Struttura atomica

MATERIA

Tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa. Viene concretamente definita attraverso la sua

composizione (com’è fatta), la struttura (com’è assemblata), le proprietà e le trasformazioni

Si può trovare in 3 diversi stati, 3 stati di aggregazione della materia: solido (particelle hanno una

posizione definita con una geometria tipica per quella determinata molecola), liquido (molecole

riescono a interagire ma vi è uno stato disordinato) e gassoso (particelle sono molto distanti fra loro)

PROPRIETÀ

Possono essere fisiche o chimiche:

fisiche: caratteristiche di una sostanza → colore, temperatura di ebollizione/di

- fusione, densità

chimiche: proprietà che una sostanza presenta quando si trasforma o interagisce

- con un’altra sostanza → infiammabilità, corrosività

Anche le trasformazioni possono essere fisiche (es passaggi di stato) o chimiche (es elettrolisi

dell’acqua)

I passaggi di stato si ottengono tramite cambiamenti di temperatura e pressione

Endotermico: richiede energia; esotermico: rilascia energia

Le proprietà chimico-fisiche delle sostanze elementari e dei composti dipendono:

1. dal tipo di legame (ad esempio il carbonio si può trovare nella forma a diamante o a grafite)

2. dalla natura degli elementi

3. dal modo in cui gli atomi sono legati reciprocamente

FASI

La materia si può trovare sottoforma di fasi: porzione di materia chimicamente e fisicamente

omogenea delimitata da superfici di separazione ben definite

Non sempre si può vedere visivamente da quante fasi è composta la materia (es quanti colori) 1

STRUTTURA ATOMICA

CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA

In base a quante fasi la compongono

MISCELE (formate da più sostanze): omogenee o eterogenee → entrambe possono

1. essere separate nei loro componenti (sostanze pure) attraverso una

trasformazione fisica

SOSTANZE PURE: composti o elementi → i composti possono essere separati nei

2. diversi elementi attraverso trasformazioni chimiche

PROCESSO BOTTOM UP

Per studiare la materia i chimici usano l’approccio bottom up: si parte dal piccolo (dal basso) per

spiegare quello che è macroscopico. In tal modo si possono creare delle leggi semplici e universali. Si

parte dagli elementi e si cerca di capire come si legano fra loro per formare molecole e come le

molecole si legano tra loro per formare oggetti macroscopici

ELEMENTI

Materia più semplice in assoluto. Hanno proprietà fisiche e chimiche uniche. Costituiti da atomi che

hanno lo stesso numero atomico: hanno lo stesso numero di protoni. Ciascuno è definito da un

Nome e da un Simbolo Chimico e sono classificati nella Tavola Periodica (118 elementi)

Sulla crosta terrestre l’elemento più abbondante è l’ossigeno (seguito dal silicio e dall’alluminio)

COMPOSTI

Sostanza a composizione costante costituita da 2 o più elementi

Composto e miscela NON sono sinonimi: nella miscela gli elementi possono essere separati tramite

un processo fisico, nel composto occorre una trasformazione chimica

LE ORIGINI DELLA TEORIA ATOMICA

Esistenza degli atomi formulata già dai greci, poi Thompson nell’800 riuscì a fornire prove a sostegno

TEORIA ATOMICA DI DALTON

- la materia è costituita da atomi indivisibili e indistruttibili

- tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà chimiche

- atomi di elementi diversi hanno masse diverse e proprietà chimiche diverse

- atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeri interi e generalmente

piccoli dando origine a composti

Teoria atomica decadde quando vennero

scoperte particelle più piccole dell’atomo (fine ‘800-

inizio ‘900) 2

STRUTTURA ATOMICA

MICROSCOPI (NO)

MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE SEM

Utilizza un fascio di elettroni come sorgente. Il potere di risoluzione di un microscopio è inversamente

proporzionale alla lunghezza d’onda delle radiazioni che esso utilizza, usando un fascio di elettroni è

possibile raggiungere una risoluzione parecchi ordini di grandezza superiore

MICROSCOPIA A SCANSIONE DI SONDA (SPM: SCANNING PROBE MICROSCOPY)

1981: Binning e Rohrer inventarono il microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM). L’STM e tutti

gli altri microscopi di sonda, successivamente sviluppatesi, hanno la caratteristica di fornire immagini

di superfici solide con risoluzione atomica, attraverso l’uso di una piccolissima sonda che viene

spostata sulla superficie del campione per mezzo di un trasduttore piezoelettrico. Viene monitorata

l’interazione fra la punta e la superficie del campione

Principio: una punta metallica acuminata è fatta scorrere in prossimità di una superficie conduttrice a

distanza dell’ordine di 1 nm (non in contatto fisico). Se viene applicata una differenza di potenziale di

pochi mV tra punta e campione, gli elettroni possono passare tra superficie e punta (e viceversa): si

crea una corrente di “tunnel” di pochi nA per effetto quantomeccanico

Effetto tunnel: consiste nel passaggio di una particella al di là di una barriera di potenziale

Si può lavorare in 2 modi:

A) mantenendo la punta ad un’altezza costante, si misura la corrente in funzione della posizione

della punta. Si ottiene una variazione periodica di corrente che permette di ricostruire la

struttura superficiale

B) mantenendo la corrente costante, si scansiona la superficie. L’altezza della punta viene

aggiustata in modo che la corrente non vari. Si ricostruisce l’immagine superficiale dall’altezza

della punta in funzione della posizione

Tipica profondità di campionamento: primo strato atomico. Tecnica non distruttiva, risoluzione atomica

