Basic HTML Version
Teoria
L’atomo: i modelli del passato
Unità 9
3
La
legge di Coulomb
afferma che l’intensità della forza elettrostatica
di repulsione o di attrazione tra due corpi elettricamente carichi è di-
rettamente proporzionale al prodotto delle loro cariche e inversamente
proporzionale al quadrato della loro distanza.
In simboli,
forza elettrostatica (N)
cariche elettriche (C)
F
k
q
1
q
2
r
2
costante di Coulomb
(N m
2
/C
2
)
distanza (m)
La costante
k
, detta
costante di Coulomb
, dipende dal materiale interposto
tra le cariche; se queste sono nel vuoto (o nell’aria) vale 9,0 10
9
N m
2
/C
2
.
Le cariche elettriche si possono trasferire da un corpo all’altro: se tocchia-
mo un oggetto metallico neutro con un altro elettricamente carico, il primo
assume una carica dello stesso segno del secondo.
Ma le cariche elettriche non si limitano a trasferirsi da un corpo all’altro.
Nel 1800, Alessandro Volta (1745-1827) riuscì a produrre un flusso di ca-
riche elettriche, ossia una
corrente elettrica
, per mezzo di un dispositivo
in cui si verificavano reazioni chimiche: la
pila
(
3
). Successivamente, gli
inglesi William Nicholson (1753-1815) e Humphry Davy (1778-1829) ri-
uscirono a far avvenire, per mezzo dell’elettricità, alcune reazioni chimiche,
come la decomposizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno: il processo fu
chiamato
elettrolisi
.
Si fece in tal modo evidente l’esistenza di uno stretto rapporto tra materia
ed elettricità. Ma la materia è costituita da atomi: si doveva quindi supporre
che ogni atomo possedesse una “natura elettrica” e non fosse l’entità ele-
mentare ipotizzata da Dalton?
I
fenomeni elettrici
(elettrizzazione dei corpi, pila, elettrolisi) si posso-
no spiegare immaginando che all’interno degli atomi neutri siano pre-
senti, in ugual numero, particelle dotate di carica elettrica opposta e che
particelle cariche possano trasferirsi da un atomo all’altro.
1.2
La radioattività: atomi in trasformazione
Alla fine del XIX secolo gli studi sulla radioattività portarono prove incon-
futabili a sostegno di una nuova concezione dell’atomo, non più indivisibile,
né inalterabile. Si scoprì infatti che alcuni elementi chimici instabili, come
Figura 3
La pila di Volta.
+
+
+
+ +
+++++
+++++
+++++
+++++
+ +
−−−−−
−−−−−
− −
−
−−
+ +
+
++
bacchetta
di vetro
elettrizzata
bacchetta
di vetro
elettrizzata
bacchetta
di ebanite
elettrizzata
Una bacchetta di vetro elettrizzata
(positiva) esercita una forza attrattiva su
una sfera carica negativamente.
Una bacchetta di vetro elettrizzata
(positiva) esercita una forza repulsiva su
una sfera carica positivamente.
Una bacchetta di ebanite elettrizzata
(negativa) esercita una forza attrattiva su
una sfera carica positivamente.
Figura 2
Due corpi
elettrizzati si
respingono
se la loro
carica è dello
stesso segno,
si attraggono
se è di segno
opposto.
www.apprendiscienza.it
Lo sviluppo della teoria atomica.
La radioattività
Development of atomic theory.
Radioactivity
Leggi
e definizioni
evidenziate
Infografica
Chimica e…:
schede interdisciplinari
Risolviamo insieme:
problemi ragionati
su argomenti concreti
Sezione D
Dall’atomo ai composti inorganici e organici
56
I dati sull’energia di ionizzazione confermano l’esistenza di elettroni
esterni, che vengono più facilmente estratti dagli atomi, e di elettroni interni
più vincolati ai nuclei.
Quindi i valori crescenti delle energie di ionizzazione di un atomo so-
no un’importante prova dell’esistenza dei livelli energetici e della validità
dell’attuale modello atomico.
Energie di ionizzazione di prima, seconda, … fascia.
I valori delle energie di ionizzazione possono essere raggruppati in
fasce, come evidenziato nel diagramma.
Esso rappresenta i valori delle energie di ionizzazione successive
(prima, seconda, terza ecc.) di ogni elemento dall’idrogeno al calcio.
Prendendo ad esempio il sodio, atomo che possiede 11 elettroni, puoi
notare che gli undici valori delle energie di ionizzazione presentano gli
incrementi più accentuati nella seconda ionizzazione (cioè quando si
toglie il secondo elettrone) e nella decima (quando si toglie il decimo
elettrone). Questo andamento collima perfettamente con la configu-
razione del sodio, che ha un elettrone nel terzo livello, otto elettroni
nel secondo e due elettroni nel primo livello. Prova a verificare il mo-
dello con qualche altro atomo.
