UN’AVVENTURA VIRTUALE ALLA SCOPERTA DEGLI ELEMENTI MANCANTI

1. UN’AVVENTURA VIRTUALE ALLA SCOPERTA DEGLI ELEMENTI MANCANTI Presentazione: Germano Bonomi Facoltà di Ingegneria - Università degli Studi di Brescia

2. QUESTA BREVE AVVENTURA VIRTUALE E’ SUDDIVISA IN QUATTRO TAPPE GLI ELEMENTI:introduzione al concetto di elemento chimico IL SISTEMA PERIODICO: storia e descrizione del sistema che classifica gli elementi I NUCLEI:una breve panoramica sul “cuore” degli elementi e sulla radioattività GLI ELEMENTI MANCANTI:i perché degli elementi mancanti e i “nuovi” elementi

3. GLI ELEMENTI Introduzione I Gli elementi sono i componenti fondamentali di cui la materia è composta (per esempio idrogeno, ossigeno, carbonio, oro, ferro, ecc. ecc.) DEFINIZIONE: Un elemento è una sostanza che non può essere scomposta in ulteriori sostanze per mezzo di processi chimici o fisici ordinari (caldo, luce, elettricità, attacco di altre sostanze) Ogni elementoè in genere indicato con un simbolo di una o due lettere; H per esempio indica l’idrogeno, C il carbonio, Au l’oro Alcuni elementi hanno anche un simbolo “grafico” che proviene dalla tradizione alchemica VISUAL ELEMENTS:http://www.chemsoc.org/viselements/pages/pertable_j.htm Combinazioni di diversi elementi generano sostanze più complesse chiamate composti; il numero di combinazioni è praticamente infinito. Un composto non riflette le proprietà e le caratteristiche dei suoi elementi componenti (l’acqua, che è un liquido, è composta da idrogeno e ossigeno che sono due gas)

4. GLI ELEMENTI Introduzione II “Ufficialmente” si conoscono 109 elementi Di questi circa il 25% non esiste in natura e li conosciamo perché sono stati prodotti in laboratorio. La canzone degli elementi di Tom Leher • ``There's antimony, arsenic, aluminum, selenium, And hydrogen and oxygen and nitrogen and rheniumAnd nickel, neodymium, neptunium, germanium, And iron, americium, ruthenium, uranium, Europium, zirconium, lutetium, vanadiumAnd lanthanum and osmium and astatine and radiumAnd gold, protactinium and indium and gallium (inhale) And iodine and thorium and thulium and thallium. • ``There's yttrium, ytterbium, actinium, rubidiumAnd boron, gadolinium, niobium, iridiumAnd strontium and silicon and silver and samarium, And bismuth, bromine, lithium, beryllium and barium. • ``Isn't that interesting? I knew you would. I hope you're all taking notes, because there's gonna • be a short quiz next period. • ``There's holmium and helium and hafnium and erbiumAnd phosphorous and francium and fluorine and terbiumAnd manganese and mercury, molybdinum, magnesium, Dysprosium and scandium and cerium and cesiumAnd lead, praseodymium, platinum, plutonium, Paladium, promethium, potassium, polonium, Tantalum, technetium, titanium, tellurium, (inhale) And cadmium and calcium and chromium and curium. • ``There's sulfur, californium and fermium, berkeliumAnd also mendelevium, einsteinium and nobeliumAnd argon, krypton, neon, radon, xenon, zinc and rhodiumAnd chlorine, cobalt, carbon, copper, Tungsten, tin and sodium. • ``These are the only ones of which the news has come to Harvard, And there may be many others but they haven't been discovered.'' http://chemlab.pc.maricopa.edu/periodic/lyrics.html

5. GLI ELEMENTI Introduzione III ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI DELLA CROSTA Ossigeno 45.6% Silicio 27.3% Alluminio 8.36% Ferro 6.22% Calcio 4.66% Magnesio 2.76% Sodio 2.27% Potassio 1.84% Titanio 0.63% Idrogeno 0.15% ------------------- Totale ~ 99.8% ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI DELLA TERRA Ferro 35% Ossigeno 30% Silicio 15% Magnesio 13% Nichel 2.4%

