Modelli atomici

Appunti di Chimica sui modelli atomici. Tra corpi dotati di carica elettrica si manifesta una forze di attrazione (cariche opposte) o forze di repulsione (cariche uguali).
Le forze tra cariche elettriche dello stesso tipo (positive o negative) sono repulsive; le forze tra cariche elettriche di tipo contrario sono attrattive.
La legge di Coulomb afferma che l’intensità della forza che si manifesta tra due cariche elettriche è direttamente proporzionale alle loro quantità e inversamente
proporzionale al quadrato della distanza che le separa.
Nel Sistema Internazionale la grandezza carica elettrica (Q) si misura in coulomb (C). Il valore della costante k vale 9,0 · 10^-9 N · m^2/ C^2.

L’atomo: l’atomo (dal greco àtomos: indivisibile) è il componente base di cui è composta la materia; è la più piccola quantità di materia con le stesse caratteristiche dell’elemento. Gli atomi si organizzano in molecole, e le interazioni tra molecole danno origine a tutta la materia.

Un singolo atomo e una singola molecola:presentano le seguenti caratteristiche:
• hanno sempre lo stesso volume: un atomo non diventa più grande se riscaldato. La dilatazione termica è dovuta al fatto che, all’aumentare della temperatura, le particelle si allontanano le une dalle altre;
• Hanno sempre la stessa massa;
• Non si deformano: le particelle, anche se sottoposte ad elevate pressione, mantengono la loro forma e non si schiacciano;
• Hanno proprietà chimiche: un atomo di ferro reagisce con una molecola di acido cloridrico;
• Non hanno proprietà fisiche: un atomo di rame non conduce, un atomo di ferro non viene attratto da una calamita, un atomo di oro non è giallo. Queste proprietà sono dovute alle interazione che si verificano tra più atomi di rame, di ferro, di oro;
• Sono in continuo movimento: il movimento degli atomi e delle molecole è tanto più Intenso quanto più alta è la temperatura e minore la loro massa;
L’atomo è ulteriormente divisibile in particelle subatomiche più piccole. Esse possono essere immaginate un po’ come i “mattoni” con i quali sono costruiti tutti gli atomi, nel senso che sono uguali per forma e struttura nei diversi elementi.
Atomi che perdono o acquistano uno o più elettroni rispetto al numero di protoni sono detti ioni (chi perde elettroni e assume carica positiva si chiamano cationi; gli altri anioni.)
Atomi dello stesso elemento che differiscono per il numero di neutroni (numero di massa=N+Z) si dicono isotopi dove con N intendiamo il numero di neutroni e con Z intendiamo il numero di protoni.

Elettroni: Thomson studiava gli effetti delle scariche elettriche sui gas rarefatti contenuti in particolari tubi di vetro. In questi tubi, chiamati anche tubi catodici, sono inseriti due elettrodi sui quali, per mezzo di un generatore elettrico, vengono accumulate cariche elettriche di segno contrario. Riducendo la pressione del gas a un milionesimo di bar e aumentando la carica elettrica accumulata sugli elettrodi fino a raggiungere valori sufficientemente elevati, Thomson poté verificare che dall’elettrodo negativo (catodo) venivano emessi fasci di particelle che egli chiamò raggi catodici.
Le particelle emesse dal catodo hanno carica negativa e la loro massa è sempre molto più piccola della massa dell’atomo più leggero, quello di idrogeno;
Alle particelle che costituiscono i raggi catodici fu dato il nome di elettroni.
Gli elettroni ( e−) sono le più piccole particelle con carica elettrica negativa.
La carica vale -1 in particolare 1,602 · 10 −19 C.
La carica elettrica dell’elettrone fu determinata per la prima volta dal fisico statunitense R.A.Millikan. Nell’ingegnoso apparato da lui stesso messo a punto, un po’ di olio nebulizzato veniva introdotto sopra una piastra provvista di un forellino: le minutissime gocce d’olio che attraversavano il forellino si venivano a trovare in uno spazio tra due piastre metalliche con carica elettrica di segno contrario. Questo spazio veniva fatto attraversare da raggi X, particolari radiazioni in grado di estrarre elettroni dalle molecole di azoto e di ossigeno presenti nell’aria: di conseguenza alcune gocce di olio, colpite a loro volta dagli elettroni, si caricavano con carica elettrica negativa. La caduta delle gocce causata dalla forza di gravità poteva essere contrastata attraverso l’azione della forza elettrica creata dalle due placche. Millikan, osservando al microscopio il moto delle gocce e modificando opportunamente l’intensità delle cariche sulle piastre, era in grado di bilanciare esattamente la forza di gravità e in questo modo le gocce rimanevano sospese. Conoscendo la quantità di carica sulle piastre e applicando la legge di Coulomb, Millikan riuscì a calcolare la carica elettrica sulla goccia.
Ripetendo l’esperimento molte volte trovò che la carica di ogni goccia era sempre – 1,7 · 10 –19 C o un suo multiplo intero.
Il modello atomico a Panettone: l'atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa all'interno della quale sono inserite le cariche negative.

