Istituto Professionale di Stato per l ’ Industria e l ’ Artigianato “ CAVOUR-MARCONI ”

1. Istituto Professionale di Stato per l’Industria e l’Artigianato “CAVOUR-MARCONI” Loc. Piscille–Via Assisana, 40/d-06154 PERUGIA– Tel. 075/5838322 Fax 075/32371 e-mail: ipsiapg@tin.it - sito internet: www.ipsiapg.it Dirigente scolastico prof. Elio Boriosi LA CLASSE I C CORSO CHIMICO BIOLOGICO A.S.2009/10 Referente Prof.ssa Roberta Balducci PRESENTA

2. LA CHIMICA RACCONTATA DA SPONGEBOB

3. Cari amici di Bickini Botton oggi vi voglio parlare di CHIMICA questa scienza meravigliosa e come illustri scienziati sono riusciti a scoprire la natura dell’atomo. Dai coraggio tutti con me!!!!! Si, si che bello vengo io. Mi piacciono le CIMICE questi animali puzzolenti I soliti due svitati ???

4. Bene Patrik visto che gli altri non capiscono queste belle cose ci aventuriamo noi due in questo viaggio meraviglioso della chimica seguimi e capirai tutto Si, si che bello facciamo questo viaggio avventuroso con la cimicia

5. PIATTO DEL GIORNO: ATOMI RIPIENI OGGI TUTTO CHIMICA PRIMA LEZIONE “CHE COSA STUDIA LA CHIMICA” MATERIA

6. CHE COSA STUDIA LA CHIMICA? “Caro Patrick, cominciamo a dire cosa studia la chimica. La chimica studia: le proprietà, la composizione e la trasformazione della materia. La materia è tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio (ha un volume) La materia è fatta di atomi, per studiare la chimica bisogna studiare gli atomi. La chimica fra tutte le scienze: matematica, fisica, biologia, anatomia, botanica è la più giovane. Prima della chimica c’era l’alchimia e la magia.

7. COSA SONO GLI ATOMI? Caro Patrick sicuramente tu non hai mai visto un atomo, ma sappi che sono le cose più importanti della tua vita. Tutto quello che esiste è fatto di atomi: tu, la terra, l’acqua, l’aria che respiri. Gli atomi sono come minuscoli mattoncini del LEGO (sferici però) che hanno la facoltà di essere uniti fra loro in tanti modi diversi e possono comporre qualsiasi cosa

8. “Con questi atomi si possono formare milioni di composti, naturali e sintetici come con i mattoncini del lego posso inventare infiniti giochi: montando e smontando mattoncini …….” ATOMI Che bello giocare con il lego MATERIA Anche io voglio giocare!

9. Sono migliaia di anni che gli uomini se lo chiedono... La prima volta dobbiamo tornare indietro di circa 2000 anni, fino ad un certo Democrito……. Ma se gli atomi sono microscopici, come facciamo a saper che esistono? Credo che la materie sia discontinua, formata da particelle molto piccole”finite” indivisibili. Le chiamerò ATHOMOS Democrito 400 a.C.

10. “Per studiare la chimica, ho inventato una mini tavola periodica portatile fatta con il lego caro Patrick. In questa cassetta della frutta ho messo nove barattoli di nutella, dopo averla naturalmente mangiata, in ogni barattolo ho messo dei mattoncini di lego di 9 colori differenti” E la nutella per me? Mini-tavola, portatile Che male di pancia!

11. Ecco questa è la mia mini-tavola periodica con questi nove atomi posso spiegare tante cose a partire da:

12. Ecco questa è la mia mini-tavola periodica con questi nove atomi posso spiegare tante cose a partire da:

13. LE TRE LEGGI FONDAMENTALI DELLA CHIMICA Comincerò ora a spiegarti le tre leggi fondamentali della chimica, formulate da illustri scienziati: Lavoisier, Proust e Dalton. Ascolta con attenzione Patrick perché è una bella storia che inizia alla metà del 700 e questi signori gettarono le basi della chimica moderna. Gli uomini che cambiarono il mondo A.Lavoisier 1789 J. Proust 1799 J.Dalton 1808

14. LA PRIMA LEGGE: CONSERVAZIONE DELLA MATERIA DI LAVOISIER Caro Patrick questo è AntonineLavoisier, nato a Parigi nel1743 è universalmente riconosciuto come il padre della chimica moderna. Lavoisier- spirito pratico, profondamente analitico e logico amava dire: “ 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” La bilancia fu lo strumento di misura che lo accompagnò nelle sue ricerche La sua legge è la seguente e afferma: LEGGE DI CONSERVAZIONE DELLE MASSE 1789 afferma: “in una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotto”

