4. struttura atomica Flashcards
Stati di aggregazione della materia
3+1 stati fisici di aggregazione: solido, liquido, aeriforme, plasma.
A livello macroscopico, gli stati si definiscono attraverso forme e volumi.
A livello microscopico, la differenza risiede nelle interazioni tra le particelle.
Solido
- forma propria, costante e rigida
- volume definito, costante
- particelle interagiscono fortemente fra loro, vibrano nella loro posizione di equilibrio
Liquido
- fluido, forma variabile data dal contenitore
- volume definito, costante
- particelle interagiscono tra loro, ma non sono vincolate a poisizioni specifiche e possono muoversi
Aeriforme
- fluido, forma variabile data dal contenitore
- volume variabile, dato dalle dimensioni del contenitore
- particelle interagiscono debolmente, si muovono rapidamente
Poiché sono stati fisici della materia, sono proprietà della materia a livello macroscopico, che interessano l’insieme dei costituenti elementari e non i costituenti elementari (atomi, molecole, ioni) stessi, i quali non sono né solidi né liquidi né aeriformi.
Teoria atomica di Democrito
Il filosofo greco Democrito (V-IV sec. a.C.) fu il primo a formulare una teoria atomica dell’universo, secondo la quale l’universo è costituito da infiniti atomi in infinito vuoto.
Teorizzò dunque che alla base della materia vi sono particelle fondamentali indivisibili estremamente piccole, che chiamò atomi (‘indivisibile’).
Gli atomi di Democrito, sebbene tutti uguali a livello qualitativo, differivano per forma e grandezza, ordine (interazione) e posizione nello spazio.
Teoria atomica di Dalton
All’inizio del XIX secolo, nel 1807, il chimico e fisico inglese John Dalton rielaborò la teoria atomica di Democrito, riproponendola.
Dalton si basò sulle tre leggi fondamentali ponderali, la terza delle quali, la legge delle proporzioni multiple, formulò lui stesso.
La teoria atomica di Dalton si esplica in 5 punti principali:
1. gli elementi sono costituiti da particelle estremamente piccole dette atomi
2. gli atomi di un dato elemento sono tutti uguali tra loro per dimensioni, massa e proprietà chimiche; atomi di elementi diversi differiscono tra loro per dimensioni, massa e proprietà chimiche
3. gli atomi sono possono essere creati né distrutti
4. atomi di elementi diversi si combinano tra loro, attraverso reazioni chimiche, in rapporti di numeri interi generalmente piccoli, a formare composti chimici
5. una reazione chimica comporta la combinazione, separazione o riarrangiamento di atomi; non la loro trasformazione in atomi di altri elementi.
Leggi ponderali
Le leggi fondamentali ponderali sono 3 leggi della chimica formulate tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo, riguardanti le masse delle sostanze che interagiscono chimicamente tra loro.
LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DELLA MASSA di Lavoisier
In una reazione chimica la massa si conserva, ovvero la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti.
LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE di Proust
Le masse degli elementi che formano un composto sono in rapporto definito e costante.
LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE di Dalton
Quando due elementi formano più di un composto, le masse di un elemento che reagiscono con una massa fissata dell’altro a formare composti diversi sono tra loro in rapporti esprimibili con numeri piccoli e interi.
Modelli atomici
I modelli atomici non sono ingrandimenti di un atomo, ma rappresentazioni grafiche semplificanti.
Esperimento di J.J. Thomson
Alla fine del XIX secolo, nel 1897, Thomson condusse un esperimento con un tubo a raggi catodici che lo portò a scoprire l’esistenza degli elettroni e a calcolare il rapporto carica/massa di un elettrone.
Si servì di un tubo di vetro dotato di un catodo, negativo, e un anodo, positivo, (elettrodi, ovvero conduttori metallici) e riempito di gas molto rarefatto per consentire la visione del raggio catodico.
Caricando ad alto voltaggio gli elettrodi e generando perciò una elevata differenza di potenziale tra loro, osservò un flusso di particelle dal catodo all’anodo.
Aggiungendo ora due piastre metalliche, una positiva e una negativa, in modo da creare un campo elettrico, il fascio di raggi catodici venne deflesso verso la piastra carica positivamente.
Mentre, aggiungendo un campo magnetico, il fascio venne deflesso nella direzione opposta.
Ciò dimostrò che le particelle del fascio sono cariche negativamente, e in seguito furono chiamate elettroni.
Inoltre, bilanciando gli effetti del campo elettrico e del campo magnetico, Thomson calcolò che un elettrone aveva una massa di 1000 volte inferiore a quella di un atomo di idrogeno e che il rapporto carica/massa dell’elettrone è di -1.76*10^8 C/g.
Ripetendo l’esperimento con elettrodi di metalli diversi e gas diversi e notando che si osservavano gli stessi effetti, concluse che gli atomi contengono particelle negative dette elettroni.
Ma, poiché gli atomi non hanno una carica elettrica netta, Thomson dedusse che la carica degli elettroni degli atomi doveva essere bilanciata da una pari e contraria carica positiva.