6. GLI ELEMENTI Storia I L’idea che la materia che ci circonda possa essere spiegata in termini di sostanze fondamentali è presente nell'umanità sin dalle origini. I filosofi greci dell'antichità credevano per esempio che la materia fosse composta da un principio, o elemento, fondamentale. Per Talete (VI sec. A.C.) questo elemento era l’acqua, per Anassimene l’aria, per Eraclitoil fuoco, mentre per Empedocle la materia era l’unione di 4 elementi fondamentali: l’aria, l’acqua, la terra e il fuoco. La materia era considerata in generale come un “continuo”, ovvero si credeva di poterla dividere all’infinito e che ogni sua parte avesse le stesse caratteristiche del tutto. Un altro filosofo greco, Democrito (V sec. A.C.), credeva invece che la materia fosse composta di particelle indivisibili chiamate atomi. Le teorie dei filosofi greci e specialmente quelle di Aristotele (IV sec. A.C.) resistettero quasi immutate per quasi 2000 anni. ARISTOTELE:http://www.geocities.com/diego_fusaro_2000/schema.htm DEMOCRITO:http://galileo.imss.firenze.it/vuoto/idemoc.html

7. GLI ELEMENTI Storia II Nel 16o secolo nuove qualità degli elementi furono introdotte per spiegare le nuove trasformazioni chimiche scoperte. Per esempio lo svizzero Paracelso, famoso alchimista, introdusse tre nuovi elementi: il mercurio, il sale e lo zolfo. Nel secolo successivo il chimico e fisico inglese Robert Boyle riconobbe la natura fondamentale di un elemento e capì la differenza tra una miscela e un composto. ALCHIMIA:http://www.cronologia.it/mondo42a.htm http://www.chemsoc.org/viselements/pages/alchemist/alchemy.html PARACELSO:http://www.esoteria.org/paracelso.htm Nella seconda parte del 18o secolo, seguendo le definizioni di date da Boyle e dopo accurati studi di laboratorio il chimico francese Lavoisier pubblicò la prima lista di sostanze elementari. Nel 19o secolo gli studi sulla natura e sulle proprietà degli elementi si intensificarono; tra gli altri ricordiamo il lavoro di Dalton, Gay-Lussac, Avogadro e Cannizzaro. Nel 20o secolo infine la chimica e la fisica si intrecciarono per certificare la natura atomica degli elementi.

8. GLI ELEMENTI La natura atomica Nel 16o secolo la teoria atomistica, proposta da Democrito ed in seguito anche da Epicuro, venne ripresa in forma moderna per spiegare le nuove scoperte. In particolare si dimostrò che in un composto, per esempio l'acqua, i pesi degli elementi componenti hanno sempre un ben definito rapporto (“legge delle proporzioni definite”). Inoltre si scoprì che le quantità in peso di un elemento che si combinano con la stessa quantità di un altro elemento per formare composti diversi, stanno fra loro in rapporti semplici, esprimibili con numeri interi piccoli (“legge delle proporzioni multiple”). TEORIA ATOMICA:http://helios.unive.it/~chem2000/capitoli/02.htm http://www.itcg.chiavari.ge.it/chimica/materiali/atomo.html Queste due leggi furono brillantemente descritte nel 18o secolo dalla teoria atomica dell'inglese John Dalton. Nei due secoli successivi i concetti di atomo e elemento si intrecciarono ulteriormente sino alla formulazione dei modelli atomici da noi oggi accettati. DEFINIZIONE:Possiamo oggi dire che l’atomo è la più piccola parte di un elemento che ne conservi le proprietà.

9. GLI ELEMENTI Gli atomi I Il modello atomico oggi accettato, deriva, tra gli altri, dagli studi di Thomson, Rutherford, Bohr e Schröedinger Il modello atomico oggi accettato, può essere riassunto semplicisticamente nel seguente modo: gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale, delle dimensioni di circa 10-15 m, circondato da una nuvola di elettroni, delle dimensioni di circa 10-10 m.

