PER ANDREA CERRINA 2B

Introduzione
In natura si possono riconoscere due tipi di fenomeni: i fenomeni fisici e i fenomeni chimici.
Nei fenomeni fisici non si ha trasformazione di materia mentre in quelli chimici si.
Un esempio di fenomeno fisico è la caduta di un corpo o l’ebollizione dell’acqua; un fenomeno di tipo
chimico può essere rappresentato dalla combustione di un ciocco di legno o dalla formazione della
ruggine su un pezzo di ferro.
La chimica studia la composizione delle sostanze (il materiale o la materia di cui è composto un
oggetto) e il loro comportamento in base alla loro composizione (come si combinano con altre
sostanze, ecc).
La materia è qualcosa che possiede massa, occupa uno spazio e può possedere energia. Le proprietà
della materia sono di due tipi: fisiche e chimiche.
Le proprietà fisiche sono quelle che possono essere specificate senza far riferimento ad altre sostanze.
La massa, il volume, ecc sono proprietà fisiche; anche lo stato solido, liquido o gassoso in cui si trova
la materia è un caratteristica fisica di questa.
Le proprietà chimiche sono collegate alle trasformazioni (reazioni chimiche) delle sostanze. Un
pezzo di ferro per la presenza di ossigeno nell’aria subisce un cambiamento chimico trasformandosi in
un’altra sostanza, la ruggine. Questa caratteristica del ferro di combinarsi con l’ossigeno è una delle
proprietà chimiche di questo elemento.
Una sostanza può possedere energia essenzialmente sotto due forme: energia cinetica e energia
potenziale.
L’energia cinetica permette ad un oggetto il movimento e la quantità di questa energia dipende dalla
massa dell’oggetto e dalla sua velocità.
L’energia potenziale è l’energia che si accumula in un oggetto. Quando un corpo vene posto ad una
certa altezza, l’energia spesa per fare questa azione, viene immagazzinata nell’oggetto sotto forma di
energia potenziale. Una forma particolare di questa energia è l’energia chimica il cui valore dipende
dalla composizione di una determinata sostanza.
Elementi, composti e miscele
Le sostanze più semplici che si possono ottenere in seguito a reazioni chimiche si dicono elementi. Gli
elementi non si possono decomporre in altre sostanze e quindi sono la forma più elementare di materia.
Il ferro, l’oro, l’ossigeno, il rame sono elementi.
Le parti più piccole di un elemento che conservano le proprietà chimiche di
questo vengono dette atomi.
Gli elementi scoperti sono circa 116.
Le sostanze che possono essere ridotte, attraverso reazioni chimiche, a sostanze
semplici (elementi) vengono dette composti. I composti sono, dunque, il
risultato della combinazione di elementi. L’acqua, la cellulosa, la ruggine, ecc.
sono composti.
In un composto gli elementi sono combinati in un rapporto fisso,
caratteristico di quella sostanza. L’acqua, ad
esempio, è composta da idrogeno e ossigeno
secondo un rapporto di 1g di idrogeno per 8g di
ossigeno.
Quando gli elementi si combinano tra loro per
dare un composto, anche i loro atomi si
uniscono, in proporzioni definite, formando particelle più grandi
dette molecole. La molecola dell’acqua è formata da due atomi di
idrogeno e uno di ossigeno.
Il cancello di questa
casa è in ferro battuto: il
ferro è un elemento.
Il sale raccolto in queste saline
del Vietnam è un composto: è
una combinazione di sodio e
cloro
Gli elementi e i composti sono sostanze pure. La composizione di una sostanza pura è sempre la
stessa indipendentemente dalla sua origine. Qualsiasi quantità di sale da cucina contiene sempre le
stesse proporzioni degli elementi (in questo caso sodio e cloro) che lo compongono.
Un corpo non è sempre costituito da una sostanza pura, ma molte volte da
una miscela di più sostanze pure. Le miscele hanno composizione
variabile come per esempio il caffè zuccherato.
Una miscela può essere omogenea o eterogenea: nella omogenea tutte le
parti hanno le stesse proprietà (per esempio acqua e zucchero) mentre
quella eterogenea è composta da più parti (fasi) come quando mescolo
l’olio con l’aceto.
