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Chimica per il liceo/La tavola periodica e i primi modelli atomici: differenze tra le versioni

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Nel corso del XIX secolo numerosi chimici si sono interessati alla ricerca di un sistema ordinato e razionale per classificare gli elementi chimici. Grazie a tutte le conoscenze acquisite sulle proprietà e le caratteristiche chimiche e fisiche degli elementi e al fondamentale contributo del chimico italiano Stanislao '''[[w:Stanislao_Cannizzaro|Cannizzaro]]''' nella determinazione delle masse atomiche (all'epoca chiamate pesi atomici), nel 1869 il chimico russo Dmitrij Ivanovič '''[[w:Dmitrij_Ivanovič_Mendeleev|Mendeleev]]''' (nato nel cuore della Siberia nel 1834 e morto a San Pietroburgo nel 1907; figura 1) propose un sistema periodico che non solo classificava razionalmente gli elementi fino ad allora conosciuti, mettendo in evidenza il ripetersi a intervalli regolari di determinate proprietà, ma al contempo permetteva di prevedere le caratteristiche di elementi non ancora scoperti.
 
Quando Mendeleev propose la sua Tavola periodica erano note le masse atomiche, le caratteristiche e la reattività di 63 elementi (attualmente ne conosciamo 118): egli ordinò orizzontalmente gli elementi conosciuti in base alla loro massa atomica crescente, andando a capo quando giungeva a elementi con caratteristiche simili. Nel sistema periodico elaborato da Mendeleev, ad esempio, la prima "riga" (più correttamente si parla di ''periodo'') comprende un solo elemento: l'idrogeno (H); la seconda "riga" inizia con il litio (Li) e si chiude con il fluoro (F), in quanto il sodio (Na), che ha caratteristiche simili al litio, apre la "riga" successiva. È bene ricordare che i gas nobili, che nelle moderne Tavole periodiche chiudono ogni periodo, verranno scoperti solo alla fine del XIX secolo.
 
In questo sistema gli elementi chimici non erano solo ordinati in base alla propria massa atomica, ma anche raggruppati in ''gruppi'' (corrispondenti alle colonne) con caratteristiche chimiche simili, come mostrato in figura 2.
[[File:Periodic table by Mendeleev, 1871.svg|miniatura|623x623px|'''Figura 2.''' Tavola periodica Mendeleev (versione del 1871).]]
Come si è detto precedentemente, il sistema periodico elaborato da Mendeleev permise anche di ipotizzare l'esistenza di elementi non ancora scoperti e di prevederne le principali caratteristiche e proprietà. Ad esempio, Mendeleev osservò che sebbene in base alla sua massa atomica il titanio (Ti) avrebbe dovuto seguire il calcio (Ca), le sue caratteristiche differivano significativamente da quelle del boro (B) e dell'alluminio (Al), pertanto lasciò una casella vuota ipotizzando l'esistenza di un elemento ancora sconosciuto, che denominò eka-alluminio. In modo analogo, Mendeleev predisse l'esistenza anche di altri due elementi sconosciuti che denominò provvisoriamente eka-boro e eka-silicio. Non passarono molti anni, prima che l'effettiva esistenza di tali elementi venne confermata: sono rispettirispettivamente gli elementi noti oggi come gallio (Ga, scoperto nel 1875), scandio (Sc, scoperto nel 1879) e germanio (Ge, scoperto nel 1886).
 
È giusto ricordare che nello stesso periodo anche il chimico tedesco Julius Lothar '''[[w:Julius_Lothar_Meyer|Meyer]]''' giunse a conclusioni molto simili a quelle di Mendeleev, ma pubblicò la sua versione della Tavola periodica (praticamente identica a quella elaborata dal chimico russo) solo alcuni mesi dopo. Sebbene oggi la Tavola periodica sia esclusivamente associata al nome di Mendeleev, il lavoro di Meyer fornì un avallo significativo e ne facilitò l'accettazione da parte della comunità scientifica internazionale. In riconoscimento di ciò, nel 1882, la prestigiosa associazione scientifica britannica Royal Society attribuì la medaglia Davy, un importante premio rilasciato annualmente agli scienziati che si sono distinti nel settore della chimica, sia a Mendeleev sia Meyer.
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Tra il VII e il VI secolo a.C., il filosofo greco '''[[w:Talete|Talete]]''' aveva scoperto che strofinando l'ambra (figura 3) su un panno di lana, questa resina fossile acquisiva la capacità di attirare a sé oggetti leggeri, come frammenti di paglia o capelli. Un effetto analogo ma contrario si può osservare strofinando su un panno di lana una bacchetta di vetro. Quando nel XVI secolo il fisico inglese William '''[[w:William_Gilbert|Gilbert]]''' si dedicò allo studio e alla catalogazione di materiali in grado di comportarsi come l'ambra e il vetro, per indicare le proprietà manifestate da tali materiali coniò il nuovo aggettivo ''elettrico'', proprio ispirandosi al termine greco per indicare l'''ambra'', ovvero ''elektron'' (ἤλεκτρον).
 