Ciò lo portò a teorizzare il suo modello atomico a ‘panettone’, con gli elettroni carichi negativamente distribuiti in una sfera uniforme carica positivamente. Nel modello a panettone, la massa è localizzata su tutto l’atomo.
Scoperta dell’elettrone
L’esistenza dell’elettrone come particella negativa contenuta negli atomi è dovuta a J.J. Thomson, nel 1897, quando condusse un esperimento con un tubo a raggi catodici.
Modello atomico di Thomson
Alla fine del XIX secolo, nel 1897, J.J. Thomson teorizzò il suo modello di un atomo in seguito a un esperimento con un tubo a raggi catodici.
Il primo modello atomico era quello di Dalton, che aveva teorizzato l’atomo come una piccola sfera solida e indivisibile.
Thomson, invece, in seguito alla scoperta dell’elettrone, teorizzò un modello a panettone: immaginò l’atomo come una sfera uniforme carica positivamente in cui erano distribuiti gli elettroni carichi negativamente.
Nel suo modello, come in quello di Dalton, la massa era localizzata su tutto l’atomo.
Esperimento di Millikan
All’inizio del XX secolo, nel 1909, Robert Millikan condusse un esperimento per determinare la carica di un elettrone.
L’esperimento avviene in due camere, una soprastante l’altra, con due piastre metalliche poste orizzontalmente che delimitano la camera sottostante.
Goccioline di olio vengono nebulizzate nella camera di sopra e, per effetto della forza di gravità, cadono una a una nella camera sottostante, attraverso il foro posto al centro della prima piastra metallica.
Mentre cadono nella camera di sotto, vengono colpite da un fascio di raggi X che conferisce loro una carica negativa.
Le gocce cariche negativamente continuano a cadere per la forza di gravità. Ma, caricando elettricamente alle piastre, di cui quella posta superiormente assume carica positiva e quella inferiore carica negativa, le goccioline negative vengono respinte dalla piastra negativa posta sul fondo.
Regolando l’intensità del campo elettrico in modo tale che bilanci precisamente la forza di gravità, le goccioline rimangono sospese nella camera.
L’analisi della forza attrattiva del campo elettrico consentì a Millikan di calcolare la carica di un elettrone.
Il valore che egli ricavò non era molto distante da quello oggi accettato di 1.60*10^(-19) C.
La misurazione della carica di un elettrone, insieme al rapporto carica/massa calcolato da Thomson, permise di determinare la massa dell’elettrone: 9.10*10^(-28) g.
Modello atomico di Rutherford
All’inizio del XX secolo, nel 1911, Ernest Rutherford interpretò un esperimento condotto per la prima volta da Geiger e Marsden e teorizzò la struttura nucleare dell’atomo adesso accettata.
Nell’esperimento, una sorgente emette un fascio di particelle alfa, particelle radioattive cariche positivamente, che colpisce una sottilissima lamina d’oro posta al centro di uno schermo circolare di materiale fluorescente che, al contatto con le particelle alfa, produce un piccolo lampo di luce.
Rutherford osservò che la maggior parte delle particelle attraversava la lamina con una deflessione minima o addirittura nulla, mentre alcune subivano una certa deflessione e altre venivano perfino respinte.
Rutherford attribuì questo comportamento alla struttura degli atomi di oro: ipotizzò che la carica positiva degli atomi di oro fosse concentrata in uno spazio molto piccolo.
Cioè, ipotizzò che le particelle deflesse e quelle respinte urtassero contro i nuclei degli atomi di oro, mentre le particelle con deflessione nulla o minima passassero attraverso uno spazio vuoto occupato da sole particelle cariche negativamente.
Dimostrò quindi che un atomo è formato da un piccolo nucleo centrale, dove sono concentrati i protoni (in numero costante per ogni elemento) e la massa dell’atomo, e dagli elettroni che occupano lo spazio intorno al nucleo, determinando quasi tutto il volume dell’atomo.
Inoltre, Rutherford calcolò la velocità delle particelle alfa e le dimensioni dell’atomo di oro e del suo nucleo.
Scoperta di Chadwick
Da tempo si sapeva che nel nucleo, oltre ai protoni, dovevano esserci altre particelle pesanti che giustificassero la massa di atomo.
Si sapeva, inoltre, che un atomo di H ha 1 protone e un atomo di He ha 2 protoni. Quindi, la massa dell’atomo di He avrebbe dovuto essere doppia, e invece era quadrupla.
Chadwick quindi scoprì che le particelle mancanti del nucleo che contribuivano a determinare la massa dell’atomo sono i neutroni, che non hanno carica elettrica e hanno massa di pochissimo superiore ai protoni.
I neutroni sono presenti nel nucleo degli atomi di tutti gli elementi, eccetto il prozio - isotopo dell’H privo di neutroni.
Perché esiste il nucleo, se è formato da protoni e neutroni? I protoni non si respingono tra di loro? E come fanno i neutroni a rimanere nel nucleo, se non hanno una carica?
Se nel nucleo ci fossero solo protoni, questi si respingerebbero gli uni gli altri per azione della forza elettromagnetica repulsiva.
Nel nucleo, però, ci sono anche i neutroni.
Il nucleo esiste grazie alla forza nucleare forte, che tiene insieme protoni e neutroni.
