’energia:

Energia + 42He (particella ") 2 11p + 2 10n

L’aggiunta di energia ad un sistema deve essere accompagnata da unproporzionale aumento della sua massa. La variazione di massa per laconversione dell’elio-4 nei nucleoni separati è m = 0,03038 uma.

L’energia richiesta per tale processo è (dopo Einstein):

E = c2m = (2,9979x108 m/s)2 x (0,03038 uma) x (1g/6,022 1023 uma)x (1 kg/1000 g) = 4,534 10-12 J

Il difetto di massa



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Se numero elettroni > numero protoni anione (caricanegativa)

es. F- 9 protoni 10 elettroni

Quando il numero dei protoni differisce da quello degli

elettroni, si ha uno ione

Se numero protoni > numero elettroni catione (cari-ca positiva)

es. Li+ 3 protoni 2 elettroni

Gli atomi possono legarsi tra loro per formare molecole.Es. O2 molecola costituita da due atomi di ossigenoH2O molecola costituita da due atomi di idrogeno ed una diossigeno

Ioni e molecole



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Atomi dello stesso elemento possono avere diverso valore

di A, in questo caso si parla di isotopi:Es.O O O

H prozio, H deuterio (D), H trizio (T)

8 88181716

111321

Isotopi (1/4)



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protoni

nucleo

- elettrone

+

n nneutroni

- elettrone

+

Elio (He)

nonesiste!

instabile!

Isotopi (2/4)



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La maggior parte degli elementi presenti in natura sono

composti da più isotopi stabili secondo la loroabbondanza relativa percentuale,

2814Si 92.21%; 2914Si 4.70%; 3014Si 3.09%

1

1H 99.985%;2

1H 0.015%;3

1H tracce12

6C 98.89%; 136C 1.11%; 146C tracce

Abbondanza isotopica relativa:

Isotopi (3/4)



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A.A.2013-2014Isotopi (4/4)



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A.A.2013-2014La misura della massa atomica



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A.A.2013-2014Massa atomica e stabilità nucleare



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A.A.2013-2014Le radiazioni nucleari (1/2)


Radiazione

Decadimento #

Decadimento

$

-

Decadimento

$

Cattura

elettronica


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A.A.2013-2014Le radiazioni nucleari (2/2)



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A.A.2013-2014La fissione nucleare



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A.A.2013-2014Usi civili



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A.A.2013-2014Usi bellici



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A.A.2013-2014La fusione nucleare



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ITER (in origine InternationalThermonuclear Experimental Reactor,in seguito usato nel significatooriginale latino, cammino) è unprogetto internazionale che si

propone di realizzare un reattore afusione nucleare in grado di produrrepiù energia di quanta ne consumi perl'innesco e il sostentamento dellareazione di fusione.

Il progetto ITER



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Non riesce a spiegare alcuni fenomeni, ad esempio:• Spettri di emissione• Spettri di assorbimento•

Effetto fotoelettrico

Perché poi l’elettrone non “casca” sul nucleo?

…lo scopriremo più avanti, parlando degli orbitali atomici!(lezione 4)

Limiti del modello di Rutherford


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