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Chimica. Cheppalle.

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Chimica. Cheppalle.
Un manualetto dedicato ai ragazzi delle superiori che pensano che la chimica
sia una materia infinitamente pallosa.
Figura 1. Chimica. Cheppalle.
Una rappresentazione grafica.
Ci sono un mucchio di libri di chimica per i licei e le scuole superiori, ma questo
è diverso. Lo sappiamo che ve lo dicono tutti, ma questo spiega le leggi dei gas
con le scorregge nell'ascensore, il concetto di mole con un giretto alla Conad, i
passaggi di stato con la mappa del centro commerciale e le soluzioni sature col
pranzo di matrimonio della zia Cesira. Senza dimenticare che quasi tutti gli
esempi sono fatti con lo stronzio. Insomma: questo libro è parecchio diverso.
Consideratelo come un posticino sicuro dove rifugiarvi dopo avere litigato col
libro di testo 'serio' che vi hanno costretto a comprare i vostri prof. di chimica. Il
programma sarà più o meno lo stesso: dalla mole alla chimica organica. Le
cose da sapere ci saranno (quasi) tutte. Quello che cambierà sarà la maniera di
raccontarvele, con l'intenzione di rendere meno palloso lo studio della chimica a
scuola. O magari di farvela piacere proprio.
Eccovi il programma dei primi due anni: sette meravigliosi capitoli sulle reazioni
chimiche, gli stati della materia e le soluzioni. Atomi, isotopi, molecole, moli, gas,
liquidi, solidi, passaggi di stato, soluzioni sature e solubilità.
Buon divert...cioè...buona lettura!
Raffaella & Stefano –> [email protected]
Copyright © 2015 Raffaella e Stefano Crescenzi, Roma.
www.cheppalle.it
Chimica. Cheppalle. Capitolo 1. Cheppalle. O no ?
1.0 Premessa (e promessa). 1.1 Gli elementi naturali e artificiali 1.2 Gli atomi 1.3 Gli elementi 1.4 Gli isotopi 1.5 Gli ioni 1.5 Le dimensioni dell’atomo 1.6 La massa dell’atomo 1.7 Il peso atomico 1.8 Le molecole 1.9 Il peso molecolare Capitolo 2. Le reazioni chimiche 2.1 Reazioni ed equazioni chimiche 2.2 Bilanciamento delle equazioni 2.3 La mole 2.4 La costante di Avogadro 2.5 Le moli e i grammi Capitolo 3. Lo stato aeriforme 3.1 Il volume dei gas
3.2 La pressione dei gas
3.3 Gas reali e gas ideali
3.4 Pressione, volume e moli
3.5 Il principio di Avogadro
3.6 Il volume molare
3.7 Trasformazioni a temperatura costante. 3.8 Trasformazioni a pressione o volume costante.
3.9 Kelvin e la temperatura
3.10 L’equazione di stato dei gas perfetti
Capitolo 4. Lo stato liquido 4.1 Proprietà dei liquidi 4.2 L’evaporazione 4.3 L'equilibrio del vapore saturo 4.3 La tensione di vapore 4.4 L’ebollizione 4.5 La temperatura di ebollizione 4.6 Distillazione. Eventualmente frazionata 4.7 La pentola a pressione Capitolo 5. Lo stato solido 5.1 Stato solido e moti delle particelle 5.2 Proprietà dei solidi 5.3 I cristalli e i solidi amorfi Capitolo 6. I passaggi di stato 6.1 Fusione e solidificazione 6.2 Calore specifico 6.3 Il calore latente 6.4 La curva di riscaldamento 6.5 Sublimazione e brinamento Capitolo 7. Le soluzioni chimiche 7.1 I miscugli omogenei e eterogenei 7.2 Le soluzioni 7.3 Entropia e soluzioni 7.4 Solvente e soluto 7.5 La concentrazione 7.6 Soluzioni sature 7.7 La legge di Dalton 7.8 Solubilità dei gas Conclusione Capitolo 1. Cheppalle. O no?
1.0 Premessa (e promessa).
Benvenuti ragazzi,
Vi state chiedendo se avete appena buttato i vostri soldi con l’ennesimo ebook
fregatura ? Speriamo di no, ma sicuramente già in questo primo capitolo vi
renderete conto se è stata o no una grande idea scaricarvi questo libretto.
Vogliamo partire con la premessa ? Ogni libro scolastico di chimica che si
rispetti inizia con una frasetta tipo questa qui sotto:
La chimica è la scienza che studia la materia, le sue proprietà e le sue
trasformazioni.
E poi dedica almeno un paio di capitoli spaventosi a raccontare le avventure di
autorevoli scienziati che centinaia di anni fa si scervellavano per immaginare
teorie che spiegassero che succedeva quando uno si preparava una limonata,
si lavava le mani, sparava un fuoco d'artificio, dimenticava la bottiglia di vino
aperta, o gli si arrugginivano le chiavi di casa.