0
energia di ionizzazione (KJ/mol)
4
3
H
He
Li
Be
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
B
1 · 10
4
3 · 10
4
5 · 10
4
10 · 10
4
15 · 10
4
20 · 10
4
30 · 10
4
40 · 10
4
50 · 10
4
1
2
5
Che cos’è l’energia di ionizzazione?
6
Come varia nellaT.P.?
7
Qual è la differenza tra energia di prima, secon-
da ecc. ionizzazione?
Facciamo il punto
3.5
Affinità elettronica
Si definisce
affinità elettronica
l’energia che un atomo isolato (allo sta-
to gassoso) libera quando acquista un elettrone.
Si misura in kJ/mol ed è, in pratica, la misura della tendenza di un atomo a
trasformarsi in un anione. Per il cloro, ad esempio, si ha:
Cl e
→
Cl 349,0 kJ/mol
cioè l’affinità elettronica è
E
af
349,0 kJ/mol.
L’andamento dell’affinità elettronica nella TP è evidenziato nella
14
.
Come per l’energia di ionizzazione, i valori dell’affinità elettronica dimi-
nuiscono lungo un gruppo dall’alto verso il basso e aumentano lungo un
periodo da sinistra a destra.
Sviluppa il tuo intuito
Sviluppa il tuo intuito:
per allenarsi con
il pensiero scientifico
Sezione D
Dall’atomo ai composti inorganici e organici
18
Se il fotone assorbito non possiede un’energia superiore a un determinato
valore soglia, l’elettrone non raggiunge un’energia sufficiente per fuo-
riuscire dagli atomi, mentre se è superiore al valore soglia l’emissione è
istantanea.
Al crescere del numero di fotoni che colpisce il metallo (luce più intensa)
aumenta il numero di elettroni emessi, ma non aumenta l’energia cinetica
dei singoli elettroni.
11
Completa le frasi.
I corpuscoli di luce sono detti ...............................
o ................................. .
La luce si comporta come ...............................
quando si propaga e come un flusso di .............
..................... quando interagisce con la materia.
12
Che cosa dimostra l’effetto fotoelettrico? Perché?
Facciamo il punto
CHIMICA E SALUTE
Un tempo veramente breve, di pochi minuti,
è sufficiente affinché l’esposizione ai raggi
solari possa provocare arrossamenti e scot-
tature: l’eritema solare. A lungo termine,
un’eccessiva esposizione al Sole provoca
l’ispessimento e l’invecchiamento della pel-
le, oltre a favorire la formazione di tumori
cutanei, poiché i raggi solari danneggiano il
DNA cellulare.
Il pericolo dei raggi UV
I danni cellulari sono provocati dai raggi ul-
travioletti (UV): le radiazioni che coprono la
porzione dello spettro elettromagnetico cor-
rispondente a lunghezze d’onda comprese
tra 100 e 400 nanometri. In generale, indi-
pendentemente dal fatto che provengano
dal Sole o da sorgenti artificiali, la capacità
di penetrazione e quindi la “pericolosità” per
l’uomo dei raggi UV aumenta al diminuire
della lunghezza d’onda (
A
).
Sebbene una parte della radiazione ultravio-
letta di origine solare venga bloccata in quo-
ta dallo strato di ozono, una percentuale non
indifferente giunge sino a noi. (A causa del
“buco dell’ozono” sembra che questa parte
sia cresciuta negli ultimi anni!)
Filtri chimici e filtri fisici
Per difendersi dalle radiazioni solari nocive si
fa spesso uso di creme protettive (i filtri sola-
ri) che impediscono ai raggi UV di penetrare
nella pelle.
Le creme solari possono contenere prepa-
rati di due tipi: i filtri chimici sono composti
aromatici come i benzofenoni e l’acido p-am-
minobenzoico, che assorbono le radiazioni
ultraviolette; quelli fisici contengono polve-
ri di diossido di titanio e di ossido di zinco,
dotate di un elevato potere riflettente, come
dei microscopici specchi.
Il fattore di protezione, che troviamo scritto
sulla confezione, ci dice di quante volte pos-
siamo aumentare l’esposizione al Sole sen-
za correre il rischio di scottarci (
B
): se per
esempio la nostra pelle resiste al Sole solo
10 minuti senza protezione, una crema con
fattore 10 ci permette di rimanere esposti
sino a 100 minuti.
S
cheda
3
Salviamo la pelle!
Figura A
Le lampade abbronzanti emettono raggi UV tanto dannosi per la pelle quanto quelli solari.
