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5. Le teorie della materia

5. 1 Il concetto di atomo ha radici antiche

Il concetto di atomo • 1 • Le prime ipotesi sulla struttura della materia si basavano esclusivamente su argomentazioni di tipo filosofico. Valitutti Tifi Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011 4

Il concetto di atomo • 2 “La materia non è continua come sembra, ma è formata da particelle piccolissime” Leucippo (450 a. C) Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 5

Il concetto di atomo • 3 • Un suo discepolo, Democrito, chiamò atomi queste particelle. • L’idea atomistica della materia fu osteggiata da Platone e Aristotele. • Fu ripresa in seguito da Lucrezio (9555 a. C. ) nel De rerum natura. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 6

Il concetto di atomo • 4 • Il primo modello atomico costruito su basi sperimentali fu proposto solo ventidue secoli dopo. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 7

Il concetto di atomo • 5 • Gli attuali risultati sperimentali ci autorizzano a dire che la materia non è continua ma è formata da particelle piccolissime separate da spazi vuoti. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 8

5. 2 La moderna teoria atomica è nata grazie a Lavoisier, Proust e Dalton

Le basi sperimentali • La prima teoria atomica nacque dall’analisi di tre leggi sperimentali: – Legge di conservazione della massa. – Legge delle proporzioni definite. – Legge delle proporzioni multiple. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 10

Conservazione della massa • 1 “Mi sono dato come legge di procedere sempre dal noto all’ignoto, e di non fare alcuna deduzione che non sgorghi direttamente dagli esperimenti e dall’osservazione” Lavoisier (Parigi, 1743 -1794) Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 11

Conservazione della massa • 2 • La bilancia fu lo strumento che accompagnò Lavoisier nei suoi esperimenti e intorno al quale ruotarono le prime idee scientifiche della chimica. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 12

Conservazione della massa • 3 Legge di conservazione della massa: in una reazione chimica la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 13

Conservazione della massa • 4 La legge di Lavoisier può essere verificata utilizzando ioduro di potassio e nitrato di piombo Si preparano le due polveri bianche e un mortaio Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 Si uniscono le polveri nel mortaio e si misura la massa. 14

Conservazione della massa • 5 Si mischiano le due polveri nel mortaio Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 Il miscuglio rimane bianco o cambia colore? La massa cambia o rimane la stessa? 15

Legge delle proporzioni definite • 1 • Joseph Proust, un altro chimico francese, attraverso un metodo d’indagine analogo a quello di Lavoisier, arrivò nel 1799 ad enunciare la legge delle proporzioni definite. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 16

Legge delle proporzioni definite • 1 Legge delle proporzioni definite: in un composto, gli elementi che lo costituiscono sono presenti secondo rapporti in massa costanti e definiti. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 17

Legge delle proporzioni definite • 2 • Riscaldando diversi campioni di carbonato di rame del peso di 123. 5 g, si ottengono sempre 79, 5 g di ossido di rame e 44 g di diossido di carbonio. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 18

Legge delle proporzioni definite • 3 “… un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante” Proust (Angers, 1754 -1826) Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 19

Legge delle proporzioni definite • 4 Il rapporto tra le masse degli elementi che costituisco un dato composto (rapporto di combinazione) è costante. In questo un composto differisce da un miscuglio, in cui il rapporto tra gli elementi può assumere qualsiasi valore. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 20

Legge delle proporzioni multiple • 1 • Dalton analizzò casi in cui due elementi possono reagire dando luogo a due o più composti diversi. Ad esempio, carbonio e ossigeno possono formare monossido di carbonio o diossido di carbonio. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 21

Legge delle proporzioni multiple • 2 C 1 g O 2 1. 33 g CO 2. 33 g Quando l’ossigeno è poco si forma il monossido. C 1 g O 2 2. 66 g CO 2 3. 66 g Quando l’ossigeno è tanto si forma il diossido Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 22

Legge delle proporzioni multiple • 3 • Le quantità di ossigeno che si combinano con 1 g di carbonio per formare il monossido e il diossido stanno tra loro in rapporto 1: 2. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 23

Legge delle proporzioni multiple • 4 Legge delle proporzioni multiple: quando un elemento si combina con una stessa massa di un secondo elemento per formare composti diversi, le masse del primo elemento stanno tra loro in rapporti semplici. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 24

La prima teoria atomica • 1 • Nel 1803 Dalton formulò la prima teoria atomica, in accordo con le tre leggi sperimentali sopra enunciate. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 25

La prima teoria atomica • 2 1. La materia è fatta di atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili; 2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa; Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 26

La prima teoria atomica • 3 3. gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi; 4. gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di altri elementi; Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 27

La prima teoria atomica • 4 5. gli atomi non possono essere creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto all’altro. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 28

La prima teoria atomica • 5 • La teoria di Dalton è in accordo con la legge di conservazione della massa: i punti 1, 2, 3, 5 implicano che in una reazione chimica gli atomi rimangono invariati in numero e massa. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 29

La prima teoria atomica • 6 Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 30

La prima teoria atomica • 7 • La teoria è in accordo con la legge di Proust: i punti 4 e 5 implicano che un composto ha composizione costante, cioè contiene un numero fisso di atomi di ogni elemento. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 31

La prima teoria atomica • 8 Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 32