Armati di buona volontà, anche noi ci abbiamo provato a farvi per bene tutto
l’elenco di come, quando e da chi sono state elaborate tutte queste belle teorie
scientifiche. Le abbiamo girate da tutti i lati, osservate bene da dietro e da sotto,
ma non ce l’abbiamo fatta proprio, non dico ad eliminare - ma perlomeno a
ridurre - la strepitosa pallosità intrinseca dell’origine delle leggi di Lavoisier,
della legge di Proust delle proporzioni definite o di quella di Dalton delle
proporzioni multiple. Giusto per citare solo le teorie più famose…
Allora, in cerca di ispirazione, abbiamo pensato che
non fosse una idea troppo malvagia chiedere consiglio
proprio a voi che la chimica ve la dovete studiare. Visto
che la discoteca non sembrava il miglior posto per
discutere di chimica, abbiamo provato a stanarvi su
Twitter, dove la vostra opinione ci è saltata addosso in
maniera chiarissima e illuminante:
Se uno cerca 'chimica' su Twitter, trova essenzialmente tre tipi di messaggi:
a) Quelli dedicati alle scie chimiche, alla castrazione chimica, alla fame chimica
o alla ‘chimica’ fra due famosi (o no) che stanno un sacco bene insieme, tipo:
"Jamie e Dakota sono qualcosa di spettacolare, c'è così tanta chimica tra di
loro". Ecco, questi generi di chimica purtroppo qui non la troverete, o - come si
usa dire - "esulano dallo scopo di questo libro", con tante scuse a Jamie,
Dakota e a tutte le loro sfumature.
b) Quelli che contengono - a brevissima distanza dalla parola: 'chimica' - i
termini: 'odio', 'noiosissima', 'aiuto', ‘basta’, 'nausea', 'merda' e robe simili ma
parecchio meno ripetibili, e ovviamente: 'che palle' in tutte le loro variazioni di
numero, colore, forma e dimensioni. Sì, ammettiamo pubblicamente di aver
pescato su Twitter il titolo di questo libretto. E ancora ridiamo :o)
c) Quelli a cui invece si è aperto improvvisamente un mondo nuovo e twittano
orgogliosi cose tipo: "oddio forse sto capendo chimica, raga è incredibile, ora
piango", "8 in chimica, e ho detto tutto" oppure " chimica non ti temiamo!".
La percentuale dei tre tipi di tweet? Circa 60%, 38% e 2%.
Ecco, se la lettura di questo libro potesse rosicchiare un punticino al 38 % e
regalarlo a quel 2% noi saremmo gli autori più felici del mondo! No, anche
secondo noi i tweet 'fuori tema' su scie, fame, sfumature & Co resteranno
sicuramente per lo meno il 60%
E quindi, forti di questi univoche conferme sperimentali vi promettiamo
solennemente che NON troverete all'inizio di questo manualetto la solita
pappardella sulla storia della chimica. Fermo restando che bisogna sempre
portare un enorme rispetto per la genesi delle leggi chimiche, non c’era proprio
nulla da fare: pur essendo entrambi parecchio chimici (abbiamo pure
ricontrollato il diploma di laurea) anche noi finivamo sempre per abbioccarci
irrimediabilmente all'inizio di pagina quattro. E quindi abbiamo deciso che
questa parte ve la risparmieremo. Promesso!
La vostra professoressa vuole assolutamente sapere come hanno fatto gli
scienziati a trovare le leggi base della chimica? Ottima scelta. Allora vi toccherà
studiarvele per bene sul vostro libro ‘vero’. Questo libretto comincia solo dopo
che le leggi fondamentali erano già state trovate. Insomma, pensate a noi come
a un sequel, tipo Star Wars 7 o la Saga di Twilight.
Chiarito questo, cominciamo subito, anzi ‘comincio’ subito, in prima persona
singolare. Non s’è mai visto in un sequel che un narratore parli al plurale.
1.1 Gli elementi naturali e artificiali
Sì, ma come si incomincia un libro di chimica ? Da dove parto ?
Che cos’è che sapete già di chimica ? Sicuramente conoscerete ‘accadueò’,
l’acqua, che i chimici si ostinano a scrivere H2O. Mi sa che avete già sentito
pure cioddùe - CO2 - l’anidride carbonica, anzi il diossido di carbonio, come si
chiamerebbe veramente.
Poi sapete che c’è l’atomo, i protoni e gli elettroni. Forse qualcuno arriva ai
ricordarsi i neutroni da un Superquark di qualche anno fa. Gli ioni li conosce
qualcuno ? E gli ioni cobalto ?? Alzi la mano chi non l’ha capita. OK. Abbiate
pietà, mi sto riscaldando…
Partirei così: quanti sono gli elementi chimici conosciuti ? E mi rispondo pure
da solo: sono un centinaio. Anzi al momento sono 118. Di questi solo 92 sono
naturali, cioè sufficientemente stabili da poterli incontrare mentre fate una
passeggiata, i rimanenti 26 elementi chimici li abbiamo invece ottenuti noi
artificialmente, in laboratorio o nei reattori nucleari.
