Chimica per il liceo/La tavola periodica e i primi modelli atomici/Sintesi

L'atomo e la materia

L'atomo è la più piccola particella della materia ed è indistruttibile (a meno che non si ricorra a reazioni nucleari).

In natura esistono 92 tipi di atomi detti elementi (idrogeno, carbonio, ossigeno ...). Altri 26 elementi sono artificiali, costruiti in laboratorio.

Gli elementi naturali si formano con le reazioni nucleari che avvengono all'interno delle stelle (quindi anche nel Sole). Gli elementi più pesanti del ferro si formano solo in seguito ad esplosione di supernove (stelle particolarmente grandi che esplodono a fine vita).

La materia (il materiale di cui sono fatti gli oggetti) è formata da aggregati di atomi, più o meno uniti in vario modo.

La struttura dell'atomo

Struttura dell'atomo di carbonio

L’atomo è l’unità fondamentale della materia e tutti gli atomi sono formati dalle stesse particelle subatomiche. Quindi un atomo è formato da:

• una zona centrale detta nucleo: costituito da protoni (particelle dotate di massa e carica positiva) e neutroni (particelle neutre dotate di una massa paragonabile a quella dei protoni); la carica positiva vale per convenzione +1. Particolarmente importante è il numero di protoni (le uniche particelle ad avere sia massa che carica) poiché definisce il tipo di atomo, ovverosia l'elemento, e viene indicato come numero atomico. In genere il numero di neutroni è simile (a volte uguale) al numero di protoni. Protoni e neutroni, avendo una massa significativa, definiscono la massa dell'atomo. La loro somma si chiama numero di massa.
• spazio attorno dove si muovono gli elettroni (particelle con carica negativa e massa trascurabile rispetto a quella di un protone o di un neutrone). La carica di un elettrone è uguale e opposta a quella di un protone e vale -1. Se Il numero di elettroni eguaglia il numero di protoni l’atomo è neutro, in quanto le cariche opposte si annullano a vicenda. Un atomo è in grado di perdere o prendere elettroni e quindi di variare la sua carica elettrica.

Il nucleo è molto piccolo rispetto alle dimensioni dell'atomo: se un nucleo fosse grande come una biglia in mezzo ad un campo da calcio, gli elettroni si muoverebbero negli spalti.

Le varie specie atomiche differiscono, in primo luogo, per il numero atomico e sono ordinate in tavola periodica (vedi figura) secondo il numero atomico crescente.

E’ intuibile che all’aumentare del numero dei protoni cresce in misura pressoché proporzionale anche il numero dei neutroni: se, però, il numero dei protoni è esclusivo di una determinata specie atomica, il numero dei neutroni può variare nell’ambito della stessa specie atomica. Atomi della stessa specie con diverso numero di massa vengono denominati isotopi (dal greco ίσος τόπος, stesso luogo). Vediamo degli esempi:

• l'idrogeno. Il nucleo dell’idrogeno è, di fatto, un protone e, quindi, nella sua costituzione non dovrebbe rientrare alcun neutrone: in natura, tuttavia, esiste una piccola percentuale di deuterio e in laboratorio si può sintetizzare il trizio che presentano rispettivamente un neutrone e due neutroni. ¹H idrogeno propriamente detto, quello più comune ²H deuterio    ³H trizio Il numero in alto a sinistra rispetto al simbolo rappresenta il numero di massa, comprensivo, come si è detto, del numero atomico, che per l’idrogeno è uno: possiamo, quindi, verificare che l'isotopo dell’idrogeno più comune (99,9%) non presenta alcun neutrone a costituire il proprio nucleo, il deuterio (0,01%) ne presenta uno e il trizio (sintetico) due.

• il carbonio ¹²C             ¹³C                ¹⁴C Il carbonio - 12 (98,9%) ha un nucleo costituito da sei protoni e sei neutroni, il carbonio – 13 (1,1%) ha sette neutroni mentre il carbonio - 14 (tracce) presenta otto neutroni: quest’ultimo è l’isotopo più pesante del carbonio ed è radioattivo.

La tavola periodica

La tavola periodica mostra i vari tipi di atomi

Metalli (beige), semimetalli (grigio scuro), non metalli (azzurro)

La tavola periodica è una tabella in cui sono presenti tutti i tipi di atomi, gli elementi, sia naturali (92) che artificiali. Sono ordinati in base al numero atomico (Z), cioè in base al numero di protoni. Gli elementi compaiono con il loro simbolo (H, C, Ca, Fe, Cu, ecc.)

È strutturata in righe (periodo) e colonne (gruppi). Gli elementi che stanno nello stesso gruppo hanno caratteristiche chimiche simili.

Si possono individuare tre gruppi di elementi: metalli, non metalli, semimetalli (vedi immagine). I metalli stanno nella zona di centro e sinistra, i non metalli stanno a destra. Gli elementi di confine che stanno sulla diagonale sono i semimetalli. Vediamo alcuni esempi di gruppi importanti.