I simboli chimici
Ad ogni elemento chimico è stato assegnato un simbolo composto da una o due lettere che
rappresentano l’iniziale o le iniziali del nome (di solito latino) dell’elemento. Nella tabella seguente
sono riportati alcuni elementi con il simbolo.
Elemento Simbolo Nome latino
Sodio Na Natrium
Ferro Fe Ferrum
Rame Cu Cuprum
Oro Au Aurum
Mercurio Hg Hydrargyrum
I composti sono combinazioni di elementi in proporzioni definite e questo viene evidenziato nella
formula chimica del composto. Nella formula chimica gli elementi costituenti il composto vengono
indicati con loro simboli chimici e il numero di atomi che entrano nella formazione della molecola, è
indicato alla base dei simboli chimici degli elementi. La formula chimica del metano è CH4 dove C
(Carbonio) e H (idrogeno) indicano i simboli degli elementi componenti il metano e 4 il numero di
atomi di idrogeno facenti parte della molecola (il numero di atomi di carbonio è 1). Ecco alcuni esempi
di composti con le loro formule chimiche.
Composto Formula chimica Descrizione
Acido solforico (presente
nelle batterie delle
macchine)
H2SO4
2 atomi di idrogeno (H)
1 atomo di zolfo (S)
4 atomi di ossigeno (O)
Cloruro di sodio (sale da
cucina) NaCl 1 atomo di sodio (Na)
1 atomo di cloro (Cl)
Glucosio (uno zucchero) C6H12O6
6 atomi di carbonio (C)
12 atomi di idrogeno (H)
6 atomi di ossigeno (O)
Il latte bevuto da questo
bambino è una miscela di vari
composti e elementi: acqua,
proteine, sali minerali, grassi,
ecc…
Le leggi della combinazione chimica
Gli elementi e i composti si combinano tra loro per formare sostanze con proprietà diverse da quelle di
partenza. Questi processi sono denominati reazioni chimiche. Le sostanze di partenza sono chiamate
reagenti, i risultati della reazione chimica prodotti.
Un esempio di reazione chimica è rappresentata dalla formazione della ruggine: il ferro, in determinate
condizioni, si combina con l’ossigeno per formare una nuova sostanza, l’ossido di ferro (la ruggine); il
ferro e l’ossigeno sono i reagenti, l’ossido di ferro il prodotto.
I comportamenti delle sostanze nelle reazioni chimiche sono governati da leggi. Queste leggi sono nate
dal lavoro degli scienziati del XVIII e XIX secolo.
Le leggi fondamentali della combinazione chimica sono le seguenti:
Legge della conservazione della massa: nelle reazioni chimiche non si osservano variazioni di
massa o, in altri termini, la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse
dei prodotti. È nota anche come legge di Lavoisier (vedi riquadro)
Legge delle proporzioni definite: in un dato composto chimico, gli elementi sono sempre
combinati nello stesso rapporto di massa. È detta anche legge di Proust (vedi riquadro)
La conferma di quest’ultima legge la si ricava dall’analisi della composizione delle sostanze: qualsiasi
campione d’acqua contiene sempre idrogeno e ossigeno nel rapporto di 7,921 g di ossigeno per 1g di
idrogeno; nel sale da cucina il sodio e il cloro sono sempre combinati nel rapporto di 1,542g di cloro
per 1 g di sodio.
La teoria atomica della materia
La teoria di Dalton
Le leggi della combinazione chimica fanno sorgere la domanda sulla struttura della materia. Com’è
fatta la materia?
Una risposta a questa domanda si ebbe 2500 anni fa, ad opera di filosofi greci, gli atomisti, i quali
affermarono che la materia era composta di particelle indivisibili, gli atomi (in greco atomos significa
indivisibile). L’esponente più importante di questa dottrina fu Democrito (vedi appendice). Agli
atomisti si oppose un grande filosofo greco, Aristotele (vedi appendice), per il quale la materia era
composta da quattro elementi: terra, acqua, fuoco, aria. Le idee di Aristotele perdurarono fino ad oltre
l’età moderna mentre quelle degli atomisti vennero lasciate in disparte fino alla loro rinascita con la
teoria atomica di Dalton.
