Introduzione alla chimica 2

La massa atomica e la massa molecolare

Le masse atomiche proposte da Dalton risultarono errate nella maggior parte dei casi perché Dalton partiva dal presupposto che la molecola d'acqua avesse formula HO, cioè che l'ossigeno fosse otto volte più pesante dell'idrogeno. Fu grazie alla distinzione fra atomi e molecole proposta da Stanislao Cannizzaro (in base agli studi già compiuti nel 1811 da Amedeo Avogadro) che si arrivò alla corretta determinazione della massa degli atomi. Cannizzaro utilizzò il principio di Avogadro (volumi uguali di gas differenti alla stessa temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole) per correggere le masse atomiche relative conosciute e propose un metodo per misurarle che aveva origine dalla densità dei gas. Fu così ricavata una tabella coerente di masse atomiche e molecolari.

La teoria atomica e le proprietà della materia

Poiché le "masse atomiche"

Sono rapporti di masse, non hanno unità (sono quantità relative e adimensionali), tuttavia ad esse viene assegnata una unità di massa atomica:

• uma • u (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry)
• Da (dalton, usato in biochimica)

Esempio: massa atomica del carbonio: 12,01 o 12,01 uma o 12,01 u o 12,01 Da

1 u = 1,66054 x 10^-24 g

1 u = 1,66054 x 10^-27 kg

Nel SI Dalton postulò, nella sua teoria atomica che:

• un elemento = sostanza costituita da atomi identici e quindi con identiche proprietà chimiche (es. Fe, C, H);
• un composto = sostanza costituita da molecole contenenti atomi di differenti elementi.

La molecola = raggruppamento di due o più atomi che possiede proprietà chimiche caratteristiche (es. Cl₂, HCl, CO₂).

Esistono molecole formate dallo stesso tipo di atomi come le molecole biatomiche. Altre molecole sono formate anche da più di due atomi dello stesso tipo.

Massa molecolare = somma delle masse

atomiche degli atomi in una molecola.

Ossigeno

Le masse atomiche e molecolari possono essere utilizzate per calcolare la composizione percentuale in massa dei composti.

Carbonio

Uno dei vantaggi della teoria di Dalton fu la possibilità di elaborare una tabella di masse atomiche da cui poter ricavare le masse molecolari.

Ciò che Dalton non sapeva è che non tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno la stessa massa atomica. Questa scoperta, effettuata nel XX secolo, ha richiesto la formulazione di un nuovo modello di atomo.

FORMULA CHIMICA = indica da quali elementi la molecola è costituita e quanti atomi di ciascun elemento essa contiene.

FORMULA BRUTA = indica quali e quanti atomi costituiscono la molecola di un composto.

La teoria atomica di Dalton fornisce una visione microscopica delle reazioni chimiche.

Le proprietà microscopiche, ovvero le proprietà chimiche, dipendono dalla natura degli atomi e delle molecole che costituiscono le

sostanze.In una reazione chimica si formano molecole completamente diverse rispetto ai reagenti.Nelle reazioni chimiche gli atomi non sono né creati né distrutti, ma sono semplicemente riorganizzati in nuove molecole, in conformità con le leggi di conservazione degli atomi e della massa.La reazione chimica tra idrogeno e ossigeno per formare acqua può essere rappresentata dai seguenti riarrangiamenti:

Per quasi tutto il XIX secolo, gli atomi furono considerati particelle indivisibili, come proposto da Dalton.La scoperta delle particelle subatomiche portò alla definizione di un nuovo modello dell'atomo (il modello di Rutherford) che rimane ancora alla base della moderna teoria atomica.Per arrivare al modello attuale basato su un atomo nucleare con protoni, neutroni ed elettroni furono necessari esperimenti effettuati tra la fine del 1800 e l'inizio del 1900.

-RAGGI CATODICI. ESPERIMENTO DI THOMSON PER CALCOLARE IL RAPPORTO

CARICA/MASSADELL'ELETTRONE

La seconda metà del XIX secolo è stata caratterizzata da una serie di esperimenti basati sull'uso di tubi a raggi catodici. Descritto per la prima volta nel 1869 da William Crookes (1832-1919), un tubo a raggi catodici è costituito da un contenitore di vetro sottovuoto dotato di due elettrodi alle estremità. Quando una elevata differenza di potenziale viene applicata tra gli elettrodi, si osserva un flusso di particelle (raggi catodici) dall'elettrodo negativo (catodo) all'anodo. Queste particelle vengono deflesse da campi elettrici o magnetici e, bilanciando questi effetti, si riesce a determinare il valore del loro rapporto carica/massa (e/m).