Figura B
Poiché la sensibilità cutanea è
notevolmente diversa da persona a persona
e i livelli di UV nella radiazione solare sono
molto variabili con la latitudine, l’altitudine
le condizioni dell’atmosfera e l’ora del
giorno, il fattore di protezione rappresenta
un’indicazione di massima e non un dato
esatto. Nessuna crema, inoltre, è in grado
di fornire uno schermo totale dai raggi UV.
Schema dell’esperimento di Millikan.
Le classi dei composti inorganici e la loro nomenclatura
Unità 13
97
2
La classificazione dei composti
inorganici
Classificare l’enorme numero dei composti chimici conosciuti è senza dub-
bio arduo. Nei successivi paragrafi studieremo la nomenclatura dei
compo-
sti inorganici
, sostanze presenti nella crosta terrestre od ottenute mediante
reazioni, non quella dei
composti organici
, alla base della vita, di cui ci
occuperemo più avanti.
2.1
Come si è evoluta la nomenclatura dei composti
Già gli alchimisti avevano attribuito un nome a molte sostanze, ma erano
nomi di fantasia, come salnitro (KNO
3
), o vetriolo (H
2
SO
4
).
Il primo scienziato a proporre una nomenclatura più rigorosa fu Lavoisier,
alla fine del XVIII secolo. Egli stabilì di chiamare “ossidi” i composti con-
tenenti ossigeno e un metallo, e introdusse i suffissi -oso e -ico, ancora oggi
in uso. Solo con l’introduzione dei simboli degli elementi da parte di Jöns
Jacob Berzelius (1779-1848), si giunse però a stabilire un rapporto biunivo-
co tra una sostanza e la sua formula.
Al giorno d’oggi esiste ancora una
nomenclatura corrente
, poco utilizza-
ta a livello scientifico, che comprende nomi rimasti nell’uso comune, come
acqua, ammoniaca, gesso (
2
), soda caustica, acido muriatico ecc.; noi però
studieremo la
nomenclatura sistematica
.
Alla ricerca del numero di ossidazione
Calcoliamo l’n.o. del ferro nel composto Fe
2
O
3
, sapendo che in
esso l’ossigeno ha numero di ossidazione uguale a 2. Calcolia-
mo inoltre l’n.o. dell’azoto nel composto HNO
2
, sapendo che in
esso l’n.o. dell’idrogeno è 1 e quello dell’ossigeno è 2. Deter-
miniamo, infine, l’n.o. dello zolfo nello ione poliatomico SO
3
2–
, in
cui l’ossigeno ha ancora n.o. uguale a 2.
Dati e incognite
In Fe O
n.o. di O:
2
n.o. di Fe: ?
2 3
In HNO
n.o. di H: 1
n.o. di O:
2
n.o. di N:
2
?
In SO
n.o. di O:
2
n.o. di S: ?
3
2
−
Soluzione
• Fe
2
O
3
La carica elettrica complessivamente attribuita ai tre atomi di
ossigeno presenti nella molecola è il triplo dell’n.o. dell’ossi-
geno:
3 ( 2) 6
Di conseguenza, poiché la molecola è neutra, ai suoi due atomi Fe
è attribuita una carica complessiva 6, equamente ripartita. L’n.o.
di Fe nel composto è quindi:
( 6) : 2 3
• HNO
2
Ragionando in modo analogo, e indicando con x l’n.o. di N, pos-
siamo scrivere che la somma algebrica di x con l’n.o. di H e il doppio
dell’n.o. di O è uguale a 0:
x 1 2 ( 2) 0
da cui
x 1 4 0 x 3
• SO
3
2–
Indicando ora con x l’n.o. di S, e ricordando che la somma delle
cariche formalmente attribuite ai singoli atomi è uguale alla carica
dello ione poliatomico, troviamo:
x 3 ( 2) 2 x 6 2 x 4
Prosegui tu
Calcola l’n.o. di Cl in Cl
2
O
5
e di S in H
2
SO
3
.
Risolviamo insieme
1
Completa le frasi.
La valenza di un elemento è il numero di elettroni che esso cede,
........................... o mette in ....................... per formare .......................... con
altri elementi.
Il numero del .............................. a cui un elemento appartiene, se di tipo
A, corrisponde alla valenza .............................. dell’elemento.
2
Quali sono le regole da applicare per stabilire il n.o. di un elemento in un
composto?
Facciamo il punto
Animazione
Nomenclatura
dei composti chimici
Figura 2
Cristalli di gesso. Secondo la nomenclatura
sistematica tradizionale, questo composto è chiamato
solfato di calcio.
Facciamo
il punto:
prima verifica
per fissare i
concetti
I-XII_U-totale-iniziali.indd 3
20/02/12 1