Informazioni principali: struttura geometrica, proprietà elettriche

MODELLI ATOMICI

THOMPSON: 1° MODELLO ATOMICO (MODELLO A PANETTONE; 1904)

Scopre l’elettrone nel 1897. L'atomo è descritto come una sfera di carica positiva uniformemente

distribuita e che costituisce la maggior parte della massa dell’atomo. All'interno dell’atomo sono

immersi gli elettroni, che sono particelle di carica negativa, come fossero i canditi in un panettone. La

somma delle cariche negative degli elettroni è bilanciata dalla carica positiva della sfera, rendendo

l’atomo nel complesso neutro

MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD (MODELLO PLANETARIO; 1911)

L'atomo possiede un nucleo centrale molto piccolo e denso, che contiene i protoni, cioè tutta la carica

positiva, e la maggior parte della massa dell'atomo. Gli elettroni, particelle di carica negativa, ruotano

intorno al nucleo come i pianeti intorno al sole. Essi occupano la maggior parte del volume dell'atomo,

ma la loro massa è trascurabile rispetto a quella del nucleo Ipotizza l'esistenza dei neutroni: nel

nucleo insieme alle particelle positive ve ne sono altre (scoperti 20 anni dopo da Chadwick nel 1932).

3

STRUTTURA ATOMICA

La maggior parte dell'atomo è costituita da spazio vuoto. Questo concetto emerse dagli esperimenti di

scattering di particelle alpha, in cui Rutherford osservò che la maggior parte delle particelle alpha

passava attraverso la lamina d'oro senza essere deviata, indicando che non incontravano ostacoli

significativi Particelle alpha (cariche

positivamente) furono

sparate contro una sottile

lamina d'oro

Osservò che le particelle

passavano per lo più

inalterate per la lamina d’oro,

solo alcune venivano deviate.

Ciò significa che lo spazio

all’interno dell’atomo (della

lamina d’oro) è

prevalentemente vuoto. Nel

momento in cui le particelle

alpha incontrano i protoni,

invece, queste vengono

respinte. Secondo il modello

di Thompson tutte le

particelle sarebbero dovute

passare

Caratterizzate dall’avere una

massa (grammi) e una carica

(coulomb)

Protone e neutrone hanno

all’incirca la stessa massa

L’atomo ha dimensioni

nanometriche

Elettrone si trova a una distanza

elevata dal nucleo: spazio vuoto

NUMERO ATOMICO (Z): numero di protoni (corrisponde al numero di elettroni essendo gli atomi

neutri)

NUMERO DI MASSA (A): numero di protoni + numero di neutroni = numero di nucleoni 4

STRUTTURA ATOMICA

CARICA NUCLEARE: A - Z = numero di neutroni

Atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietà chimiche, sono classificati come atomi

dello stesso elemento e identificati dallo stesso simbolo chimico

NUCLIDI E ISOTOPI

NUCLIDE

Termine con cui si indica una specie atomica caratterizzata da una ben determinata composizione del

nucleo

ISOTOPI

Nuclidi di uno stesso elemento (isos topos = stesso posto), quindi con uguale numero atomico Z ma

diverso numero di massa A e quindi diverso numero di neutroni

Tutti gli isotopi di un elemento hanno lo stesso nome. Fa eccezione l’idrogeno:

H = idrogeno, D = deuterio, T = trizio → è talmente piccolo che aggiungere un neutrone

fa la differenza

Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono solo dal numero di elettroni (e quindi da Z

) e

conseguentemente diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche e

chimico-fisiche. Fanno eccezione gli isotopi degli elementi leggeri, in particolare dell’idrogeno

Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi con composizione costante. Quando si

indica un elemento con il solo simbolo (Ne), come nella tavola periodica, ci si riferisce alla sua

miscela isotopica naturale

ISOBARI

Nuclidi di elementi diversi, quindi con diverso numero atomico Z ma con uguale numero di massa

A (isos baros = stesso peso)

NUCLIDI STABILI E RADIONUCLIDI

Nuclidi conosciuti ad oggi: 2200 ca; nuclidi stabili (naturali): 270 ca

Stabilità: nr neutroni (A-Z) / nr protoni (Z)

PROCESSO DI DECADIMENTO RADIOATTIVO

Processo di trasformazione in cui un atomo instabile, quindi radioattivo, emette delle particelle (e a

volte radiazione elettromagnetica) per trasformarsi in un altro nuclide (stabile o meno). Emettendo le

particelle il nucleo cambia la composizione e quindi il numero atomico, spostandosi verso la fascia di

stabilità. Può raggiungere la stabilità in un solo step o in più step. Possono essere emessi anche

raggi gamma se c’è un’instabilità energetica 5

STRUTTURA ATOMICA

Legami chimici, stato di aggregazione, P, T, campi elettrici e campi magnetici NON influenzano i

processi di decadimento radioattivo

I decadimenti radioattivi possono essere usati a vari scopi: datazione dei fossili (decadimento del

carbonio 14) o datazione delle rocce (usando l’isotopo uranio-238)

Il carbonio 14 è prodotto i