I protoni: la presenza di queste particelle venne rilevata sperimentalmente utilizzando apparecchiature simili ai tubi catodici queste particelle costituiscono i cosiddetti raggi canale e sono state individuate immettendo nel tubo un catodo opportunamente forato.La luminosità che compare dietro al catodo forato indica la presenza di particelle con carica positiva. Si è potuto verificare che queste particelle:
• hanno una massa molto più grande di quella degli elettroni;
• sono diverse a seconda del tipo di gas presente nel tubo;
• possiedono una carica positiva che è sempre un multiplo intero del valore della carica dell’elettrone.
Alla più piccola di queste particelle positive fu dato il nome di protone.
I protoni ( p +) sono le più piccole particelle con carica elettrica positiva che sono stabilmente presenti in tutti gli atomi.
A seguito anche di altri esperimenti, possiamo affermare che:
- la massa del protone è molto più grande di quella dell’elettrone, ma la carica elettrica positiva del protone ha lo stesso valore di quella negativa dell’elettrone;

I neutroni: nel 1932 il fisico inglese J. Chadwick dimostrò che negli atomi è presente anche un altro tipo di particella, alla quale fu dato il nome di neutrone.
I neutroni (n) sono particelle presenti negli atomi, hanno massa quasi uguale a quella dei protoni ma non presentano carica elettrica.

Ricapitolando:
Protone:
• Carico positivamente (stessa carica dell’elettrone, ma di segno opposto:
1,602 × 10-19C)
• Risiede nel nucleo
• Influenza la massa dell’atomo
• Massa pari a 1,673 × 10-27kg (simile a quella del neutrone, e 1836 volte più grande dell’elettrone)

Neutrone:
• Non presenta carica (neutro)
• Risiede nel nucleo
• Influenza la massa dell’atomo
• Massa a riposo di 1,675 × 10-27kg (simile al protone)

Elettrone:
• Carico negativamente (−1,602 × 10-19 C)
• Ruota intorno al nucleo dell’atomo, lungo traiettorie casuali (orbitali)
• Massa piccolissima: 9,10 × 10-31 kg (trascurabile)
• Coinvolto nella formazione di legami tra atomi

Teoria atomica di Dalton: nel 1803 questa teoria venne ripresa da Dalton che enunciò la teoria atomica, secondo la quale:
- tutta la materia è formata da particelle indivisibili chiamate atomi;
- durante le reazioni chimiche gli atomi non si creano e non si distruggono ma possono solo ricombinarsi tra loro generando diversi composti (i prodotti della reazione).

Le leggi ponderali: secondo Lavoisier, in una reazione chimica la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa deiprodotti (legge di conservazione della massa).
Secondo Proust, le masse degli elementi che reagiscono per formare un composto devono essere in una proporzione ben precisa perché atomi di elementi diversi si combinano tra loro secondo numeri interi caratteristici di quel composto; in altre parole il rapporto fra le masse degli elementi di un composto è definito e costante (legge delle proporzioni definite).
Secondo lo stesso Dalton, masse uguali di uno stesso elemento devono contenere uguale numero di atomi e quando un elemento si combina con la stessa massa di un secondo elemento per formare composti
diversi, le masse del primo elemento stanno tra loro in rapporti semplici, esprimibili mediante numeri interi piccoli (legge delle proporzioni multiple).

Rutherford: esperimento della lamina d'oro: nel 1909 Rutherford, invece, grazie all'esperimento della lamina d'oro, dimostrò l'esistenza del nucleo. Egli fece incidere un fascio di particelle α (di carica 2+) prodotte da un altro elemento radioattivo (il polonio) contro una sottile lamina d'oro dello spessore e vide che:
- la maggior parte delle particelle passava indisturbata attraverso la lamina
(perciò tra un atomo e l'altro dovevano esistere grandi spazi formati dalla
nuvola di elettroni);
- alcune particelle venivano deviate perché evidentemente lungo la loro traiettoria avevano incontrato una porzione della lamina estremamente densa di carica positiva in grado di respingerle: il nucleo.

Rutherford concluse quindi dovesse essere composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate la carica positiva e la massa dell’atomo, mentre gli elettroni dovevano occupare lo spazio vuoto intorno al nucleo.

Modello di Bohr: Bohr si rese conto che un fotone che viene assorbito da un atomo cede tutta la sua energia a uno degli elettroni che passa così a uno stato energetico più elevato.
Il modello di Bohr afferma che l’elettrone può percorrere solo determinare orbite circolari (orbite stazionarie) e che quando ruota su di essere non assorbe o emette energia: all’elettrone sono permesse solo certe orbite, corrispondenti a determinati valori di energia (tanto più grande quanto più ampia è l’orbita, ossia distante dal nucleo); l’elettrone non può, quindi, assumere tutti i valori energetici: la sua energia è quantizzata. Per passare da un’orbita all’altra, l’elettrone assorbe o emette energia (ossia fotoni
di opportuna frequenza). L’energia del fotone emesso o assorbito corrisponde alla differenza di energia fra le due orbite.
Il livello di energia più basso corrisponde al numero quantico n = 1, e viene detto stato fondamentale; i livello di energia superiori sono detti stati eccitati. Il passaggio dallo stato fondamentale a quello eccitato
comporta l’assorbimento di un fotone; in seguito l’elettrone, attratto dal nucleo, ritorna allo stato fondamentale direttamente: a ogni “salto di orbita” corrisponde l’emissione di energia sotto forma di un fotone: si ha, così, una transizione energetica.

Il principio di indeterminazione di Heisenberg: nel 1927 Heisenberg formulò il principio di indeterminazione, secondo cui non è possibile determinare contemporaneamente la posizione e la quantità
di moto (=mv), ovvero la velocità di un elettrone.

Equazione di Schrodinger: probabilità di trovare una particella in una determinata regione spaziale circa il 95%.