Riassunto primo esonero chimica

Natura dell’atomo

Tutta la materia che ci circonda può essere classificata in:

• Sostanza pura: non può essere suddivisa nei componenti attraverso mezzi fisici (non altera la natura della sostanza).
• Miscela:
  • Omogenea: consta di una sola fase.
  • Eterogenea: consta di più fasi. Possono essere suddivisi nei componenti attraverso mezzi fisici.

Più atomi di una sostanza pura formano una molecola. Attraverso la formula chimica ho informazioni di varia natura:

• Minima: ci dice esclusivamente il tipo di atomi presenti nella molecola e il minimo rapporto tra di loro.
• Bruta/Molecolare: dà informazioni su quanti atomi sono presenti, la formula minima è un suo multiplo.
• Struttura: mi dice come gli atomi si sviluppano nello spazio. (Formula che dà il maggior numero di informazioni).

Struttura dell’atomo

La struttura dell’atomo può essere assimilata a quella planetaria: il sole è rappresentato dal nucleo, i pianeti che gli ruotano intorno sono gli elettroni. Nel nucleo ci sono protoni e neutroni che determinano la massa dell’atomo, il volume della sfera è invece determinato dal campo di esistenza degli elettroni. La massa a riposo è la massa delle particelle subatomiche che non interagiscono con altre particelle; tale massa ha un valore superiore rispetto alla massa misurata quando le particelle sono nell’atomo a causa dell’energia spesa da quest’ultime pari a E=mc².

Il numero di protoni nel nucleo determina la specie atomica. A parità di protoni parlo dunque di stesso elemento: se il numero di protoni è lo stesso e varia solo il numero di neutroni presenti nel nucleo si parla di isotopo dell’elemento, solo per l’idrogeno la lettera che caratterizza l’isotopo cambia (deuterio D, trizio T). Il numero di protoni si indica con Z e si chiama numero atomico, viene posto come apice. Il numero di massa invece è un apice posto sopra Z, si indica con A ed è dato da A=Z+N.

Si chiama abbondanza isotopica la quantità percentuale di un isotopo rispetto ad un altro. La massa atomica relativa di un elemento la si ottiene facendo una media pesata degli isotopi. L’unità di massa atomica è definita come la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12 (¹²C). Se prendo una quantità di composto in grammi pari alla massa atomica relativa, questa contiene sempre lo stesso numero di atomi. Questo numero è detto numero di Avogadro (Na) definito appunto come numero di atomi di ¹²C contenuti in esattamente 12 g di composto.

Na=6,022 x 10²³ = 1 mole. Na= 1/u.m.a. Una mole di elementi corrisponde ad un numero di Avogadro di elementi.

Numero di molecole = numero di moli x Na; numero di moli = fare un’analisi elementare di un composto equivale a dire quanto elemento del composto è presente nel composto stesso. I coefficienti stechiometrici sono le costanti che utilizziamo per bilanciare le reazioni.

Protoni, elettroni e neutroni possono esistere anche fuori dall’atomo. In un tempo t_1/2 detto tempo di dimezzamento pari a 886 s il neutrone si trasforma in un protone + un elettrone. Ciò che tiene insieme protone + neutrone nel nucleo è la forza forte, forza di interazione tra particelle che agisce a corto raggio (cioè solo se i nucleoni sono adiacenti) e che non distingue tra protoni e neutroni.

L’interazione attrattiva tra le particelle viene trasformata in energia è per questo motivo che se le particelle vengono prese singolarmente fuori dall’atomo pesano di più. Questo fenomeno porta al difetto di massa delta m che viene calcolato considerando il nucleo con protoni e neutroni non interagenti. Delta m= massa teorica - massa sperimentale E= delta m c².

Riportando su un grafico delta m/A tutti gli elementi conosciuti in modo da avere l’energia di massa per nucleone ci accorgiamo che inizialmente maggiore è il numero di nucleoni, maggiore è l’energia che li lega. Questo però raggiunge il limite al raggiungimento di 55-60 nucleoni (Fe-Ni). Da questo punto in poi l’energia che lega i nucleoni diminuisce. Questo grafico può essere spiegato distinguendo nell’atomo due livelli di particelle: quelle interne e quelle superficiali. Le particelle interne hanno un’interazione di forza forte su tutta la superficie, quelle esterne invece interagiscono per metà con il vuoto.

