Chimica

Chimica

È la più piccola quantità di un elemento e sono particelle indivisibili. L'atomo si compone da un nucleo e elettroni che ruotano attorno ad esso. Per avere una rappresentazione in testa possiamo paragonare il nucleo al sole e i pianeti che lo circondano agli elettroni.

Il nucleo atomico

Il nucleo si compone di due particelle sub-atomiche: protoni e neutroni. Esternamente ad esso sono presenti gli elettroni. Il modo in cui questi si combinano dà origine all'atomo, che può avere quindi le più disparate caratteristiche. (L'atomo è un sistema stabile).

Quelle appena descritte sono le particelle sub-atomiche; tra loro hanno caratteristiche diverse. Le principali differenze consistono nella massa e nella carica:

• Protoni: Massa a riposo mR = 1,673x10^-27 kg, Carica Q= +1,6022x10^-19 C
• Neutroni: Massa a riposo mR = 1,675x10^-27 kg, Carica Q= 0
• Elettroni: Massa a riposo mR = 9,1094x10^-31 kg, Carica Q = -1,6002x10^-19 C

Gli elettroni più "esterni" sono considerati i più manipolabili: si possono aggiungere e sottrarre, formando così attraverso questa operazione gli ioni positivi (cationi) e gli ioni negativi (anioni).

La parte più "pesante", ovvero dove vi è concentrata più massa, è quella del nucleo, per questo motivo per definire la massa di un atomo utilizziamo la massa dei protoni sommata a quella dei neutroni. Ogni elemento è caratterizzato da un numero preciso di protoni, questo numero si chiama "numero atomico", mentre la somma dei protoni con i neutroni si chiama "numero di massa".

Isotopi

Gli isotopi rappresentano atomi di uno stesso elemento con lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni, ciò che sicuramente cambia è la massa. Sono da ricordare sicuramente i due isotopi dell'idrogeno, ovvero il deuterio e il trizio. Si definisce abbondanza isotopica la quantità dell'isotopo presente in natura.

Subito dopo l'atomo vi è la molecola, ovvero un'aggregazione di due o più atomi. Di queste ne possiamo definire la formula di struttura, ovvero la distribuzione nello spazio.

Atomo di carbonio

Tra gli isotopi più comuni e conosciuti in natura vi è il carbonio-12 così composto: 6 protoni, 6 elettroni, 6 neutroni. Ogni atomo possiede una sua massa atomica relativa (m.a.r.) che possiamo leggere in alto a destra di ogni elemento e per individuare quel valore si è tenuto conto di tutti gli isotopi presenti in natura.

Diverse formule

• Formula molecolare es: H₂O₂
• Formula di struttura (disposizione nello spazio)
• Formula empirica o minima (formula appunto minima es: C₆H₁₂O₆ → C H₂O )

Unità di massa atomica (u.m.a.)

L'unità di massa atomica = 1/12 massa di un atomo di C₁₂ e di conseguenza m.a.r. C₁₂ = 12 u.m.a. Carbonio-12 = 1,66x10^-27 kg (Dalton).

Mole

La mole è una certa quantità di massa (microscopica); in particolare la mole è un numero di Avogadro (Na) di entità microscopiche. Na = 6,02 x 10²³. Il numero di Avogadro è il numero di atomi presente in 12 grammi di carbonio-12.

Analisi elementare

Quando si parla di analisi elementare si fa riferimento a un elemento. Questo tipo di analisi infatti ci dice da quali elementi è composto, inoltre ci dà informazioni quantitative sulla massa, in particolare la percentuale della massa di ogni elemento. Es: Ho 100 g di NaCl, questa analisi mi permette di capire quanti dei 100 g sono di sodio e quanti di cloro.

Per semplificare le operazioni si utilizzano le moli. La molecola infatti si compone di 1 mole di sodio e una di cloro, e la loro massa atomica relativa la si può facilmente leggere sulla tavola periodica.

La percentuale % in massa del sodio = (g Na / g Tot) x 100. Se invece sviluppo il ragionamento inverso e quindi parto dalla percentuale ho % Na 39,3%, % Cl 60,7 per ottenere n Na = 39,3 / 23 = 1,7 n Cl = 60,7 / 35,5 = 1,7, dimostrazione che la quantità di moli è la stessa ed è di 1,7. La formula non può essere però scritta in cifre decimali e quindi divido il tutto per 1,7 ottenendo così la formula empirica NaCl.

Analisi indiretta

L'analisi indiretta dipende dal tipo di reazione del composto ad esempio per decomposizione (vedi esempi sul quaderno). Le reazioni chimiche prevedono dei reagenti e prodotti. Una volta effettuata la reazione questa deve essere bilanciata, l'operazione può essere fatta ad occhio se è banale o costruendo un semplice sistema (vedi esempio sul quaderno).

Una tra le più famose reazioni chimiche è quella di combustione ed avviene tra un combustibile e un comburente.