John Dalton (vedi appendice) all’inizio dell’800 usò le idee degli atomisti come base della sua teoria
atomica. Questa teoria cercava di spiegare le leggi della combinazione chimica. I punti principali dalla
teoria di Dalton sono i seguenti:
La materia è costituita da particelle definite chiamate atomi.
Gli atomi sono indivisibili.
Tutti gli atomi di un certo elemento sono identici.
Se un atomo di cloro avesse la stessa massa di uno di sodio il rapporto, nel sale da cucina
(clururo di sodio) sarebbe di 1 : 1 ma il rapporto è di 1,542 g di cloro a 1 g di sodio
Gli atomi di elementi diversi hanno masse e altre proprietà diverse.
Quando atomi di elementi diversi si combinano per formare i composti, si formano nuove e
più complesse particelle; gli atomi che le costituiscono sono sempre presenti in un rapporto
numerico definito.
Dalton ritiene che la massa di un dato atomo rimane invariata da composto a composto e
che, in un composto, gli atomi di diversi elementi sono combinata in una proporzione
definita di atomi interi (in un composto non ci sono frazioni di atomo).
Altre osservazioni sulla formazione di composti furono di aiuto a Dalton nel confermare
la sua teoria.
Tra queste osservazioni la più importante fu quella relativa al comportamento di alcuni elementi che,
combinandosi tra loro, formano più di un composto. Ad esempio il ferro e lo zolfo si possono
combinare dando origine alla pirite o alla troilite; nel primo caso il rapporto tra le masse dei due
elementi è 1 g di ferro per 1,148 g di zolfo mentre nel secondo caso, 1 g di ferro per 0,574 g di zolfo.
Si può notare che il rapporto tra le masse dello zolfo (S) nei due composti è
1
2
0,574
1, 1 48
=
g di S
g di S cioè in un
rapporto pari a quello di due numeri interi (2 e 1), piccoli.
La teoria atomica di Dalton spiega questi dati ipotizzando che la particella elementare (in termini
attuali, la molecola) della pirite è costituita da 1 atomo di ferro e 2 di zolfo mentre quella della troilite
da 1 atomo di ferro e 1 atomo di zolfo.
A questo proposito lo scienziato, studiando situazioni di questo genere, dedusse una legge della
combinazione chimica nota come legge delle proporzioni multiple: quando due elementi formano più
composti, le diverse masse di uno che si combinano con la medesima massa dell’altro sono in un
rapporto di numeri interi piccoli.
Le ricerche sulla struttura della materia successive a quelle di Dalton portarono a correzioni
significative all’ipostesi atomica, senza, però, modificare il postulato di base sull’esistenza degli atomi.
La correzione più evidente fu quella riguardante l’indistruttibilità dell’atomo: l’atomo è, a sua
volta,
composto da particelle più piccole dette particelle subatomiche.
Anche il postulato che "Tutti gli atomi di un certo elemento sono identici" non risultò corretto in
quanto venne rilevato che molti elementi hanno degli isotopi (vedi La struttura dell’atomo): particelle
che hanno le stesse proprietà chimiche ma massa leggermente diversa.
La struttura dell’atomo
Le ricerche successive alla teoria di Dalton rivelarono che l’atomo è formato da tre tipi di particelle
principali: i protoni, i neutroni e gli elettroni.
I protoni e i neutroni si trovano insieme in una parte molto piccola e densa detta nucleo situata al
centro dell’atomo (per questo sono detti nucleoni). Gli elettroni, che hanno una massa molto inferire
rispetto alle altre due particele, si trovano nello spazio attorno al nucleo. La distribuzione degli
elettroni attorno al nucleo è molto importante perché determina le proprietà chimiche dell’atomo.
I protoni e gli elettroni sono dotati di carica elettrica: positiva per i protoni, negativa per gli elettroni. I
neutroni sono privi di carica.
La massa delle particelle subatomiche è estremamente piccola per cui si utilizza come unità di misura
di essa l’unità di massa atomica o amu. 1 amu corrisponde a 1,6605665∙10 24
g e corrisponde a 1/12
della massa dell’atomo di carbonio. Nella seguente tabella sono riportate le masse delle particelle
Elettrone 9,109534∙10 28
g 0,0005486 amu
Protone 1,672649∙10 24
g 1,007276 amu
Neutrone 1,674954∙10 24
g 1,008665 amu
In un atomo il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni e questo valore costituisce il numero
atomico. Atomi con lo stesso numero di protoni hanno identiche proprietà chimiche.
