Chimica per Ingegneria Industriale (Meccanica-Energetica)

Gli stati della materia

Il quarto stato è il plasma, una miscela di ioni ed elettroni. Il modo più facile per generarlo è il fuoco. In tutto gli stati della materia sono una ventina. Il plasma è presente nelle scariche elettriche, nei tubi a neon (sono tubi il cui interno è composto da aria a bassa pressione con mercurio)...

Grandezze fisiche

• Massa: chilogrammo kg [M]
• Lunghezza: metro m [L]
• Tempo: secondo s [T]
• Temperatura: kelvin K [Θ]
• Quantità di sostanza: mole Mol [n]
• Corrente elettrica: ampere A [I]
• Intensità luminosa: candela Cd [J]

Le unità composte sono ad esempio la forza, la pressione e l’energia:

• F = m x a = kg m/s²
• P = F/superficie
• L = F x spostamento = kg m²/s²
• 1 caloria corrisponde a 4,18 J
• E = mc² = massa x velocità della luce = Joule

Legge della conservazione della massa

In una reazione chimica, che avviene in un circuito chiuso, la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti.

PV=nRT

Cifre significative

0,001 ha 1 cifra significativa

0,020 ha 2 cifre significative

Teoria atomica

• Democrito (400 a.C)
• Dalton (1808)
• Maxwell (1860): 4 leggi dell’elettromagnetismo
• Thomson (1902): scoprì l’elettrone
• Rutherford (1911): stabilì che l’atomo è quasi tutto vuoto e che è circondato da elettroni
• Bohr (1913): scoprì che gli elettroni viaggiano su orbite fisse
• Schroedinger (1926): fondò la meccanica ondulatoria, poi denominata meccanica quantistica

Non è possibile stabilire la realtà delle cose perché non si possono mischiare meccanica quantistica e relatività (Einstein).

Modello dell’atomo

L’atomo è composto da un nucleo (che contiene protoni e neutroni) ed elettroni che gli ruotano attorno:

• Protone: carica +1 - oggetti con densità altissima, non si possono creare
• Neutrone: carica 0 - il numero di neutroni determina la stabilità dell’atomo; meno neutroni ci sono, più l’atomo è stabile
• Elettrone: carica -1 - presenti all’interno dell’atomo

Il nucleo e gli elettroni sono legati tra loro dall’interazione colombiana attrattiva. Un atomo neutro è costituito da un egual numero di neutroni e di protoni. Se perde uno o più elettroni diventa ione positivo (catione). Se acquista uno o più elettroni diventa ione negativo (anione).

Gli atomi si differenziano tra loro per il numero di protoni (numero atomico Z) presenti nel nucleo. Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che si differenziano per il numero di neutroni, hanno invece lo stesso numero di protoni. Gli unici isotopi ad avere un simbolo chimico dedicato sono:

• Idrogeno (H)
• Deuterio (D)
• Trizio (T)

Alti tempi di dimezzamento corrispondono a nuclei stabili, mentre bassi tempi di dimezzamento a nuclei instabili. I nuclidi (atomi con numero atomico e numero di massa definiti) instabili tendono a diventare stabili attraverso processi chiamati decadimenti radioattivi.

I decadimenti

Se l'isotopo non è stabile decade emettendo energia e particelle. L'isotopo può decadere in tre modi: α, β, γ. Più il tempo di dimezzamento è breve, più l'isotopo decade in fretta e più è pericoloso. Le radiazioni ionizzanti strappano via gli elettroni agli altri atomi.

Decadimenti β

È un elettrone e viene generato da una reazione chimica. È più presente nell'eccesso di neutroni.

Decadimenti +β

È un antielettrone o positrone (utilizzato in ambito medico per il PET, ovvero la tomografia a emissione di positroni, utilizzata per diagnosticare malattie). È più presente nell'eccesso di protoni.

Decadimenti α

È un atomo di elio (gas nobile, ha una temperatura di ebollizione bassa e le particelle non interagiscono tra di loro. È importante per la medicina e la tecnologia).

Radiazioni γ

I decadimenti possono lasciare il nucleo in uno stato energicamente eccitato. Per stabilizzare il suo stato, il nucleo emette un fotone. Sono tutti fotoni.

Unità di misura

Il radon

È un gas nobile radioattivo, deriva dal decadimento dell’uranio 238. Il suo tempo di dimezzamento è di circa 4 giorni. È pericoloso perché si accumula nelle case, in particolare nei locali inferiori (cantina). Può essere eliminato facilmente riducendo la pressione dell’aria.

Effetto fotoelettrico

La luce è composta da quanti energetici; per ogni fotone viene emesso un elettrone. Einstein nel 1905 prese il premio Nobel per l’effetto fotoelettrico. Una particella può essere un’onda e un’onda può essere una particella in base all’esperimento. L’effetto d’onda-particella genera una diffrazione (fenomeno in cui le particelle si sommano e si sottraggono).

Meccanica quantistica

La meccanica quantistica è un principio che si basa sulla probabilità ed è grazie a questa che riesco a esprimere e descrivere gli elettroni. Contiene le leggi che permettono di descrivere i comportamenti della materia a livello atomico. Einstein era contrario alla meccanica quantistica. Il principio che limita la misura di due grandezze fisiche è detto Principio di indeterminazione. Con i computer quantistici è possibile generare stati quantici e combinarli.

Equazione di Schroedinger

^H=E

L’equazione deve darci l’energia degli elettroni e la capacità di trovarli. L’incognita è ψ (funzione d’onda). Non ha significato, ma è la probabilità di trovare gli elettroni. E è un vettore. ^H è l’operatore hamiltoniano.

Armoniche principali

Una corda, fissata alle estremità, possiede infinite soluzioni chiamate armoniche. Al crescere dell’armonica, aumenta il numero dei nodi e diminuisce la lunghezza d’onda. I nodi sono i punti in cui la corda non si muove e se l’energia aumenta, aumenta anche il numero dei nodi.

I numeri quantici

• n Numero quantico principale: Da 1 a (valori interi)
• l Numero quantico angolare: Da 0 a n-1 (valori interi)
• m Numero quantico magnetico: Da +l a -l

Esempio:

• n=3
• l=0 l=1 l=2
• m=0 m=-1,0,1 m=-2,-1,0,1,2

1 funzione, 3 funzioni, 5 funzioni.

Orbitali

Rappresentazioni che permettono di trovare l’elettrone nell’80% dei casi. Sono detti Armoniche Base.

Spin dell’elettrone

L’elettrone può assumere più valori di spin. Elettroni con spin diversi possono occupare la stessa regione di spazio. Quindi ogni orbitale può ospitare due elettroni purché abbiano spin opposto.

s, pAd, n=1 corrisponde il livello più basso di energia, ad n>1 corrispondono livelli ad energia più elevata (livelli eccitati).