Gli elementi artificiali si riconoscono subito dai loro nomi folli, tipo seaborgio,
flerovio, darmstadtio e per sicurezza - visto che sono fra
l’altro anche tutti radioattivi - vi assicuro che questo
paragrafo sarà la prima e l’ultima volta che ne parleremo
in questo libro. Tranquilli che neanche la professoressa li
vuole sapere. Se però desideraste apprezzare per vostro
puro godimento personale quanto illimitata sia la fantasia
umana nel trovare nomi terrificanti alle cose, vi consiglio
caldamente di farvi un giretto su Wikipedia, che alla voce
‘elemento chimico’ potrà soddisfare la vostra curiosità. Mi
raccomando di non farvi spaventare dalla tabella che troverete: leggetevi solo i
nomi degli atomi della prima colonna, dal 93 in avanti. Caffè offerto se arrivate a
'ununtrio' senza scoppiare a ridere nemmeno una volta.
Noi invece da adesso in poi ce ne rimaniamo belli concentrati sugli elementi
naturalmente presenti sulla terra, che 92 già ci basta e avanza. Anche perché
l’ultimo è l’uranio, quindi noi ci teniamo bassi, vicino vicino ai numeri piccoli.
Anzi, restiamo proprio attaccati a quello più piccolino, l’idrogeno, H. Quello col
numero 1, come Gigibbuffon.
Un attimo che mi rileggo quello che ho scritto finora. Direi che non è venuto
esattamente il tipico inizio da libro di chimica. Ottimo, mi piace mantenere le
promesse: questo libro è diverso!
OK, ma che cavolo sono tutti questi numeri ? Che vuol dire che gli elementi
sono ordinati da 1 a 92 ? Da 1 a 92 che cosa ? Che poi 92 è anche il numero di
maglia di El Shaarawy. Lo saprà che ha lo stesso numero dell’uranio ? E
l’uranio in che squadra gioca ?
Un attimo che proviamo a rispondere (quasi) a tutto. Intanto però voi vi siete già
letti tutto il primo capitolo del libretto di chimica che avete appena comprato ;o)
1.2 Gli atomi
Dai che la professoressa ve l’ha già detto in classe che cosa sono questi
numeri! Stavate distratti? Niente paura. Non indicano altro che il numero di
protoni che costituiscono ogni atomo. E Gigi…cioè…l’idrogeno ne ha solo 1. In
altre parole, il nucleo (che sarebbe la parte interna) dell’atomo di idrogeno
contiene solamente un protone.
Vi ricordo però che gli atomi non possiedono nessuna carica elettrica. Altrimenti
tutto quello che ci circonda sarebbe carico e pensate quante scosse
prenderemmo ogni giorno. Quindi, dato che invece il protone è carico
+
positivamente (lo chiamano p ) ci vorrà qualcosa con una carica uguale e
contraria a quella del protone che gli gira continuamente attorno. E questo
qualcosa carico negativamente vogliamo chiamarlo elettrone ? Ma sì.
Chiamiamolo (e ). Un atomo di idrogeno è quindi fatto da un protone e da un
elettrone. E basta. Però adesso scriviamolo qua sotto bello caruccio come lo
vogliono sentire durante la verifica. La roba seria facciamo che ve la scrivo
sempre in corsivo, così la distinguete bene (ma non la saltate mi raccomando!).
Gli atomi sono elettricamente neutri perché il numero dei loro elettroni è uguale
a quello dei protoni.
Il numero dei protoni (e quindi anche il numero degli elettroni) di un atomo si
chiama numero atomico e si indica con la lettera Z.
Ogni elemento chimico si distingue da un altro proprio contando il numero dei
protoni nel suo nucleo. Esatto, questo vuol dire che ogni atomo di uranio ha 92
protoni. Con tanti saluti a El Shaarawy.
Forza ragazzi, facciamo ancora un passettino avanti.
Dato che l’idrogeno ha solo un protone nel nucleo,
se ci aggiungiamo accanto un altro protone allora
creiamo un nuovo elemento: l’elio. Yes, quello dei
palloncini. Solo che due protoni vicini non ci
possono proprio stare. Avete mai provato a tenere
accostati i poli di due calamite con la stessa carica ?
E’ come quando vi si avvicina uno sull’autobus con
l’ascella pezzata: si respingono. Capita così anche
ai protoni.
Figura 2. L'elio.
Senza storie tese
Un nucleo costituito solo di protoni si disgregherebbe poiché queste particelle
sono cariche elettricamente dello stesso segno. Per far stare in piedi il nostro
universo, Madre Natura ha dunque dovuto inventare i neutroni, particelle senza
nessuna carica (neutre, appunto) capaci di bilanciare le forze di repulsione tra i
protoni, permettendo così di tenere assieme il nucleo atomico.