Il peso atomico è, invece, la somma dei pesi di tutte le particelle che compongono l’atomo. Atomi
aventi lo stesso numero atomico possono avere peso atomico diverso costituendo gli isotopi.
Gli isotopi di un dato atomo sono atomi che, avendo lo stesso numero atomico, si differenziano per il
numero di neutroni presente nel nucleo atomico (hanno diverso numero di massa che rappresenta la
somma tra il numero di protoni e il numero di neutroni di un dato atomo). Gli isotopi di uno medesimo
tipo di atomo hanno le stesse proprietà chimiche, differenziandosi solo per la massa.
La scoper ta dell’elettr one
La scoperta dell’elettrone si deve a J. J. Thomspon il quale costruì un’apparecchiatura per misurare le proprietà
dei r aggi catodici. Questi raggi sono emessi in tubi di vetro, contenenti gas a bassa pressione, in cui, ai capi
opposti del tubo sono presenti lamine metalliche, gli elettrodi , che vengono collegate ad un generatore di
elettricità. Quando viene chiuso il circuito (1) il tubo si accende (è il principio del funzionamento delle lampade
al neon). La corrente fa questo percorso: parte da un elettrodo (il catodo) e arriva all’altro detto anodo. Ciò che
trasporta la corrente dal catodo all’anodo venne chiamato r aggio catodico. Esperimenti su questi raggi
dimostrarono che si trattava di particelle: avvicinando (2) una piastra caricata positivamente il fascio deviava in
direzione della piastra positiva (cariche opposte si attraggono).
2
3
Molti atomi presentano isotopi come:
il carbonio 14 isotopo del carbonio 12. Il carbonio 12 ha 6 protoni e 6
neutroni mentre il carbonio 14 ha 6 protoni e 8 neutroni. Il C14 viene
utilizzato nella datazione di reperti archeologici.
il deuterio e il trizio isotopi dell’idrogeno. L’idrogeno ha un protone, il
deuterio 1 protone e un neutrone e il trizio 1 protone e due neutroni
A un tipo atomico corrisponde un elemento per cui un dato atomo prende il nome dall’elemento che
gli corrisponde. Esistono circa 116 tipi di atomi diversi, di cui 90 si trovano in natura, mentre i
rimanenti sono stati creati artificialmente in laboratorio.
La distribuzione degli elettroni
Gli elettroni si trovano localizzati nello spazio che circonda il nucleo e ruotano attorno ad esso. Essi
non girano seguendo un’orbita come fa un pianeta attorno al Sole ma si trovano in zone di spazio
chiamate livelli. In un dato livello possono trovasi un numero limitato di elettroni: nel primo livello,
quello più vicino al nucleo, possono trovar posto al massimo 2 elettroni, nel secondo 8, nel terzo 18, e
così via. Ogni livello è suddiviso sottolivelli 1 .
Gli elettroni che si trovano nello stesso livello possiedono circa la stessa energia mentre quelli situati
su livelli diversi hanno diversa energia . Un elettrone può passare da un livello ad un altro ma per far
questo deve acquistare o perdere energia. Ogni livello è caratterizzato da un suo valore di energia e
l’elettrone per abbandonare o per salire a quel livello deve acquisire o perdere esattamente la
differenza di energia tra il livello in cui si trova e quello nel quale deve andare (si dice che l’energia è
quantizzata).
I livelli vengono occupati gradualmente man mano che sale il numero di elettroni e questo comporta
che non sempre i livelli sono completi. Un atomo con numero atomico 8 (ossigeno) avrà la seguente
distribuzione di elettroni
livello numero massimo di
elettroni elettroni presenti
1 2 2
2 8 6
Dalla tabella si può notare che nel secondo livello c’è spazio ancora per due elettroni.
Ecco la distribuzione per un atomo con 10 elettroni (neon).
livello numero massimo di
elettroni elettroni presenti
1 2 2
2 8 8
In questo caso l’ultimo livello contiene il numero massimo di elettroni permesso.