È per questo motivo che inizialmente aumentando il numero di nucleoni aumenta il numero di particelle interne e con esso anche la forza forze ma si arriva ad un punto in cui la forza forte ormai è stabile ma la forza di repulsione tra i protoni smuove l’equilibrio (forza di Coulomb).

• A sinistra del massimo della funzione è conveniente il fenomeno della fusione nucleare cioè unione di due atomi.
• A destra quello della fissione nucleare: l’atomo si scinde in due atomi più piccoli.

Riportando su un diagramma di stato tutti i nuclidi conosciuti (atomi considerati non come elementi ma dal punto di vista del loro nucleo) notiamo che tutti gli atomi stabili si trovano in una zona molto stretta tra la bisettrice del primo e terzo quadrante e una retta che se ne discosta leggermente. Questa fascia fino al numero massimo di 84 protoni è detta cono di stabilità. Tutti gli elementi che non si trovano in questa area nel tempo subiscono una reazione (spontanea o non spontanea) per raggiungere l’equilibrio. Tali reazioni sono detti decadimenti radioattivi secondo cui il nucleo non si scinde in due parti ma diminuisce le sue dimensioni solo di poche unità di massa.

• Decadimento α (alfa)
• Decadimento β^-
• Decadimento β⁺
• Cattura elettronica

I primi due decadimenti sono decadimenti spontanei mentre gli ultimi due sono decadimenti indotti che per avvenire hanno bisogno di energia.

Con il decadimento α il nucleo estromette una particella α, cioè un nucleo He (parliamo di nucleo non di elettroni ma solo aggregato di 2n + p). Il nucleo di elio viene lanciato via dall’atomo da cui si è originato e passando per la nube elettronica attira a sé due elettroni neutralizzandosi. Ciò che stiamo modificando il nucleo cambio elemento. Le radiazioni elettromagnetiche che si accompagnano a qualsiasi decadimento sono dette radiazioni γ. Una particella alfa è molto poco penetrante. L’interazione con la pelle è una lesione superficiale, danno pericoloso invece lo causa il decadimento β.

Nel decadimento β^- un neutrone si trasforma in un protone e un elettrone viene estromesso dal nucleo ad una velocità molto elevata a causa della sua dimensione minore. La massa dunque dell’elemento non cambia, il neutrone è stato sostituito dal protone.

Il decadimento β⁺ è invece un decadimento non spontaneo che quindi per compiersi ha bisogno di energia. Un positrone, elettrone con carica positiva, si origina da un protone nucleare. Il positrone dal momento in cui viene espulso, è statisticamente provato che incontri un elettrone; è la reazione di annichilimento della materia.

Con la cattura elettronica un protone del nucleo cattura un elettrone extranucleare che gli è vicino. Qualsiasi nuclide fuori dal cono di stabilità sarà soggetto ad un decadimento: un atomo che sta al di sopra del cono di stabilità ha troppi neutroni rispetto ai protoni allora sarà soggetto al decadimento β^-, al di sotto del cono di stabilità devo invece diminuire il numero di protoni allora il nuclide può subire o un decadimento β⁺ o una cattura elettronica. Al di sopra di 84 protoni qualsiasi sia l’elemento, questo è instabile allora subirà il decadimento α.

Fissione nucleare

La fissione nucleare è un processo non spontaneo in cui un nucleo grande si divide in nuclei più piccoli, di dimensioni maggiori all'atomo di elio. Non tutti gli atomi danno fissione nucleare, anzi sono pochissimi, tra questi per esempio ricordiamo l’isotopo specifico dell'uranio, l’uranio-235. Con la fissione nucleare si ha una trasformazione geometrica del nucleo. Questo processo non è energicamente favorevole perché porta ad un aumento dei nucleoni superficiali. I nuclei che possono compiere la fissione nucleare sono i nuclei fissili. L’aiuto che devono subire è l'essere bombardati sul nucleo da neutroni: tali neutroni devono essere catturati dal nucleo e devono rendere il nucleo instabile. I neutroni devono dunque avere un'energia abbastanza elevata per entrare a far parte del nucleo dell'elemento ma nello stesso tempo non devono essere troppo veloci perché rimbalzerebbero sullo stesso. I prodotti della fissione nucleare non sono univoci, possiamo avere infatti più risultati: l’effetto di un neutrone può portare alla liberazione di due o tre neutroni. Se il fenomeno non è controllato la propagazione diventa esponenziale, il sistema non riesce a contenere il tutto e si ha la bomba atomica.