Nel 1897, JJ. Thomson (1856-1940) riportò che queste particelle dovevano essere circa 2000 più leggere della massa dell'atomo di idrogeno. Tali particelle divennero in seguito note come elettroni, termine già introdotto per descrivere la più

piccola particella di elettricità. Thomson ipotizzò che gli elettroni dovessero provenire dagli atomi del catodo e che gli atomi fossero costituiti da una sfera uniforme di materia carica positivamente nella quale sono distribuiti gli elettroni, carichi negativamente. È noto che questo modello atomico non è corretto.

-RADIOATTIVITà

La scoperta della radioattività ha contribuito a dedurre che gli atomi sono costituiti da particelle più piccole. Nel 1896 Henri Becquerel (1852-1908) trovò che l'uranio emetteva delle radiazioni invisibili in grado di impressionare una lastra fotografica. Studi ulteriori dimostrarono che la picoblenda (un comune minerale di uranio) conteneva delle sostanze in grado di emettere delle radiazioni di intensità superiore a quella aspettata per il suo contenuto in uranio. Ciò portò Pierre Curie (1859-1906) e Marie Curie (1867-1934), lavorando in un vecchio capannone a Parigi, a estrarre e

isolare del minerale di uranio gli elementi polonio e radio, precedentemente sconosciuti. Radioattività fu la prima parola introdotta dai coniugi Curie per descrivere il nuovo fenomeno dell'emissione di raggi invisibili che loro spiegarono come la conseguenza della disintegrazione degli atomi.

Questi primi risultati furono presto seguiti dall'identificazione della radiazione emessa dalle sostanze radioattive. Tre tipi distinti di radiazioni furono osservate e esse furono identificate come alfa (α), beta (β) e gamma (γ). Studi sul rapporto carica/massa permisero di identificare le radiazioni alfa con i nuclei di elio (He) e i raggi beta con gli elettroni. I raggi gamma non possiedono né carica né massa e sono adesso noti rappresentare una forma di radiazione elettromagnetica a elevata energia.

Marie Curie è una dei pochi individui e la sola donna ad aver ricevuto due premi Nobel. Nativa della Polonia, studiò e condusse le sue

ricerche a Parigi. Nel 1903 ella condivise il premio Nobel per la fisica con H. Becquerel e suo marito Pierre per la loro scoperta della radioattività. Nel 1911 ella ricevette il premio Nobel per la chimica per la scoperta di due nuovi elementi, il radio e il polonio. Una unità di radioattività (curie, Ci) e un elemento (curio, Cm) sono così chiamati in suo onore.

Raggi alfa (α), beta (β) e gamma (γ) generati da elementi radioattivi sono separati facendoli passare attraverso piastre caricate elettricamente. Le particelle alfa positive vengono attratte dalla piastra negativa, mentre le particelle beta negative vengono attratte dalla piastra positiva (notare come le particelle alfa più pesanti sono deflesse meno di quelle beta più leggere). I raggi gamma non possiedono carica elettrica e quindi attraversano le piastre senza essere deflessi.

-ESPERIMENTO DI MILLIKAN PER DETERMINARE LA CARICA DELL'ELETTRONE

Gli esperimenti con i raggi

catodici consentono la misura del rapporto carica/massa di unaparticella carica, ma non del valore della carica e della massa separatamente. Nel 1908 il fisicoamericano Rober Millikan (1868-1953) condusse un esperimento per misurare la carica di unelettrone.

Nel suo esperimento delle goccioline di olio vengono nebulizzate in una camera e successivamentesottoposte all'azione di un fascio di raggi x che ne induce la formazione di una carica negativa. Queste goccioline possono rimanere sospese nella camera bilanciando la forza di gravità con laforza attrattiva di un campo elettrico. L'analisi di questa forza applicata consente il calcolo dellacarica di un elettrone. Millikan calcolò per un elettrone una carica pari a 1.592 x 10 coulombs (C),non molto differente dal valore oggi accettato di 1.602 x 10 C. In modo corretto Millikan fecel'assunzione che questa fosse l'unità fondamentale della carica. Da questa assunzione, econoscendo il rapporto

carica/massa determinato da Thomson, fu possibile calcolare la massa dell’elettrone (9.109 10 g).

-ESPERIMENTO DI RUTHERFORD PER DETERMINARE LA STRUTTURA DELL’ATOMO

Anche se era noto che gli atomi fossero costituiti da particelle più piccole, non era chiaro come queste si combinassero insieme. Gli esperimenti di Ernest Rutherford (1871-1937) condussero al modello adesso accettato. Attorno al 1910, Rutherford e i suoi studenti Hans Geiger e Ernest Marsden bombardarono una sottile lamina d’oro con particelle α. La maggior parte delle particelle attraversarono il bersaglio come se fosse vuoto. Alcune particelle però venivano deflesse o addirittura respinte indietro.

Questo esperimento dimostrò che un atomo di oro è costituito da un piccolo nucleo al centro, mentre la maggior parte dello spazio intorno a esso è vuoto. Gli elettroni circondano il nucleo e occupano questo spazio determinando la quasi totalità del volume dell’atomo.