Il gruppo I (la prima colonna a sinistra) sono i metalli alcalini, estremamente reattivi, anche con l'acqua.

Il gruppo VIII sono i gas nobili, gas monoatomici che non partecipano mai a reazioni chimiche.

La materia

La materia è formata da atomi che si aggregano tra loro, in vario modo.

La materia può essere formata da sostanze pure (o brevemente: sostanze) o miscugli di sostanze pure.

Sostanze pure

Sono sostanze in cui gli atomi non si aggregano causalmente, ma secondo un certo criterio. Sono chimicamente definite ed esprimibili con una formula chimica, ad es. H₂O, O₂, CaCO₃, Fe. Possono essere elementi o composti. In natura non esistono sostanze perfettamente pure perché ci sono sempre delle impurità, in laboratorio invece è possibile ottenere sostanze quasi pure (anche qui però qualche impurità ci può essere)

Elementi ( o sostanze elementari)

Sono sostanze pure formate da un solo tipo di atomo. Gli atomi si possono unire tra loro così come sono, come accade nei metalli (ad es. un pezzo di ferro è formato da tanti atomi di ferro vicini tra loro), oppure si legano tra loro in piccolo numero per formare delle molecole (come l'ossigeno che respiriamo formato da due atomi legati tra loro) che a loro volta si uniranno per formare la materia (tranne che nello stato gassoso dove le molecole sono distanti tra loro). La formula chimica ci aiuta a capire questa differenza.

Vediamo degli esempi:

• Esempio 1: un pezzo di rame (ammesso che ci sia solo rame...) è una sostanza pura formata da tanti atomi di rame vicini tra loro

• Esempio 2: lo iodio; si presenta come un solido, è formato da molecole biatomiche I₂ legate tra loro a formare una sostanza solida. La formula chimica I₂ pertanto ci chiarisce che si tratta di una sostanza formata da molecole biatomiche.

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  Ferro: una sostanza elementare formata da tanti atomi di ferro vicini tra loro. Formula: Fe
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  Bombola di ossigeno. È un elemento formato da molecole biatomiche O₂
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  Il rame è un elemento formato da tanti atomi di rame vicini tra loro. Formula: Cu.
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  Lo iodio è un elemento solido, ma formato da molecole biatomiche: formula I₂

Composti

Sono sostanze pure formate da due o più tipi di elementi. Anche in questo caso la formula chimica permette di capire quali sono gli elementi presenti nel composto e in quale proporzione. Ad esempio l'acqua H₂O è un composto perché è formata da idrogeno e ossigeno, nella proporzione due atomi di idrogeno per ogni atomo di ossigeno. Il gesso è un composto perché è formato da calcio, zolfo e ossigeno (CaSO₄) nella proporzione 4 atomi di ossigeno per ogni atomo di calcio e zolfo. La formula chimica di un composto non chiarisce se si tratta di una molecola o di composti ionici.

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  L'acqua è un composto (H₂O)
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  Il gesso è un composto formato da calcio, zolfo e ossigeno (CaSO₄)
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  IL sale da cucina è un composto (NaCl)
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  Lo zucchero (saccarosio) è un composto (C₁₂H₂₂O₁₁)

Miscugli di sostanze

In natura le sostanze pure si presentano sempre (più o meno) mescolate tra loro a formare dei miscugli.

Un miscuglio è un sistema costituito da due o più sostanze pure.

A differenza delle sostanze pure i miscugli non hanno delle caratteristiche ben definite: ad esempio sappiamo che l’acqua pura solidifica a 0° C ma qual è la temperatura di congelamento dell’acqua salata? Non c’è una risposta univoca, la temperatura varia in dipendenza della composizione della miscela di acqua e sale.

I miscugli possono essere omogenei o eterogenei

• miscuglio omogeneo (soluzione): è un miscuglio in cui non si distinguono più le componenti del miscuglio. Vengono anche dette soluzioni: ad es. zucchero (o sale) sciolto in acqua, il the, le bevande, le leghe metalliche, l'aria (miscuglio di vari gas)
• miscuglio eterogeneo: è un miscuglio in cui si distinguono (al limite al microscopio) le componenti del miscuglio: ad es. acqua e sabbia, il granito, il fumo.

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  Una soluzione di acqua e sale (quando il sale sarà sciolto)
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  La birra è una soluzione di acqua, alcol ed altri aromi (la schiuma però è un miscuglio eterogeneo!)
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  Il bronzo è una lega, cioè una soluzione solida di rame e stagno
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  L'aria è una soluzione di gas, le nuvole sono un miscuglio eterogeneo di aria e goccioline d'acqua
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  Il granito è un miscuglio eterogeneo di vari minerali
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  Il fumo è un miscuglio eterogeneo di aria e polveri solide
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  Schiuma: un miscuglio eterogeneo tra liquido e gas
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  La nebbia è come una nuvola a bassa quota