La prima teoria atomica • 9 • La teoria di Dalton è in accordo anche con la legge delle proporzioni multiple. Ad esempio nella reazione tra ossigeno e carbonio, il monossido contiene un atomo di O per ogni atomo di C, il diossido ne contiene due. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 33

La prima teoria atomica • 10 I due composti hanno proprietà fisiche e chimiche completamente diverse. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 34

5. 3 La teoria atomica spiega le proprietà della materia

Gli elementi • 1 Questa pepita d’oro è costituita da una sola specie di atomi (Au). Lo stesso è vero per un oggetto di rame (Cu), di alluminio (Al) o di ferro (Fe). Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 36

Gli elementi • 2 • Immaginiamo di dividere un oggetto di alluminio in campioni sempre più piccoli. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 37

Gli elementi • 3 • Dopo numerosissime suddivisioni, arriveremo alla singola particella, chiamata atomo, che conserva le proprietà chimiche dell’alluminio. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 38

Gli elementi • 4 Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno proprietà chimiche identiche. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 39

Gli elementi • 5 • L’atomo non possiede però le proprietà fisiche dell’elemento: un solo atomo non può avere un colore o condurre l’elettricità. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 40

Gli elementi • 6 • Le proprietà macroscopiche (ad esempio opacità, colore, conducibilità, densità, stato di aggregazione) sono il risultato dell’unione di tantissime particelle, in questo caso atomi. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 41

Le molecole • 1 Alcuni elementi, come l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto, il cloro, il fluoro, il bromo e lo iodio, si trovano in natura sotto forma di molecole costituite da due atomi identici (molecole biatomiche). Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 42

Le molecole • 2 Altri elementi, come il fosforo e l’arsenico, esistono sotto forma di molecole costituite da quattro atomi; lo zolfo e il selenio possiedono molecole formate da otto atomi. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 43

Le molecole • 3 La molecola è un raggruppamento di due o più atomi che possiede proprietà chimiche caratteristiche. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 44

Le molecole • 4 • La formula di una molecola indica da quali elementi essa è costituita e quanti atomi di ciascun elemento contiene. • L’ossigeno ad esempio si trova in molecole con formula chimica O 2. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 45

Le molecole • 5 • La formula che utilizziamo per indicare quali e quanti atomi costituiscono la molecola di un composto è chiamata formula bruta o grezza. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 46

Le molecole • 6 Le molecole dei composti sono costituite da atomi di tipo diverso. I composti hanno composizione definita a cui partecipano atomi di natura diversa. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 47

Le molecole • 7 L’acqua è un composto costituito da molecole la cui formula chimica è H 2 O. L’acqua contenuta in un bicchiere è formata da miliardi e miliardi di molecole d’acqua. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 48

Le molecole • 8 Questi tre composti hanno formula chimica rispettivamente: CO 2, NH 3, CH 4. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 49

Le molecole • 9 • Una singola molecola non ha le proprietà fisiche dell’elemento o del composto. • Non ha significato, ad esempio, parlare del punto di fusione di una singola molecola. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 50

Le molecole • 10 Proprietà microscopiche e macroscopiche Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 51

I composti ionici • 1 Si definiscono ioni gli atomi (o i gruppi di atomi) con una o più cariche elettriche, positive o negative. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 52

I composti ionici • 2 • Un composto ionico contiene schiere di ioni positivi e negativi che si alternano in modo ordinato. • A temperatura ambiente i composti ionici sono tutti solidi. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 53

I composti ionici • 3 Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 54

I composti ionici • 4 • La formula di un composto ionico indica il rapporto con cui sono combinati gli ioni che lo costituiscono. Na. Cl significa che il rapporto con cui sono combinati Na+ e Cl- è 1: 1. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 55

5. 4 Le particelle sono in continuo movimento: la teoria cinetico-molecolare

La teoria cinetico-molecolare • 1 • Le particelle che costituiscono i materiali sono separate da spazio vuoto e sono in continuo movimento. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 57

La teoria cinetico-molecolare • 2 Nei solidi le particelle oscillano intorno a posizioni fisse. Nei liquidi le molecole sono in contatto tra loro ma hanno maggiore libertà di movimento. Nei gas il moto molecolare è assolutamente disordinato. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 58

La teoria cinetico-molecolare • 3 1. Le molecole hanno energia cinetica legata al loro moto. 2. Hanno inoltre energia potenziale legata alle interazioni tra molecole. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 59

La teoria cinetico-molecolare • 4 Energia interna del sistema: Esistema = Ec + Ep Se forniamo calore a un oggetto, la sua energia interna aumenta. Infatti, il calore è un modo di trasferire energia da un corpo più caldo a uno più freddo. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 60

La teoria cinetico-molecolare • 5 • In seguito a riscaldamento, l’energia cinetica delle particelle aumenta. Esse si muovono via più velocemente urtandosi sempre più spesso e tendono ad allontanarsi l’una dall’altra. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 61

La teoria cinetico-molecolare • 6 La temperatura assoluta di un corpo è proporzionale all’energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 62

La teoria cinetico-molecolare • 7 • Le particelle di un corpo non hanno tutte la stessa energia cinetica. • Per questo si preferisce parlare di energia cinetica media delle particelle. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 63

La teoria cinetico-molecolare • 8 • In seguito a riscaldamento, anche l’energia potenziale delle particelle aumenta, perché le distanze intermolecolari aumentano e le interazioni attrattive si indeboliscono. Autore, Autore. Titolo © Zanichelli editore 2009 64