Gli elettroni più esterni sono importanti dal punto di vista chimico perché sono quelli che possono
entrare in " contatto" con gli atomi vicini. Semplificando la situazione possiamo dire che, in
generale, nel livello più esterno possono trovar posto 2 o 8 elettroni 2 per cui un atomo come
l’ossigeno ha ancora "posto" per altri due elettroni, mentre il neon no. Questo fatto è alla base della
possibilità che hanno gli atomi ad unirsi. La distribuzione degli elettroni in un atomo e la
configurazione dell’ultima orbita determinano la capacità che ha un atomo di combinarsi con
altri atomi.
1 Questi vengono anche chiamati orbitali e rappresentano la regione di spazio attorno al nucleo atomico in cui la probabilità di
trovare un elettrone è massima.
2 Questo fatto è conosciuto anche come regola dell’ottetto.
La tavola periodica degli elementi
Per poter comprendere le proprietà chimiche degli elementi e per prevedere il loro comportamento è
necessario ordinarli secondo una qualche proprietà . Molti sono stati i tentativi di classificazione ma
quello che ebbe più successo fu l’ordinamento ideato dal chimico russo Dmitrij Mendeleev (vedi
appendice), nel 1869. Egli si accorse che disponendoli in ordine crescente di peso atomico, a intervalli
periodici si presentavano elementi con proprietà chimiche simili .
Per esempio, gli elementi litio, sodio , potassio, rubidio e cesio si comportano, nelle reazioni chimiche,
in modo analogo. Il berillio, il magnesio, il calcio, lo stronzio, il bario che seguono rispettivamente il
litio, il sodio , il potassio, il rubidio e il cesio presentano comportamenti simili tra loro.
Prendendo in considerazione i restanti elementi, Mendeleev, propose la legge periodica: le proprietà
chimiche e fisiche degli elementi variano in modo periodico con il loro peso. Utilizzando questa legge
il chimico russo costruì la prima tavola periodica.
In questa tavola gli elementi sono sistemati in righe dette periodi, secondo il peso atomico crescente,
andando "a capo" quando si incontra, verso destra, la fine della riga. Si formano così delle colonne
dette gruppi, che contengono elementi con le stesse caratteristiche.
Mendeleev, per far in modo che nella stessa colonna apparissero elementi con proprietà simili lasciò
dei posti vuoti (all’epoca si conoscevano circa 60 elementi) confidando che questi "buchi" venissero
riempiti da scoperte future. Un esempio del successo del metodo ideato da Mendeleev fu la scoperta
del germanio, le cui proprietà chimiche corrispondevano perfettamente alle previsioni del chimico.
Nella tavola periodica che si usa oggi gli elementi non sono più disposti secondo il perso atomico
crescente ma in relazione al numero atomico. La legge periodica moderna afferma che:
le proprietà chimiche e fisiche degli elementi variano in modo periodico secondo il loro numero
atomico.
Ogni elemento è posto in una casella rettangolare o quadrata in cui viene
riportato il il nome, simbolo chimico, il numero atomico, il peso atomico e,
in alcune tavole, altri dati sulle caratteristiche dell’elemento.
Una tavola periodica degli elementi può essere consultata all’indirizzo:
http://www.chim1.unifi.it/dida/mendel.htm oppure
http://it.wikipedia.org/wiki/Tavola_periodica
La tavola periodica è indispensabile al chimico in quanto permette di
osservare come variano le proprietà di un elemento in funzione della sua
posizione e di semplificare la memorizzazione delle somiglianze o
differenze tra elementi.
I periodi della tavola di moderna sono sette e gli elementi che si trovano nello stesso periodo variano
gradualmente le loro proprietà. I gruppi sono otto più quello dei metalli di transizione. Alcuni gruppi
hanno nomi particolari:
gruppo 1 ð metalli alcalini
gruppo 2 ð metalli alcalini terrosi
gruppo 17 ð alogeni
gruppo 18 ð gas nobili
3 Lo scrittore Primo Levi (autore di “Se questo è un uomo” ), che era un chimico, ha scritto “Il sistema periodico”, una serie di
racconti aventi ciascuno come titolo il nome di un elemento della tavola periodica. Si tratta di racconti su vari temi che vanno
dalle esperienze di vita nei lager nazisti, ai racconti legati alla professione del chimico, fino a racconti di fantasia.

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