La combustione è una reazione avente come protagonisti combustibile (ossigeno) e comburente (composti del carbonio). Questi due però non sempre posseggono le giuste quantità per reagire, talvolta ad esempio vi è un'abbondanza di combustibile o comburente, ciò non significa che la reazione si ferma, potrebbe invece mutarsi e prendere un'altra via.

Stechiometria

La stechiometria è quella branca della chimica che indica in che rapporto si trovano le sostanze. Es: 1:2 = 4:8 e sono i numeri che vengono anteposti ad ogni composto; Es: 1 CH₄ + 2 O₂ → 1 CO₂ + 2 H₂O. Se ho 1,64 moli di CH₄ allora 1:2 = 1,64: n O₂, n O₂ = 3,28.

In una reazione però non sempre il reagente è "sufficientemente giusto" nel senso che può essere in quantità maggiori o minori. Ad esempio se immagino la combustione del metano, partendo da tre moli di CH₄ e 5 moli di O₂, il rapporto stechiometrico è 1:2 quindi 1:2 = 3 : n O₂ → n O₂ = 6, ma io ne ho solo 5; questo significa che ho un difetto in ossigeno. Mentre 1: 2 = n CH₄: 5 → n CH₄ = 2,5.

Nucleo atomico

Il nucleo di un atomo è composto da protoni p+ e neutroni, insieme questi formano i nucleoni. Gli atomi non sono le particelle più piccole che esistano, infatti esistono anche le particelle sub-atomiche, particelle con caratteristiche ben precise. I protoni sono vicini tra loro, nonostante + e + solitamente si respingono, infatti i nucleoni internamente sono tenuti insieme dalla forza forte, una forza sicuramente maggiore della forza di repulsione coulombiana, la repulsione infatti non riguarda i neutroni mentre la forza forse si e per questo motivo rimangono vicini tra loro.

La forza forte riguarda esclusivamente le particelle circostanti. Es: Immagino di dover valutare la variazione di energia potenziale. Più si avvicinano le particelle maggiore sarà la forza repulsiva quindi sale anche l'energia potenziale, e sale fino a che entra in gioco la forza forte e raggiunge poi la stabilità. Δm = massa dei nucleoni a riposo - massa del nucleo.

All'aumentare del nucleo l'elemento diventa più instabile perché aumenta la repulsione, mentre se i nuclei sono piccoli vi è più forza fore e quindi più stabili.

Decadimenti radioattivi di 4 tipi

• α; i primi due spontanei in natura
• β-
• β+; ultimi due non spontanei
• Cattura elettronica C.A.

Decadimenti spontanei:

• α = 2p+ + 2n
• β- → n → p+ + β- + energia
• β+ → E+ p+ → n+ β+ + energia

Fissione e fusione nucleare

Esiste una tecnica chiamata PET molto utile per individuare le masse tumorali. Questa tecnica consiste nel utilizzare un emettitore di positroni β+, che incontrano elettroni creando gli annichilimenti, questi avverranno quindi sulla massa tumorale.

In particolare utilizziamo: F, generato da un ciclotrone (acceleratore di particelle), non è stabile è quindi si lega allo zucchero la molecola che si viene a creare si va a localizzare sulla massa tumorale.

Nella lezione precedente sono stati analizzati i primi tre decadimenti, manca il quarto: la cattura elettronica. Questo decadimento consiste nella cattura di un elettrone dal nucleo, in particolare un elettrone decade nel nucleo legandosi ad un protone p+ + e- = n.

Cono di stabilità: il grafico viene diviso in tre zone dal cono di stabilità, zona A, B e C. Nella zona A aumento p+ e diminuisce n, qui vi è decadimento β-. Nella zona B ho molti protoni e pochi neutroni, bisognerebbe aumentare quindi i neutroni e diminuire i protoni, qui vi è un decadimento o β+ o di tipo cattura elettronica. Nella zona C ho troppi p+ e n → tutti i nuclei emettitori α.

Tempo di dimezzamento

Il tempo di dimezzamento vale t 1/2 ed è il tempo necessario affinché la metà dei nuclei decada.

Fissione e fusione nucleare

La fissione nucleare è la rottura di un atomo più grande in due più piccoli. La fissione non è un processo spontaneo, per avviarlo è necessario fornire dell'energia. Semplificando abbiamo un atomo grande che inizia a modificarsi per poi formarne due più piccoli. Per affrontare questo processo è necessario utilizzare nuclei instabili, ai quali poi va fornita energia, attraverso un bombardamento per mezzo dei neutroni.

In questo modo il nucleo cattura un neutrone e diventa ancora più instabile, quindi aumenta le sue vibrazioni e la sua energia. L'operazione di aumentare l'instabilità è fondamentale e potrebbe essere causata sia dall'aggiunta di un protone che di un neutrone, vengono utilizzati i neutroni solo perché essendo neutri non si presenta la repulsione che altrimenti si sarebbe creata con i protoni, quindi vengono usati i neutroni perché facilitano il processo. Il neutrone per riuscire a raggiungere il nucleo fissile (pochi elementi) deve comunque vincere la forza forte.