Per controllare questo processo occorre far in modo che dei 2/3 neutroni emessi, solo uno incontra un altro atomo di uranio-235. Ciò si può fare in due modi: Detto n il numero di neutroni generati, il primo metodo sta nel far fuoriuscire n-1 neutroni dal reattore, occorre cioè scegliere le dimensioni del reattore tali da far reagire solo uno dei neutroni emessi. Si può utilizzare la grafite o l’acqua deuterata per contenere la reazione. Il secondo metodo invece punta a far in modo che solo uno dei neutroni emessi incontri l’uranio-235 perché unico elemento fissile e per controllare la reazione uso l’uranio altamente arricchito.

Fusione nucleare

Con la fusione nucleare due nuclei piccoli si fondono a dare un nucleo più grande. Tale reazione avviene spontaneamente sul sole grazie al raggiungimento di alte temperature. Sulla terra ciò non è possibile perché è troppo difficile combattere la forza forte che tiene insieme i nucleoni. La fusione avviene tra due atomi di idrogeno che si autosostentano; si ha la fusione del deuterio e del trizio: 2H + 3H → 4He + n + 17.6 MeV. Il neutrone viene espulso a velocità elevata andando a far parte dei cosiddetti raggi cosmici, fonte degli isotopi radioattivi naturali che sono presenti sulla terra. L'effetto del neutrone che arriva nell'atmosfera terrestre reagisce con l'isotopo dell'azoto più presente non dando però risultati univoci.

L'abbondanza isotopica non è costante nei millenni proprio perché dipende dall'attività solare. La fusione nucleare sulla terra avviene solo nella bomba ad idrogeno, bomba inserita all'interno di una bomba nucleare a fissione.

Storia dell’atomo

Il primo a capire che l’atomo era principalmente una struttura vuota fu Rutherford nel 1911. Rutherford prese un emettitore di raggi alpha e lo inglobò in un contenitore di piombo in modo da schermare le radiazioni e permettere solo la fuoriuscita delle particelle che avessero una direzione in linea con la fessura. Pose poi tra l’emettitore e una lamina d'oro sottilissima (per avere una quantità di atomi non elevata) una lastra con una fessura in modo da controllare nuovamente la direzione delle particelle e far fuoriuscire solo quelle in linea con la prima fessura.

Andando ad osservare il fenomeno Rutherford si accorse che la maggior parte delle particelle superavano la lamina indisturbate, una piccola parte venivano deviate con angoli piccoli, di meno erano quelle deviate con angoli grandi e ancora minore era il numero delle particelle alpha che tornavano indietro. Rutherford allora ipotizzò che l'atomo fosse praticamente vuoto e il nucleo contenuto al suo centro piccolissimo. Le particelle infatti tornavano indietro solo nell'istante in cui colpivano il nucleo e le loro traiettorie venivano più o meno deflesse in base alla distanza a cui arrivavano dal nucleo.

Rutherford arrivò proprio a stimare le dimensioni di un atomo e a descrisse il sistema assimilando al sistema planetario: l’elettrone orbita intorno al nucleo come i pianeti intorno al sole. Il problema principale di questa teoria risiedeva nello studiare l’atomo attraverso la fisica classica. Secondo la teoria di Rutherford infatti l’elettrone girando intorno al nucleo subiva una perdita di energia che avrebbe dunque dovuto portarlo, in un tempo molto piccolo, a collassare sul nucleo.

Bohr nel 1913 affermò che gli elettroni non sottostanno più alle leggi della fisica classica se si trovano in uno stato stazionario ovvero se:

mvr = n (h/2π)

dove mvr è il momento angolare, h è la costante di Planck e n è il numero quantico. Questo è il postulato della quantizzazione del momento angolare (quantizza lo stato stazionario), il momento angolare dunque, non può avere valori liberi ma deve essere un multiplo intero di h/2π.

Da questa condizione si può scrivere:

mvr = nh/2π

Per la legge di Coulomb la forza di attrazione è pari a e²/r² mentre l’accelerazione che l’elettrone subisce è pari all’accelerazione centripeta mv²/r.

Da qui si ottiene:

e²/r² = mv²/r => r = n²h²/4π²me²

Poiché v = nh/2πmr, le orbite permesse all’elettrone sono un multiplo fisso di n.

Chiamiamo stato fondamentale lo stato a minor livello energetico, stato più vicino al nucleo. L’elettrone riceve energia solo se è pari a quella che gli permette di effettuare il salto quantico.