Adesso questa cosa di come i neutroni riescano a tenere attaccato il nucleo
atomico lasciamola molto vaga, tanto non è nel programma di chimica delle
superiori. Vi basterà sapere che tra protoni e neutroni si instaurano delle forze
attrattive spaventose, attive solo a distanza ravvicinatissima, che permettono di
stabilizzare il nucleo atomico. Vi butto là giusto che questa interazione è la più
intensa tra tutte le forze fondamentali della natura ed è stata chiamata, con uno
sforzo di fantasia strepitoso: “forza nucleare forte”.
La somma del numero dei protoni e dei neutroni viene definita numero di
massa e si indica con la lettera A.
Conoscendo il numero atomico Z e il numero di massa A di un qualsiasi
elemento, possiamo sempre indovinare il numero di protoni, neutroni ed
elettroni che suoi atomi possiedono. L’elio ha appunto 2 protoni, 2 neutroni e 2
elettroni, quindi numero atomico Z = 2 e numero di massa A = 4. Oppure, se
troviamo un elemento che ha Z = 38 e A = 88, vuol dire che in ognuno dei suoi
atomi ci sono 38 protoni, 38 elettroni e 50 neutroni (50 + 38 = 88). Volete
sapere che elemento è ? Lo stronzio, signori miei: simbolo chimico Sr. E qua
prendo l’impegno solenne che quando possibile lo stronzio verrà sempre preso
come elemento di riferimento per gli esempi di questo capitolo. Finiamola con
gli esempi pallosi a base di litio e Duracell, sodio e acqua Lete, potassio e le
banane. Questo è l'unico libro di chimica con tutti gli esempi a stronzio.
Aspettando che abbiate smesso di ridacchiare, attiro la vostra attenzione sul
fatto che non bastano mica 38 neutroni per rendere stabile il nucleo di 38
protoni dello stronzio, ma ne servono 50. Infatti, anche usando la forza forte
forte forte come dalla Carrà, più protoni sono contenuti nel nucleo, tanti più
neutroni occorreranno per mantenerlo stabile.
E se aumenta ancora il numero atomico, il numero dei neutroni dovrà
aumentare ancora di più. Per esempio, El Shaar…cioè l’uranio ha Z = 92 e A =
238 !
1.3 Gli elementi
Questo mi sa che l'avevate capito da soli, ma per essere sicuri ve lo scrivo nero
su bianco:
Un elemento chimico è composto da atomi con lo stesso numero atomico, cioè
con lo stesso numero di protoni.
Se per assurdo avessimo acquistato un bel soprammobile fatto di stronzio (dico
per assurdo visto che lo stronzio metallico si infiamma da solo a contatto con
l'aria) sapremmo che è costituito da miliardi di miliardi di atomi uguali, tutti con
lo stesso numero atomico: 38. Quindi, se qualcuno vi portasse una sostanza
misteriosa di cui tutti gli atomi hanno Z = 38, voi senza bisogno di altre
informazioni potreste affermare che si tratta certamente dell'elemento stronzio.
Fantastico, vero ? Chissà quante volte vi sarà già successo...
Sapete anche che il simbolo chimico dello stronzio è Sr (che si pronuncia come
all'asilo: "esse erre"). Se poi vogliamo proprio essere pignolissimi e ci teniamo a
specificare pure quanti protoni e neutroni ha, allora dovremo scrivere:
in modo che A sia in alto e Z in basso prima del simbolo chimico. Oppure
88
basterà solo Sr senza stare a specificare il numero atomico, tanto tutti gli
atomi di stronzio avranno per forza Z=38. O ve l’eravate già scordato ?
Se invece due atomi hanno un numero atomico diverso allora saranno atomi di
elementi diversi, con proprietà chimiche e fisiche completamente diverse. Per
esempio, se il venditore di palloncini al parco un giorno decidesse di riempirli di
idrogeno invece che di elio (che sono elementi con rispettivamente Z = 1 e 2,
ma voi ve ne ricordavate…) non avrebbe avuto per niente una buona idea:
infatti salterebbe immediatamente per aria con tutti i suoi palloncini nel preciso
istante in cui si accendesse una sigaretta. Mentre l'elio è completamente inerte,
l'idrogeno è altamente infiammabile ed esplosivo. Ci fanno il carburante dei
razzi, non so se mi spiego...
E adesso io ve lo farei anche un esempio con lo stronzio ma, a parte che lo
stronzio non è proprio usatissimissimo, (Wikipedia assicura che ci si fanno
alcuni vetri, alcuni dentifrici, e i fuochi d'artificio rossi), gli elementi con un
protone in più o in meno dello stronzio sono rispettivamente l'ittrio e il rubidio,
ancora di più emeriti sconosciuti. Direi di sorvolare questa volta, però fidatevi:
il cambiamento del valore del numero atomico causa delle enormi variazioni
nelle proprietà degli atomi.