10. GLI ELEMENTI Gli atomi II L’ATOMO:http://utenti.tripod.it/omegagroup/atoming.htm NIELS BOHR:http://www.nobel.se/physics/laureates/1922/bohr-bio.html LA FISICA delle PARTICELLE: http://webscuola.it/risorse/quark/opera/fisica.htm Il nucleo è composto da due tipi di particelle: i protoni, con carica elettrica positiva; i neutroni, con carica elettrica nulla. Gli elettroni che ruotano attorno al nucleo, al contrario, hanno carica negativa. Questo significa che per essere elettricamente neutro un atomo deve avere un numero uguale di protoni e di elettroni. Il numero di protoni nel nucleo è detto "numero atomico" (Z), la somma del numero di protoni e di neutroni è chiamato "numero di massa" (A). Gli atomi di uno certo elemento hanno lo stesso numero di protoni, ma possono avere un numero diverso di neutroni; in questo caso vengono chiamati "isotopi". Con "peso atomico", oggi intendiamo il peso medio di un atomo di un elemento, considerando tutti gli isotopi e le relative percentuali di abbondanza in natura. Per quanto riguarda le proprietà chimiche di un elemento sono legate al numero e alla disposizione degli elettroni negli atomi.

11. IL SISTEMA PERIODICO Introduzione I Sin dai primi giorni della chimica si tentò di organizzare gli elementi conosciuti secondo uno schema che ne riflettesse gli andamenti regolari delle loro proprietà chimiche e fisiche. Nel 1789, per la prima volta, venne pubblicato da Antoine Lavoisier un elenco dei 33 elementi noti all'epoca. Il primo tentativo di organizzare gli elementi in maniera significativa fu però effettuato dal tedesco Johann Döbereinerche nel 1817 fece notare che gli elementi potevano essere disposti in gruppi di tre (“triadi”). Usando i nuovi pesi atomici da poco determinati, nel 1864 l'inglese John A.R. Newlands dispose gli elementi in ordine di peso atomico crescente e si accorse che alcune proprietà ricorrevano ogni otto posizioni (“ottave”)

12. IL SISTEMA PERIODICO Introduzione II Qualche anno dopo, il 17 febbraio 1869, il chimico russo Dimitrij Ivanovic Mendeleev completava la stesura della prima delle sue numerose tavole periodiche. In genere si fa coincidere con tale data la nascita del sistema periodico modernamente inteso. LE PRIME TAVOLE PERIODICHE:http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita/periodic/table_mende.html http://fidabs.ing.unibs.it/em/ita/periodic/table_meyer.html In realtà, l'anno precedente, anche un altro chimico tedesco, Julius Lothar Meyer, aveva realizzato indipendentemente una tavola periodica del tutto simile a quella di Mendeleev, ma la pubblicò, per un disguido dell’editore, solo nel 1870.

13. IL SISTEMA PERIODICO Mendeleev Dimitrij Ivanovic Mendeleev nacque l'8 febbraio 1834, 17o figlio di un direttore di ginnasio a Tobolsk, Siberia. Nel 1847 suo padre morì e la madre, per iscriverlo alla Università, trasferì la famiglia a Mosca. Però in quei tempi le Università non accettavano studenti nati in Siberia; dovette quindi ripiegare sull'Istituto Pedagogico di S. Pietroburgo. Nel 1855 divenne maestro e, su propria richiesta, fu spedito in Crimea dove continuò i suoi studi di chimica. Rientrò a S. Pietroburgo nel 1856 per ricevere la laurea in chimica. Nel 1859 fu spedito a Heidelberg dove prese contatto con gli studiosi europei dell'epoca. MENDELEEV: http://www.racine.ravenna.it/curba/rivoluzioni/Chimica/elementi/Biografie%20chimica.htm#Mendeleev http://campus.sede.enea.it/netpaper/Nebbia12.htm Nel 1861 fece ritorno a S. Pietroburgo, dove nel 1867 divenne professore di chimica generale all'Università. Non trovando un libro di testo adeguato lo scrisse lui: “I principi della Chimica” (1868-70). Ebbe spesso un rapporto di conflitto con il regime zarista che gli impedì di fare carriera accademica e che lo costrinse al ritiro nel 1891. Nel 1893 assunse la carica di direttore dell'Ufficio Pesi e Misure, carica che mantenne sino alla sua morte il 20 gennaio 1907.