Mediante lo strofinio è possibile caricare elettricamente un corpo, sfruttasfruttando l'energia cinetica per strappare cariche ai materiali in oggetto; per convenzione, i materiali che, in seguito a strofinio, presentano un comportamento analogo a quello dell'ambra, come ad esempio la plastica, sono definiti '''negativi''', mentre quelli che si comportano come il vetro sono definiti '''positivi'''. Due oggetti che presentano cariche elettriche opposte si attraggono, mentre due oggetti che hanno la stessa carica si respingono, come mostrato in figura 4.
[[File:Interazioni tra cariche elettriche.svg|miniatura|627x627px621x621px|'''Figura 4.''' Interazione tra cariche elettriche: (A) se le cariche sono di segno opposto si attraggono; (B) se sono dello stesso segno si respingono.|sinistra]]{{Clear}}
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
== La scoperta dell'elettrone e il modello atomico di Thomson ==
Nel corso del XVIII e del XIX secolo, numerosi scienziati si dedicarono allo studio delle proprietà elettriche della materia e alle applicazioni tecnologiche dell'elettricità, come, ad esempio, il fisico italiano Alessandro '''[[w:Alessandro_Volta|Volta]]''', inventore della prima pila elettrica della storia; il fisico americano Benjamin '''[[w:Benjamin_Franklin|Franklin]]''' che, per spiegare i fenomeni elettrici, ipotizzò l’esistenza di un ''fluido elettrico'' costituito da particelle dotate di cariche opposte; il chimico svedese Jöns Jacob '''[[w:Jöns_Jacob_Berzelius|Berzelius]]''' che tentò di accordare le osservazioni fisiche sull'elettricità con la teoria atomica della materia, proponendo che ogni atomo possedesse al suo interno entrambi i tipi di carica (positiva e negativa) e che l'elettrizzazione della materia avvenisse in seguito ad uno scambio di queste cariche. Bisognerà però attendere la fine del XIX per identificare le prime particelle subatomiche dotate di carica elettrica: gli elettroni.
[[File:JJ Thomson (Nobel).jpg|sinistra|miniatura|'''Figura 5.''' Sir Joseph John Thomson (1856–1940), premio Nobel per la Fisica nel 1906.|232x232px]]
[[File:Crookes tube-in use-lateral view-standing cross prPNr°11.jpg|miniatura|244x244px|'''Figura 6.''' Tubo di Crookes.]]
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A partire dal 1908, vennero condotti una serie di esperimenti, ideati e diretti dal chimico e fisico neozelandese Ernest '''[[w:Ernest_Rutherford|Rutherford]]''' (figura 10), in collaborazione con i fisici Hans '''[[w:Hans_Wilhelm_Geiger|Geiger]]''' ed Ernest '''[[w:Ernest_Marsden|Marsden]]''', volti a indagare la struttura dell'atomo, che permisero di scoprire l'esistenza del '''nucleo''' dove sono concentrate tutta carica positiva e la maggior parte della massa atomica.
 
In tali esperimenti, Rutherford bombardò una sottile lamina d'oro, dallo spessore di circa 0,004 mm, con delle ''particelle α'' (alfa) emesse ad alta velocità da una fonte radioattiva; tali particelle sono dotadotate di massa (circa pari a quella di un atomo di elio e oltre 7000 volte maggiore di quella di un elettrone) e di carica elettrica positiva, doppia rispetto a quella dell'elettrone, ma di segno opposto. Per rilevare la presenza delle particelle α, che sono invisibili all'occhio umano, e studiarne pertanto il tragitto quando interagivano con la lamina d'oro, utilizzò un particolare schermo fluorescente, come mostrato in figura 11. [[File:Rutherford gold foil experiment results.svg|miniatura|mmm'''Figura 12.''' Interazione tra particelle α e atomi d'oro secondo il modello atomico di Thomson (in alto) e quello di Rutherford (in basso).]][[File:Scatteringrutherford.jpg|centro|miniatura|514x514px492x492px|'''Figura 11.''' Schema dell’apparato sperimentale utilizzato da Rutherford e dai suoi collaboratori per indagare la struttura dell’atomo.]]Gli scienziati osservarono che:
 
* la maggior parte delle particelle α attraversava la sottile lamina d'oro in linea retta, senza cioè subire alcuna deviazione;
* una piccola ma significativa frazione di particelle veniva deviata e addirittura alcune particelle (circa 1 ogni 8000) venivano rimbalzate all'indietro.
 
In base alle osservazioni e ai calcoli effettuati, Rutherford anzitutto comprese che il modello proposto da Thomson non potesse essere valido (figura 12), in quanto le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare tutte in linea retta la lamina d'oro senza subire alcuna deviazione o venendo solo leggermente deviate, per l'interazione con il debole campo elettrico generato dagli atomi (si ricordi che nel modello di Thomson la carica e la massa sono diffuse in tutto il volume dell'atomo, che di conseguenza ha una densità sia di massa sia di carica molto bassa). {{Clear}}
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== Numero atomico, numero di massa e isotopi ==
[[File:Atomo di carbonio.svg|miniatura|345x345px|Struttura semplificata dell'atomo di carbonio]]L’atomo è l’unità fondamentale della materia e tutti gli atomi sono formati dalle stesse categorie di subparticelle: il nucleo è costituito da '''protoni''' (particelle dotate di massa e carica positiva) e '''neutroni''' (particelle neutre dotate di una massa paragonabile a quella dei protoni); nello spazio perinucleare si muovono gli '''elettroni''' (particelle con carica negativa e massa trascurabile rispetto a quella di un protone o di un neutrone). Il numero di elettroni eguaglia il numero di protoni: l’atomo, infatti, è, per definizione, una entità neutra. Il '''numero di protoni''' (e, quindi, di elettroni) viene indicato come '''numero atomico'''.
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Le varie specie atomiche differiscono, in primo luogo, per il numero atomico e sono ordinate in tavola periodica secondo il numero atomico crescente.
 
I neutroni svolgono un ruolo determinante nella costituzione del nucleo in quanto si interpongono tra i protoni impedendo loro di respingersi: sono i neutroni, quindi, a conferire al nucleo compattezza e densità e, aassieme consentireai alloprotoni, stessocostituiscono di essere il depositario dellala massa dell’intero atomo (Gligli elettroni incidono in misura trascurabile sulla massa dell’atomo ma circoscrivono e determinano il volume dell’atomo ''in toto''; per comprendere le proporzioni volumetriche tra il nucleo e l’intero atomo potremmo esprimerci inconsiderare questiquesto terminiparagone: se il nucleo avesse le dimensioni di un nocciolo di ciliegia, l’intero atomo sarebbe grande quanto il duomo di Milano).
 
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 <u>numero dei neutroni può variare nell’ambito della stessa specie atomica</u>.
 
A conferma di quanto ho affermato, possiamo verificare che in Tavola periodica viene riportato in modo evidente il numero atomico mentre non riusciamo a individuare in alcun modo il numero dei neutroni. Bisogna subito chiarire che piuttosto che considerare il numero assoluto di neutroni appartenenti all’atomo di una determinata specie in una particolare circostanza costitutiva, si è preferito considerare la '''somma di protoni e neutroni''', ovvero il cosiddetto '''numero di massa'''. Ribadisco: se il numero atomico è caratteristico di una specie atomica, il numero di neutroni può essere diverso di qualche unità nell’ambito della stessa specie atomica e determinare più numeri di massa per la stessa specie atomica. Sarebbe ingombrante quanto inutile e superfluo riportare in tavola periodica tutti i possibili numeri di massa di una determinata specie, dal momento che, come vedremo in seguito, troviamo “traccia” del numero di massa in una fondamentale grandezza denominata massa atomica, necessariamente riportata in tavola periodica.
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