Uno dei problemi della fissione nucleare consiste nel saperla controllare, infatti una volta innescato il processo spiegato sopra questo non si ferma, infatti più neutroni potrebbero dare fissione creando un processo esponenziale e seri pericoli, io invece voglio che solo uno mi dia fissione, quindi è necessario trovare un modo per controllare la fissione.

Per far sì che solo un neutrone dia fissione posso ridimensionare il combustibile e quindi ridimensionare il nocciolo, in questo modo permetto che rimanga solo un neutrone facendone uscire altri due. Uno dei nuclei fissili più importanti è l'uranio (non tutti gli isotopi). Processo di arricchimento → uranio impoverito.

Diverse tipologie:

• Reaction grade 235 U: 3/4% fissile
• Weapons grade 235 U: 90% 95% fissile

La fusione nucleare è un processo che avviene sulle stelle, e quindi anche sul sole (necessita di temperature elevate). La reazione è: n è il neutrone che si forma per poi essere lanciato sulla terra, formando i raggi cosmici.

I raggi cosmici a contatto con l'azoto presente sulla terra possono dare vita a due reazioni. Come possiamo vedere dall'immagine i raggi cosmici fanno sì che si rigenerino specie instabili sulla terra, il ¹⁴C ad esempio si rigenera, questo processo fa sì che l'abbondanza isotopica è costante nel tempo, e dipendono solo dall'attività solare che varia nel tempo.

La possibilità che la fusione nucleare avvenga sulla terra esiste (bomba H), bomba contenente deuterio e trizio proprio come nella reazione che avviene nel sole. Altre reazioni importante di nostro interesse, toccano solo gli elettroni esterni, no i neutroni. Il famosissimo ma erroneo modello a panettone, per descrivere l'atomo, fu sostituito dal più corretto modello di Rutherford (modello planetario).

Esperimento di Rutherford

Lo scienziato bombardò una sottilissima lamina di oro con raggi alfa; osservò che le particelle passavano nel 99% dei casi attraverso la lamina senza subire deviazioni, in alcuni casi venivano deviate con una particolare angolazione, in altri casi, molto rari, i raggi tornavano indietro.

Rutherford ipotizzò dunque che se le particelle oltrepassavano nella maggior parte dei casi la lamina senza subire deviazione significava che l'atomo doveva essere formato da spazio vuoto. Le particelle alfa venivano deviate o respinte nei rarissimi casi in cui colpivano i piccoli protoni, mentre gli elettroni dovevano muoversi lungo le orbite circolari.

Ricordare semplicemente che: il sistema atomo sfugge alla fisica classica.

Modello atomico di Bohr

Il modello atomico che sostituì quello di Rutherford appartiene allo scienziato Bohr. Bohr chiarì il modello di Rutherford, sottolineando che gli atomi non si attengono alle leggi della fisica classica.

Afferma che l'elettrone per orbitare attorno al nucleo deve rispettare due condizioni:

• Condizione 1: La quantizzazione del momento angolare; spiega che l'elettrone è stabile intorno al nucleo solo se rispetta questa legge, e non quelle della fisica classica:
  • n (numero quantico principale) = 1,2,3,...,∞
  • h (costante di Planck) = 6,626x10^-34 Jxs
  • h/2π (quanto) = quantizzazione n volte, ovvero può assumere solo valori multipli del quanto.

  r → rappresenta la distanza determinata dalla quantizzazione del momento angolare (la distanza dell'elettrone dal nucleo). Sia r che l'energia sono quindi quantizzate. Infatti l'energia E è proporzionale a -1/n² mentre r è proporzionale a n².

• Condizione 2: Un elettrone può passare da un orbitale all'altro solo attraverso un balzo, senza passaggi intermedi, quindi da un livello direttamente all'altro, nel passaggio da un livello inferiore a uno maggiore l'energia aumenta come: 1/n². r = cost x n² E= -1/n² x cost. Come detto poco fa l'elettrone deve trovarsi solo sulle orbite. L'energia cresce al crescere di n fino all'∞ dove la distanza è infinita e quindi l'energia potenziale sarà 0. Un salto da E₁ ad E₂ ad esempio implica un assorbimento pari a E₁-E₂.

  E₁ è chiamato stato fondamentale, mentre tutti gli altri corrispondono agli stati eccitati, ovvero, stati con un contenuto energetico più alto rispetto al fondamentale. Ricordiamo che però oltre a salire di livello energetico si può anche scendere e "tornare indietro" per compiere questo passaggio bisogna che l'elettrone emetta energia.

Spettri atomici di assorbimento e di emissioni

Consideriamo un campione da analizzare, il campione è formato da atomi H molto distanziati tra loro. Mando uno spettro di energia sul campione di atomi H dall'altra parte ho un rilevatore, ovvero una lastra fotografica capace di individuarci e dirci le lunghezze d'onda.