1.4 Gli isotopi
Gli atomi con lo stesso numero di protoni sono tutti uguali e hanno uguali
proprietà. Che angoscia, l'avevamo capito questo !...Un attimo... gli atomi di uno
stesso elemento possono però avere un numero diverso di neutroni.
Gli atomi che hanno lo stesso numero di protoni ma un differente numero di
neutroni, si chiamano isotopi (con l'accento sulla prima o, e non avventuratevi
a fare battutelle sulle isotrappole che tanto le conosciamo tutte). Tutti gli isotopi
di uno stesso elemento hanno le stesse proprietà chimiche e lo stesso numero
atomico, ma hanno un diverso numero di massa.
Tipo quando uno gioca a Clash of Clans. I giganti
sono tutti uguali (hanno lo stesso Z) e anche se
possono avere vari livelli di potenziamento (diverso
A) - tutti i giganti passano comunque il tempo a
cercare di schiantare le difese del nemico (hanno
le stesse proprietà chimiche). Anche per le altre
truppe (gli altri elementi) vale lo stesso: i goblin si
distinguono dagli spaccamuro perché hanno un
loro specifico Z e capacità caratteristiche di attacco
e difesa, che rimangono le stesse durante il gioco:
un goblin innescherà sempre trappole e uno spaccamuro si continuerà a far
esplodere sulle mura, indipendentemente dal livello (con più o meno neutroni) a
cui li avete migliorati.
Tornando alla chimica dopo avervi fornito gratis questa meravigliosa scusa per
quando vi beccano a giocare a Clash of Clans, l'esistenza degli isotopi è la
88
ragione per cui quelli pignolissimi scrivono Sr quando vogliono intendere
precisamente lo stronzio con 38 protoni e 50 neutroni. Infatti, anche se tutti gli
atomi di stronzio hanno 38 protoni, se ne trovano in giro alcuni con 46, 48, 49,
50 o anche 52 neutroni. Facendo quindi le addizioni, scopriamo che esiste lo
84
86
87
88
90
Sr, Sr, Sr, Sr e pure lo Sr, quest'ultimo (che si pronuncia 'stronzio 90')
anche simpaticamente radioattivo. Fortunatamente, lo stronzio naturale si trova
86
87
88
essenzialmente sotto forma di una miscela di Sr, Sr e Sr, nessuno dei quali
è particolarmente pericoloso.
Per esempio, abbiamo visto sopra che l’idrogeno è costituito da atomi nel cui
nucleo c'è solo un protone e nessun neutrone. Però esistono in natura - anche
se sono meno dello 0,02% - anche atomi di idrogeno il cui nucleo contiene, oltre
2
al protone, anche un neutrone. Questi atomi di idrogeno vanno dunque scritti H,
e hanno uno di tutto: un protone, un neutrone e un elettrone. Sono anche gli
unici isotopi con un nome creato apposta per loro: il deuterio.
Beh, quasi gli unici, infatti è possibile preparare in laboratorio degli atomi di
idrogeno artificiali, il cui nucleo contiene un protone e due neutroni. E anche
3
questi hanno un nome tutto loro: il trizio, H.
Figura 3. Di Craio e Sempronio non si hanno notizie
Quello che mi piacerebbe che teneste a mente è semplicemente il fatto che
gran parte degli elementi presenti in natura sono in realtà composti da una
miscela di isotopi, anche di solito se uno (o massimo due) degli isotopi è di gran
lunga più abbondante degli altri. E su questo ci ritorniamo sopra tra un po',
quando studieremo il peso atomico.
1.5 Gli ioni
Abbiamo visto che cosa succede quanto togliamo o aggiungiamo protoni e
neutroni a un atomo, adesso diamo uno sguardo pure agli elettroni, che sono
piccoli ma incazzosi, vi assicuro.
Quando un atomo cede o acquista un elettrone diventa carico elettricamente e
viene definito ione.
Partiamo subito col nostro fidatissimo stronzio che tende a cedere due elettroni,
2+
formando uno ione Sr (e dato che ha perso roba negativa, i due elettroni,
diventa uno ione carico positivamente, o meglio un catione). Invece il fluoro (F ),
che ho scelto perché lo troviamo nei dentifrici come lo stronzio, tende ad
acquistare un elettrone, e diventerà quindi carico negativamente: un anione.
La finisco qui per il momento con tutti questi nomi, altrimenti vi rintrono
completamente. Ma state tranquilli che ci torneremo cento volte su questa cosa
degli elettroni persi e ritrovati e vedremo bene perché mai lo stronzio preferisce
lasciare due elettroni, mentre il fluoro se li prende - però al massimo uno - e che
significa tutto questo in pratica. Abbiate pazienza che ci arriveremo. Magari in
Chimica Cheppalle 2, la vendetta.
1.5 Le dimensioni dell’atomo
Facciamoci un paio di capitoletti per mettere bene in chiaro di che cosa stiamo
parlando. Vorrei far passare il messaggio che gli atomi sono straordinariamente
piccoli. Ma non minuscoli, e nemmeno microscopici, qua stiamo parlando di
cose proprio – e chiedo scusa per il termine tecnico – piiiiiiiiiiiccoliiiiiiiiissime!
Come cavolo posso fare a darvi un’idea di quanto piccole siano le cose delle
quali stiamo amabilmente discutendo ? Lo vedete per esempio il puntino sotto
al punto interrogativo ? Ecco, dentro a quel punto c’entra un numero di protoni
sterminato. Ma sterminato quanto ? Mmm...Proviamo
a visualizzarlo così: se potessimo ingrandire ciascun
protone fino a farlo diventare grosso circa come il
vostro telefonino, allora il puntino sotto al punto
interrogativo - per contenere sempre quello stesso
numero sterminato di protoni - dovrebbe diventare
grande come il sole (!). Proprio quella palla gialla
lassù. Portate rispetto ai puntini quando li vedete la
prossima volta.
Ragazzi, capirete bene che per poter affrontare queste grandezze minimissime
c’è da trafficare un po’ con le potenze di dieci. Infatti il metro appare subito poco
adatto per misurare gli atomi, a meno che non vi diverta impazzire con gli zeri.
Un protone ha un raggio di quasi 0,000000000000001 metri, oppure (andatevi a
-15
ripescare il libro di matematica) 1 · 10 m. Dunque i pazz…cioè…gli scienziati
che lavorano con queste particelle hanno dovuto inventarsi sottomultipli nuovi
del metro per chiamare in qualche modo queste lunghezze. Ve le ricordate le
equivalenze ? C’erano i dm, cm, mm…magari certi si ricordano pure i
-6
micrometri: μm, ma anche così arriviamo solo a 10 m, un'unità di misura
ancora totalmente inutile: sarebbe come cercare di misurare lo spessore di un
capello dall’alto della Torre Eiffel. Gli scienziati sono stati costretti a scegliere il
-12
-15
picometro (pm), che è uguale a 10 m e il femtometro (fm, uguale a 10 m).
Un protone (o un neutrone, che è grande circa quanto un protone) misura
dunque circa 0,001 pm, o ancora meglio: 1 fm. Un atomo è invece in media
bello grosso (a modo suo). Considerando tutta la nuvola di elettroni che gli gira
attorno va da circa 50 pm (per l’elio) a 350 pm (per gli atomi grossi, tipo il cesio).
Volete sapere il raggio atomico dello stronzio ? Circa 200 pm. Happy now ?
1.6 La massa dell’atomo
Beh? Adesso che sapete quanto è grande non vorrete mica chiudere il libro
senza sapere quanto pesa un atomo ? Un attimo solo che ve lo dico.
Innanzitutto vi informo che gli elettroni sono enormemente più leggeri dei
protoni e neutroni, ma tipo quasi 2000 volte più leggeri, quindi in pratica la
massa di un atomo coincide con la massa del suo nucleo. E allora addio
elettroni, non li consideriamo neanche.
-24
Ci rimangono solo il protone e il neutrone, che pesano …ehm… 1,67 · 10
grammi ciascuno. E qua stiamo messi parecchio peggio di prima. Se infatti
-12
avevamo avuto grossi problemi a farci un’ idea di 10 m, una massa di
dieciallamenoventiquattrogrammi è una cosa proprio scandalosamente leggera!
Vuol dire che in un chilo di protoni ci sono circa 600 milioni di miliardi di miliardi
di protoni ! Da oggi in poi quando pesate la frutta al supermercato pensate a
tutti quei fantastiliardi di protoni e neutroni che vi guardano dalla bilancia. Senza
scordarsi degli elettroni, che pure se pesano parecchio di meno, sono tanti
quanto i protoni.
Ovviamente anche qua gli scienziati hanno dovuto inventarsi
un’unità di misura apposta per misurare la massa degli atomi.
Solo che ancora non esistevano sottomultipli ‘ufficiali’ del
grammo da utilizzare per robette così leggere. Qua a noi ci
-24
serve 10 grammi ! Alcuni hanno proposto di usare lo
yoctogrammo (giuro che esiste!) che sarebbe in effetti uguale
-24
a 10 g, ma non hanno avuto ancora molti seguaci.
La maggioranza ha preferito invece accordarsi su un'unità di misura tutta nuova
per misurare la massa degli atomi e hanno scelto l'unità di massa atomica
(sempre nomi fantasiosissimi) che ha come simbolo simbolo u ed è uguale a
-24
1,66 · 10 g (e quindi 1 u è 1,66 yoctogrammi, ma non ditelo troppo in giro). La
cosa simpatica di questa nuova unità - abbreviata u.m.a, come Uma Thurman è che il valore della massa di un protone e di un neutrone corrisponde a poco
più di 1 u, circa 1,007 e 1,008 u e quindi:
la massa di un atomo equivale approssimativamente al numero di massa A
espresso in u.m.a.
…infatti voi ve lo ricordavate ancora che il numero di massa A non è altro la
somma della massa di neutroni + protoni, vero ?!
Sento le rotelline che girano nella vostra testa: ma, visto che dovevano
inventarsela di sana pianta, perché mai gli scienziati non hanno scelto un'unità
di misura meno imbecille, dove la massa di protone e neutrone fosse
esattamente 1, invece che 1,00qualcosa ?
Ottima domanda! In effetti c'erano quelli che volevano usare la massa
dell'idrogeno come unità di misura, ma purtroppo l'idrogeno non andava bene
perché, come se non fosse complicato abbastanza, protoni e neutroni hanno
una massa maggiore quando sono da soli rispetto a quando stanno in
compagnia di altri protoni e neutroni. Lo chiamano difetto di massa. Cosa non
del tutto incomprensibile: scommetto che anche voi quando cenate da soli vi
svaccate sul divano ricoperti da Nachos e Nutella ma quando uscite con la
vostra metà fate i salutisti e ingurgitate sorridendo gambi di sedano e carote
lesse...
Andava quindi scelto come riferimento per la massa atomica un elemento che
avesse sia protoni che neutroni, quindi tutti tranne l'idrogeno, che di neutroni
non ne ha nessuno. E vi lascio immaginare con 91 atomi a disposizione quante
litigate si scatenarono tra gli scienziati: ce n'erano alcuni che volevano utilizzare
l'ossigeno, altri il carbonio. No, che io sappia lo stronzio non lo aveva proposto
nessuno.
Alla fine, gli scienziati scelsero di comune accordo come atomo di riferimento
12
l’isotopo 12 del carbonio (quindi C) a cui assegnarono una massa 12 u.
Dividendo per 12 la massa di un atomo di questo isotopo si trova la massa che
ha un protone o un neutrone quando è legato ad altri protoni e neutroni.
12
Riassumendo: un atomo di carbonio C pesa esattamente 12 u, mentre per
88
esempio un atomo di Sr pesa circa 88 u, cioè circa 88/12 della massa di un
12
atomo di C. Riscriviamo tutto per bene ?
-24
L’unità di massa atomica, pari a 1,66 · 10 g, è l’unità di misura delle masse
12
atomiche ed è la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio C.
1.7 Il peso atomico
Coraggio che questa è l'ultima definizione che ci serve per poterci calcolare le
masse degli atomi.
Dobbiamo parlarne per forza perché l’unita di massa atomica è una cosa tanto
88
caruccia però in pratica non serve praticamente a niente: infatti sapere che Sr
pesa circa 88 u - anche se ci da grosse soddisfazioni interne - non ci è
purtroppo molto utile, semplicemente perché (come abbiamo visto qualche
paragrafo fa) lo stronzio in natura è in realtà una miscela di isotopi con massa
atomica diversa. Per sapere quindi quanto pesano gli atomi del vostro
soprammobile di stronzio bisogna fare una media ponderata (chiedete al prof di
matematica) dei pesi dei suoi isotopi tenendo conto della loro abbondanza
relativa sulla terra.
Si definisce peso atomico (P.A.) di un elemento la massa media di un atomo di
quell’elemento. Il P.A. dipende dalle percentuali con cui ognuno dei suoi isotopi
è presente in natura e dalla massa atomica A di ciascuno di questi isotopi.
Facendo questa media otterrete il peso atomico del vostro fedele amico
stronzio: 87,62 u, che non significa dunque che ogni atomo di stronzio pesa
84
86
87
87,62 u, ma solo che lo stronzio è una miscela di quattro isotopi Sr, Sr, Sr
88
90
e Sr ( Sr è un isotopo artificiale e non conta), mischiati tra loro in una
proporzione tale da dare 87,62.
Davvero volete farvi tutti i conti? Uffaaa: vi basterà sommare i prodotti delle
masse atomiche per le rispettive abbondanze isotopiche e dividere per 100
(sono percentuali):
P.A.(Sr) = (84 x 0,56% + 86 x 9,86% + 87 x 6,90% + 88 x 82,58%) / 100 = 87,62
2+
A proposito, anche lo ione stronzio Sr ha praticamente lo stesso peso atomico
dell’atomo di stronzio da cui deriva, tanto i due elettroni persi hanno una massa
trascurabile (quasi diecimila volte di meno) rispetto a quella del nucleo dello Sr.
Un altro esempio? Il fatto che il peso atomico dell’idrogeno sia 1,008 u indica
chiaramente che la stragrande maggioranza degli atomi di idrogeno presenti in
1
natura non ha neutroni ed è quindi rappresentata dall’isotopo H, con solo una
2
minima parte (lo 0,002%) di deuterio H.
Dato che quasi tutti gli elementi naturali si trovano sotto
forma di due o più di isotopi diversi, praticamente
nessuno di loro ha un peso atomico uguale a un numero
intero. A meno che non siate degli assi nelle
moltiplicazioni con le virgole, vi consiglio di portarvi
sempre dietro la calcolatrice.
1.8 Le molecole
Adesso che vi ho completamente rintontiti con definizioni e metodi per misurare
per benino quando sono grossi e quanto pesano gli atomi, vi posso rivelare che
in realtà le sostanze che contengono soltanto un tipo di atomo sono davvero
poche.
Infatti, tranne i metalli e alcuni gas che non vogliono interagire con nessuno (e
si chiamano infatti gas nobili, per mettere bene in chiaro quanto se la tirano)
praticamente tutti gli elementi chimici cercano di aggregarsi tra di loro per
formare strutture composte, in cui gli atomi sono uniti tra loro attraverso i
cosiddetti legami chimici.
Tanto per cominciare, gli atomi possono formare aggregati anche con se stessi,
tipo l’idrogeno (H2), l’ossigeno (O2), il fosforo (P4), dove il numeretto in basso
indica quanti sono gli atomi uguali che si legano per formare un’entità nuova,
che chiamiamo molecola. Yeah!
Più spesso i legami chimici vengono formati tra atomi diversi tra di loro, e quello
che si ottiene è comunque sempre una molecola, tipo l’acqua (H2O) o il cloruro
di stronzio (SrCl2), molecole che contengono rispettivamente due atomi di
idrogeno o di cloro e uno di ossigeno o di stronzio. Insomma, ai chimici non
importa un fico secco se una unione si forma tra atomi uguali o atomi diversi,
sempre ‘molecola’ si chiama. A buon intenditor…
Tutte le molecole di una sostanza pura hanno la stessa composizione e le
stesse proprietà.
Ovviamente le molecole hanno proprietà molto diverse da quelle degli atomi di
cui sono formate, perché la formazione dei legami chimici modifica
enormemente le caratteristiche degli atomi di cui sono composte, come una
qualsiasi coppia di innamorati potrà confermarvi…
La composizione di una molecola si esprime con una formula chimica.
Guardando una formula chimica si capiscono immediatamente quali sono gli
elementi che la costituiscono ed in quale quantità relativa sono combinati. Ad
esempio, P4, H2O e SrCl2 sono chiamate formule molecolari, o formule brute.
Per molecole più complicate fa comodo specificare anche il modo in cui gli
atomi sono legati tra di loro, utilizzando le cosiddette formule di struttura, dove
i trattini rappresentano i legami tra gli atomi.
,
e
Rilassatevi tranquillamente anche se al momento non è tutto chiarissimo: tanto
non vi libererete più da queste due tipi di formule per tutto il resto del tempo che
studierete la chimica.
1.9 Il peso molecolare
La buona notizia è che il peso di una molecola non è altro che la somma dei
pesi atomici degli elementi che la costituiscono. Dai che questa è facile!
Si chiama peso molecolare (P.M.) di una sostanza la somma dei pesi atomici
di tutti gli atomi di quella sostanza.
Ad esempio, una molecola d’acqua pesa in media 18,015 u. Infatti il peso
atomico dell’idrogeno è 1,008 u e quello dell’ossigeno è 15,999 u. Quindi il peso
molecolare dell’acqua è (2 x 1,008) + 15,999 = 18,015 u.
Facendoci gli stessi conti troviamo il P.M del cloruro di stronzio SrCl2: 87,62 +
(2 x 35,45) = 158.53 u.
A proposito, anche se vengono chiamati pesi atomici e molecolari, in realtà
questi sarebbero masse atomiche e molecolari. L’avete già fatto a fisica ? Il
peso di una sostanza dipende dalla gravità, la massa invece no. Purtroppo tutti
li chiamano ‘pesi’ da sempre e questo nome – sbagliato - è rimasto (e rimarrà
sempre ?) loro attaccato.
E lo sapete che vi dico? Io il primo capitolo lo finirei così, con questa bella
notizia. Nel prossimo capitolo cominciamo a mescolare le molecole tra di loro.
Eccoci arrivati in fondo al primo capitolo. Come vi sentite ?
Figura 4. Chimica. Cheppallette.
Ci siamo permessi di disegnarle (un po') più piccole che all’inizio.
Se a questo punto, contrariamente ad ogni previsione, aveste ancora voglia di
leggere anche gli altri sei capitoli del libro non dovete fare altro che tornare su
www.cheppalle.it
O se siete proprio pigrissimi cliccate semplicemente qua per andare
direttamente sul nostro spazietto su Amazon.it
In ogni caso vi ringraziamo tanto per essere arrivati a leggere fino a qua in
fondo. Chimica Cheppalle vi saluta e vi augura in bocca al lupo. Di cuore!
Raffaella e Stefano :o)
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