14. IL SISTEMA PERIODICO La tavola periodica I La tavola periodica rappresenta uno schema di classificazione che ordina gli elementi chimici in funzione del loro numero atomico (Z) [e non rispetto al loro peso atomico come invece aveva fatto Mendeleev]. La tavola periodica è formata da caselle che individuano 7 linee orizzontali (periodi) e 18 righe verticali (gruppi) contenenti elementi con caratteristiche simili. I periodi sono di lunghezza variabile; il primo contiene 2 elementi (idrogeno Z=1 e elio 2) il secondo (dal litio 3 al neon 10) ed il terzo (dal sodio 11 all'argon 18) ne contengono 8, il quarto (dal potassio 19 al kripton 36) ed il quinto (dal rubidio 37 allo xenon 54) ne contengono 18. TAVOLE PERIODICHE INTERATTIVE: http://www.itcg.chiavari.ge.it/chimica/elementi/ http://ww2.unime.it/dipart/i_fismed/wbt/ita/pertab_ita.html, http://www.webelements.com/index.html Il sesto periodo contiene 32 elementi (dal cesio 55 al radon 86). Dal momento che la tabella periodica è strutturata in 18 colonne, 14 di questi 32 elementi vengono rappresentati in una riga isolata posta in basso.

15. IL SISTEMA PERIODICO La tavola periodica II SOFTWARE DIDATTICO PER LA CHIMICA: http://members.xoom.it/chimica/chimica/software/index.html Il settimo periodo, contenente idealmente 32 elementi, è incompleto. Contiene gli elementi dal francio 87 al meitnerio 109; come per il sesto periodo 14 elementi vengono raggruppati in una riga isolata in basso.

16. IL SISTEMA PERIODICO Le nuvole di elettroni I Il fattore maggiormente responsabile delle proprietà chimiche di un elemento è la nuvola elettronica che circonda il nucleo atomico. Il numero di elettroni di un atomo di un elemento è pari al numero atomico di tale atomo; ecco quindi spiegato perché nella tavola periodica gli elementi sono ordinati secondo il loro numero atomico. In base alla meccanica quantistica gli elettroni possono disporsi intorno al nucleo secondo criteri predeterminati andando ad occupare livelli di energia crescenti a distanze maggiori. GLI ORBITALI: http://helios.unive.it/~chem2000/lezioni/unit03.htm FISICA QUANTISTICA:http://www.geocities.com/capecanaveral/hangar/6929/ Tali livelli vengono chiamati orbitali atomici e sono caratterizzati da tre numeri, chiamati numeri quantici: principale (n=1,2,..), azimutale (l=0,1,..,n-1), magnetico (m=-l, ..,0., .., +l). In genere il livello l=0 viene indicato con la lettera s, quello l=1 con p ed i successivi con d e f. Per ogni combinazione nl ci sono 2l+1 orbitali possibili. Per il principio di esclusione di Pauli ogni orbitale può ospitare al massimo 2 elettroni.

17. IL SISTEMA PERIODICO Le nuvole di elettroni II Orbitale s (l=0) Orbitale p (l=1) Orbitale d (l=2) Orbitale f (l=3)

18. IL SISTEMA PERIODICO Le nuvole di elettroni III Riassumiamo (per ogni l,m=-l,…0,…l): l m Orbitali Elettroni 0 (s) (0) 1 2 1 (p) (-1,0,1) 3 6 2 (d) (-2,-1,0,1,2) 5 10 3 (f) (-3,-2,-1,0,1,2,3) 7 14 Riassumiamo (per ogni n, l=0,..,n-1): n l 1 (0) 2 (0,1) 3 (0,1,2) 4 (0,1,2,3) I vari sottolivelli (n,l) non sono caratterizzati da energie crescenti; può capitare infatti che l’energia di un sottolivello sia maggiore di quella del sottolivello successivo. Così il sottolivello 3d si riempie dopo quello 4s. LA STRUTTURA ELETTRONICA E LA TAVOLA PERIODICA: http://a.die.supsi.ch/c3/C3_00/Solinas_Vignati/tavola.html

19. 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 1 2 3 4 5 6 7Livello 2 8 8 18 18 32 32N. Elet. IL SISTEMA PERIODICO Le nuvole di elettroni IV Ecco l’ordine di “riempimento” dei vari sottolivelli: