Appunti di storia della fisica: l’atomo LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Dalla filosofia greca all’800 LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Legge di conservazione della massa (Lavoisier, seconda metà del ‘700): in una reazione chimica all'interno di un sistema chiuso la massa (  peso) dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti. Reazione chimica (definizione semplificata): trasformazione della materia in cui da una o più sostanze (reagenti) derivano altre sostanze (prodotti) che in generale hanno caratteristiche diverse. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Immagini di reazioni chimiche: una combustione, la formazione di un precipitato giallo o della ruggine, la liberazione di gas quando del succo di limone viene versato su una roccia calcarea.

Legge di conservazione della massa (Lavoisier, seconda metà del ‘700): in una reazione chimica all'interno di un sistema chiuso la massa (  peso) dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti. Sistema chiuso: un sistema che non può scambiare materia con il suo ambiente, ma solo energia. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Un sistema chiuso: la materia non può entrare o uscire dalla provetta ma il liquido blu, ad esempio, potrebbe cedere energia all’esterno raffreddandosi o acquisirne se la provetta viene riscaldata.

Esperimento: conservazione della massa in una reazione chimica Legge di conservazione della massa (Lavoisier, seconda metà del ‘700): in una reazione chimica all'interno di un sistema chiuso la massa (  peso) dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti. Esperimento: conservazione della massa in una reazione chimica LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Attenzione! Nel video è usato l’acido cloridrico, una sostanza pericolosa da non adoperare! L’esperimento può essere ripetuto a casa utilizzando bicarbonato e aceto (oppure limone).

Illustrazione della legge di Proust Legge di Proust o delle proporzioni definite (1799): in un composto chimico gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti in rapporti di massa (  peso) costanti e definiti. Composti chimici: sono sostanze pure dalle quali è possibile ottenere, mediante ordinari procedimenti chimici, sostanze più semplici. Sostanze pure: presentano caratteristiche ben definite (ad esempio la densità e la temperatura di ebollizione) che si ripetono costantemente in ogni campione. Elementi: sostanze pure dalle quali NON è possibile ottenere, mediante ordinari procedimenti chimici, sostanze più semplici. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Illustrazione della legge di Proust Per preparare in laboratorio del solfuro ferroso (pirite), occorre fare reagire ferro e zolfo nel rapporto di 1 g di ferro per 0,57 g di zolfo. In accordo con la legge della conservazione della massa si otterranno 1,57 g di solfuro ferroso.

Legge di Proust o delle proporzioni definite (1799): in un composto chimico gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti in rapporti di massa (  peso) costanti e definiti. Per ottenere una quantità di solfuro ferroso dieci volte maggiore, cioè 15,7 g, bisogna sempre rispettare il rapporto di combinazione (1 : 0,57) tra ferro e zolfo e quindi 10 g di ferro vanno fatti reagire con 5,7 g di zolfo: LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Facendo invece reagire 10 g di ferro con 8 g di zolfo, una quantità superiore a quella richiesta dal rapporto di combinazione (5,7 g), si ottengono sempre 15,7 g di solfuro ferroso, ma parte dello zolfo (8 g - 5,7 g = 2,3 g) non si combina con il ferro:

Legge di Proust o delle proporzioni definite (1799): in un composto chimico gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti in rapporti di massa (  peso) costanti e definiti. Allo stesso modo per ottenere acqua, un composto formato da idrogeno e ossigeno, dobbiamo fare reagire i due elementi nel rapporto di 1 g di idrogeno contro 8 g di ossigeno. Ogni eccesso di uno dei due elementi rispetto a tale rapporto si ritrova a fine reazione. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron A inizio ‘800 Dalton scoprì casi in cui due elementi possono reagire tra loro secondo diversi rapporti di combinazione formando composti differenti. Carbonio e ossigeno, ad esempio, possono formare ossido di carbonio o biossido di carbonio. Facendo reagire 1 g di carbonio con 1,33 g di ossigeno si ottengono, in accordo con la legge di Lavoisier, 2,33 g di monossido di carbonio (un gas molto velenoso).

Se carbonio e ossigeno reagiscono nel rapporto di 1 g di carbonio per 2,66 g di ossigeno, si ottengono in questo caso 3,66 g di biossido di carbonio (anidride carbonica). Dalton osservò che le masse di ossigeno che si combinavano con la stessa massa ( peso) di carbonio (1 g) erano l'una il doppio dell'altra (2,66 g contro 1,33 g); lo scienziato notò schemi simili anche in altri composti e formulò la: LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Legge di Dalton o delle proporzioni multiple (1808): quando un elemento si combina con la stessa massa di un secondo elemento formando composti diversi le masse del primo elemento stanno tra loro in rapporti espressi da numeri interi e piccoli. Ad esempio l’ossigeno che si combina con 1 g di carbonio è 1,33 g o il doppio, l’ossigeno che si combina con 28 g azoto è 16 g oppure il doppio, triplo, quadruplo o quintuplo (32, 48, 64 o 80 g).

Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. La materia è formata da atomi piccolissimi, indivisibili e indistruttibili; Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno uguale massa; Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi; Gli atomi di un elemento si combinano, per formare un composto, solamente con numeri interi di atomi di altri elementi; Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto ad un altro. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Una reazione chimica dal punto di vista di Dalton: il monossido di carbonio si forma facendo reagire carbonio e ossigeno. ASSUMIAMO che la struttura del composto monossido di carbonio la più semplice possibile, formata da un atomo di carbonio e uno di ossigeno …. C O

1 g di carbonio conterrà un certo numero di atomi di carbonio … Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. 1 g di carbonio conterrà un certo numero di atomi di carbonio … … e 1,33 g di ossigeno lo stesso numero di atomi di ossigeno. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. Questi atomi si legheranno in coppie C-O formando 2,33 g di monossido di carbonio. Gli atomi iniziali restano inalterati e ancora tutti presenti con la loro massa, che dunque si conserva. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Per ottenere una quantità doppia di monossido di carbonio … Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. Per ottenere una quantità doppia di monossido di carbonio … LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Il rapporto 2:2,66 è ancora uguale a 1:1,33 ( legge di Proust). Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. … mi servono 2 g di carbonio perché conterranno il doppio degli atomi di rispetto a 1 g … … e 2,66 g di ossigeno perché conterranno il doppio degli atomi di rispetto a 1,33 g. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Il rapporto 2:2,66 è ancora uguale a 1:1,33 ( legge di Proust).

Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. Poiché secondo la teoria il carbonio si combina solo con un numero intero di altri atomi (per esempio il carbonio con un atomo di ossigeno a dare il monossido di carbonio e con due a dare il diossido di carbonio) …. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron C O

…. si spiega come mai per 1 g di carbonio … Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. …. si spiega come mai per 1 g di carbonio … … ho bisogno di 2,66 g di ossigeno, cioè di un numero doppio di atomi rispetto a quelli contenuti in 1,33 g …. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Teoria atomica di Dalton come spiegazione delle leggi di conservazione della massa, di Proust e delle proporzioni multiple. … per ottenere 3,66 g di diossido di carbonio (la massa è ancora conservata). Il rapporto tra le masse ( pesi) di ossigeno che reagiscono con la stessa massa di carbonio nel monossido di carbonio (1,33 g) e nel diossido di carbonio (2,66 g) è 1,33:2,66 = 1:2 ( legge delle proporzioni multiple). LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron

Poiché 1 g di carbonio conterrà un certo numero di atomi di carbonio … Teoria atomica di Dalton come mezzo per calcolare la massa relativa dagli atomi Poiché 1 g di carbonio conterrà un certo numero di atomi di carbonio … … e 1,33 g di ossigeno lo stesso numero di atomi di ossigeno … LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron … posso dedurre che un atomo di ossigeno abbia una massa 1,33 maggiore di un atomo di carbonio. La complessiva teoria atomica di Dalton ( che oltre ai cinque postulati visti prima comprendeva anche altre ipotesi) aveva molti pregi, ma anche dei difetti. Su questo argomento, però, non ci soffermeremo.

Nel 1738 Daniel Bernoulli congetturò che i gas fossero formati da corpuscoli elastici dotati di massa che interagiscono fra loro mediante urti. Sviluppando questa idea interpretò la pressione di un gas contro le pareti di un recipiente come dovuta agli urti dei corpuscoli contro le pareti stesse e ricavò la già nota legge di Boyle-Mariotte: alla stessa temperatura il prodotto fra la pressione p di un gas e il suo volume V è costante. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Applet sulla teoria cinetica dei gas

Nella seconda metà dell’800 diverse leggi fisiche riguardanti il comportamento e le proprietà macroscopiche dei gas (temperatura, pressione, volume, energia ecc.) furono derivate, spiegate e collegate ad altre leggi da Boltzmann ed altri ipotizzando (come aveva fatto Bernoulli) che i gas stessi fossero composti da un numero elevato di particelle sferiche dotate di massa, in movimento casuale e costante e interagenti tra loro e con le pareti di un contenitore solo attraverso urti elastici (queste ipotesi non valgono sempre). Nel 1905 Einstein suppose che anche il moto browniano fosse dovuto a urti di atomi o molecole contro particelle più grandi e, sulla base di questa ipotesi, fece una serie di predizioni su tale moto poi confermate sperimentalmente; anche questo fu un importante contributo a favore dell’esistenza degli atomi sui cui ormai, all’inizio del ‘900, pochi avevano dubbi. LHC: un progetto didattico - I.C. “Garibaldi” – Chiavenna - Scuola secondaria di primo grado “G. B. Mazzina” – Gordona - Classe 3A - A.s. 2012/2013 - Prof. Enrico Cameron Moto browniano Applet sulla teoria cinetica dei gas Molecola: insieme di due o più atomi legati da un particolare tipo di legame chimico (detto legame covalente).