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LA STRUTTURA DELLATOMO Latomo è formato da una parte centrale, detta nucleo, con elettroni orbitanti. Il nucleo è composto da protoni e neutroni (particelle.

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1 LA STRUTTURA DELLATOMO Latomo è formato da una parte centrale, detta nucleo, con elettroni orbitanti. Il nucleo è composto da protoni e neutroni (particelle subatomiche). I NUCLEONI (protoni e neutroni) sono costituiti da particelle fondamentali : i quark Solo i quark di prima generazione (up e down) esistono spontaneamente in natura. I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre quark per protone e neutrone. Il protone è formato da due quark up e un down con carica totale di +1. Un neutrone, invece, è formato da due quark down e un quark up, che danno carica totale pari a zero. Orbitale NEUTRONIPROTONI Down quark Up quark Carica - Carica + Carica (- - + ) = 0 Carica ( ) = 1 Nessuna caricaCarica positiva Carica negativa ELETTRONI NUCLEO

2 LA STRUTTURA DELLATOMO Numero atomico Il numero atomico Z indica il numero di protoni (p + ) presenti nel nucleo. Numero di massa Il numero di massa A corrisponde invece alla somma tra protoni e neutroni presenti nel nucleo protoni e neutroni sono indicati complessivamente con il termine di nucleoni). Il numero di neutroni N si calcola applicando la seguente formula: N = A – Z Le proprietà chimiche di un elemento dipendono solo dal numero dei protoni. Aumentare il numero dei neutroni di un nucleo, non cambia in alcun modo le proprietà chimiche del rispettivo atomo. NUCLEO ELETTRONI NEUTRONI PROTONI Quark 8 O Nessuna caricaCarica positivaCarica negativa Quark 16 NUMERO ATOMICO Numero dei protoni MASSA ATOMICA Numero dei protoni e dei neutroni SIMBOLO CHIMICO NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI Ossigeno NOME ELEMENTO

3 MASSA ATOMICA Trovare una bilancia in grado di pesare un atomo è impensabile perché i valori son molto piccoli perciò si usa la massa relativa, cioè masse atomiche che sono rapportate ad una grandezza di riferimento. Latomo che viene scelto come riferimento è quello del Carbonio-12 (1, kg). Lunità scelta non è latomo intero, ma la sua 12 esima parte, che corrisponde circa a 1, kg. Tale unità viene chiamata unità di massa atomica (uma) (oppure dalton). La massa atomica relativa di un elemento indica quante volte la massa di un atomo è maggiore rispetto a un dodicesimo della massa del carbonio O 16 NUMERO ATOMICO Numero dei protoni MASSA ATOMICA Numero dei protoni e dei neutroni SIMBOLO CHIMICO NUMERO PROTONI = NUMERO ELETTRONI Ossigeno NOME ELEMENTO LOssigeno ha massa atomica 16 u: non significa che pesa 16 g ma che la sua massa è 16 volte più grande di quella dodicesima parte del C 12 Massa molecolare relativa La massa di una molecola, detta massa molecolare, è uguale alla somma delle masse di tutti gli atomi che compongono la molecola. Vediamo come eseguire il calcolo della massa molecolare di CH3CH2Cl 2 atomi di C = 2 · 12,01 = 24,02 uma 5 atomi di H = 5 · 1,01 = 5,05 uma 1 atomi di Cl = 1 · 35,45 = 35,45 uma massa molecolare = 64,52 uma

4 ISOTOPI Il termine isotopo deriva dal greco che significa stesso posto. Gli isotopi di un elemento chimico, infatti, hanno lo stesso numero atomico Z (stesso numero di protoni) e quindi occupano lo stesso posto nella tavola periodica, ma un differente numero di neutroni N. Inoltre, pur avendo masse differenti, non differiscono nel loro comportamento chimico, perché hanno lo stesso numero di protoni e quindi lo stesso numero di elettroni. La maggior parte degli elementi ha isotopi stabili e radioattivi a partire dal numero atomico 84, ossia il polonio. 17 Cl 35 Il cloro, ad esempio, è una miscela di due isotopi che vengono così rappresentati: Cloro Entrambi gli atomi di cloro hanno 17 protoni (ciò contraddistingue gli atomi di cloro). I due isotopi però differiscono nel numero di massa A poiché hanno un diverso numero di neutroni. Per l'isotopo 35 Cl si ha: N = A - Z = = 18 neutroni Per l'isotopo 37 Cl si ha: N = A - Z = = 20 neutroni Isotopi dell'Idrogeno L'idrogeno è una miscela di tre isotopi: prozio, deuterio, trizio. 17 Cl 37 Cloro

5 Un po di numeri La carica elettrica del nucleo è data dal numero atomico Z moltiplicato per la carica elementare e = 1, C Q = Ze In particolare, per A < 40 si ha che N Z; per nuclei più pesanti N aumenta più velocemente di Z. Tutti i nucleoni (protoni e i neutroni) subiscono indistintamente la forza nucleare attrattiva, mentre solo i protoni subiscono la forza elettrostatica repulsiva. Quando Z cresce, la stabilità del nucleo tende a diminuire a causa della repulsione coulombiana, le forze nucleari attrattive devono quindi aumentare ed è necessario un numero N di neutroni percentualmente maggiore. Lordine di grandezza della nuvola elettronica e quindi delle dimensioni di un atomo è di 0,1 nm (nanometro = un miliardesimo di metro = m). Il nucleo ha un raggio variabile: 1, m R 8, m Il diametro del protone è di circa 1 fm (femtometro = m = un milionesimo di nanometro). I diametri dei nuclei variano da 1 a 10 fm per gli atomi pesant i La massa del protone è ~ 1830 volte più grande di quella dellelettrone: eppure hanno la stessa carica elettrica - massa dell'elettrone m e = 0, Kg - massa del protone m p m e - massa del neutrone m N m e m p = m N q p = q e Nel nucleo dell'atomo è concentrata la gran parte della massa dell'atomo (oltre il 99%) ma esso risulta volte più piccolo dell'atomo. Tra questo nucleo ed i lontanissimi elettroni vi è un vuoto immenso. nucleo 1 km elettrone

6 LA STRUTTURA DELLATOMO Mappa concettuale 3 QUARK CIASCUNO È FORMATO

7 CARICA ELETTRICA Proprietà elettriche della materia: note fin dallantichità (es. attrazione per strofinio); ma normalmente nascoste nella struttura atomica Costituzione dellatomo: nucleo con protoni (carica + e) e neutroni (carica 0) elettroni (carica – e) orbitanti attorno al nucleo Carica elettrica = proprietà intrinseca della materia grandezza fisica fondamentale (Vedi corrente elettrica) unità di misura: coulomb (C) Proprietà fondamentali: 3 stati di carica: positiva, negativa, neutra sempre multipla di ±e = 1,6· C carica elementare si conserva (non si crea e non si distrugge,ma si separa/unisce)

8 FORZA DI COULOMB Tra due corpi puntiformi di carica q 1 e q 2, posti a distanza r, si esercita sempre una forza di attrazione o di repulsione - diretta lungo la congiungente tra i due corpi - Proporzionale alle due cariche - inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza Dove ε 0 = 8, C²/Nm² (costante dielettrica del vuoto) K = 8, Nm²/C² Nm²/C² (costante di Coulom nel vuoto) r

9 FORZA COULOMBIANA e GRAVITAZIONALE Analogie fra forza coulombiana e forza gravitazionale Differenze fra forza coulombiana e forza gravitazionale CoulombianaGravitazionale Attrattiva o repulsivaattrattiva K = 8, Nm²/C² (molto grande) G = 6, Nm²/kg² (molto piccola) - dirette lungo la congiungente tra i due corpi - proporzionale alle due cariche / alle due masse - inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza F C = K q p q e /r² = (8, )(1, ) (1, )/( )² = 2, N La forza coulombiana è volte più grande di quella gravitazionale Tra protone e elettrone nellatomo r = m m e = 9,1094· kg q e = 1,60210· C F G = G m p m e /r² = (6, )(1, ) (9, )/( )² = 1, N m p = 1,6724· kg q p = 1,60210· C

10 LE STRANEZZE DELLATOMO Nel nucleo bisogna considerare un tipo di forza, che è molto più intensa solo a piccolissime distanze (inferiori alle dimensioni di un protone o un neutrone) e si annulla rapidamente quando queste distanze diventano maggiori o uguali alle dimensioni di un singolo nucleone (intorno ai metri): la forza nucleare. Quindi i protoni del nucleo sono respinti tra loro dalle forze elettriche ma queste forze sono molto più piccole di quelle nucleari che invece li fanno attrarre (all'aumentare della distanza, le forze nucleari non si fanno più sentire mentre si fanno sentire le forze elettriche). Queste forze nucleari tengono insieme anche neutroni con neutroni, protoni con neutroni e neutroni con protoni.. Perché i protoni non si respingono lun laltro mandando allaria luniverso intero? F p = K q p q p /r² = (8, )(1, )²/( )² = 231 N Forza repulsiva tra 2 protoni Forza attrattiva tra protone/ elettrone F e = 2, N (vedere slide precedente) Facendo il rapporto tra F p ed F e, otteniamo: Risulta quindi che la forza F p repulsiva tra i due protoni dovrebbe essere più intensa di circa 10 miliardi di volte quella F e che tiene un elettrone legato in un atomo: i due protoni dovrebbero schizzare via come due proiettili supersonici!!! 1.Forza Nucleare Forte: 100 volte più grande di quella elettrica e agisce solo quando le particelle sono molto vicine (i protoni sono posti ad una distanza di 100 millesima parte di 1 miliardesimo di cm, essi si attaccano in modo quasi inscindibile) 2.I neutroni si dispongono tra i protoni agendo quasi da schermo rendendo stabile il nucleo dellatomo = = 10 10


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