15. Ora ascolta con attenzione : ai quei tempi, si osservava che se mettevo alla fiamma un metallo si formava una polvere bianca che pesava più del metallo. Gli antichi pensavano che il metallo aveva inglobato una sostanza che conteneva il fuoco e chiamavano FLOGISCO. Invece Lavoisier capì, con i suoi esperimenti meticolosi, che l’aumento del peso non era dovuto al FLOGISCO, ma era dovuto al fatto che il metallo aveva inglobato dentro di se l’aria che in seguito chiamò ossigeno. Guarda questo esempio e capirai:

16. A LAVOISER piaceva osservare tutto e fu il primo a capire che anche l’aria aveva un peso e reagiva con i composti,facendoli aumentare o diminuire La calcinazione: un metallo (Me) all'aria e in presenza di fuoco si trasforma in calce e la somma dei reagenti era uguale alla somma dei prodotti. QUANTITA’ DEI REAGENTI = QUANTITA’ DEI PRODOTTI

17. E nello stesso modo capì che quando metto a reagire questa calce sul fuoco la sua diminuzione di peso, non era dovuto al fatto, come si credeva allora che la sostanza perdeva il FLOGISTO, ma che si formava dopo la reazione oltre ad un metallo anche dell’aria. Non ti pare una cosa meravigliosa tutto questo! Guarda questo esperimento e capiraaiiii la, la, la che musica! Booh!! Questo flogisto che roba è si mangia?

18. Si, si mangio un panino e faccio pupù il peso del panino e della pupù sono uguali! Tutto chiaro? La riduzione del peso: Una sostanza (la calce) messa a reagire con il carbone con l’aiuto del fuoco forma un metallo e un gas. La quantità dei reagenti è uguale alla quantità dei prodotti se peso anche l’aria. + sostanza gassosa QUANTITA’ DEI REAGENTI = QUANTITA’ DEI PRODOTTI

19. “Per farti capire meglio prendiamo il lego: Ho un composto formato da 3 mattoncini rossi, uno verde e uno nero, se scaldo il composto si romperà e si formeranno: un mattoncino verde, tre rossi e uno nero. Come vedi il numero dei mattoncini a sinistra e a destra della freccia è rimasto uguale. “Nulla si crea nulla si distrugge, ma tutto si trasforma” + FUOCO 1 nero 1 verde COMPOSTO FORMATO DA: 3 rossi 1 verde 1 nero 3 rossi

20. Dai Patrick prendiamo un po’ di aria e andiamo a pesarla come ha fatto Lavoisier! Si Spongebob tu pesa l’aria io do fuoco a qualcosa.

21. LA SECONDA LEGGE: LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE DI PROUST Ora Patrik parliamo di un altro chimico francese Joseph Louis Proust nato nel 1754. Grazie ai suoi studi scopriamo l’esistenza dei composti che Lui definì: “…… un composto è un prodotto privilegiato al quale la natura ha dato una composizione costante” LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE: “In un composto, gli elementi che lo costituiscono sono presenti secondo rapporti di peso costante” Se lo dice Lui!. Quindi Patrick se pensi a Proust associalo ad un composto. Chiaro?

22. Vedi, è semplice, questo è un composto, l’acqua è formata da due atomi di idrogeno i mattoncini bianchi e uno di ossigeno il mattoncino rosso il rapporto tra i due è sempre 2 a 1. Sono milioni di anni che la natura sintetizza l’acqua così e continuerà a farlo per altri milioni di anni Studio l’acqua con Piacere! IDROGENO OSSIGENO IDROGENO Osservazione di un bicchiere d’acqua con un microscopio ultra speciale Brevetto Spongebob

23. TERZA LEGGE LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE DI DALTON Questa è l’ultima legge. Nel 1808 John Dalton, inglese, osservo per primo che alcune coppie di elementi possono combinarsi in modi diversi originando più di un composto. Un esempio è il carbonio mattoncino nero che si combina con l’ossigeno mattoncino rosso può formare due diversi composti: 1 2 co co2 Monossido di carboni gas inodore incolore velenoso in piccole dosi Biossido di carbonio o anidride carbonica gas inodore incolore non velenoso

24. John Dalton è lo scienziato inglese che, agli inizi del XIX secolo, ha introdotto nel mondo scientifico la teoria atomica, rendendo così possibili gli straordinari passi avanti che la chimica ha compiuto dai suoi giorni ad oggi. Anche se la terminologia da lui usata era leggermente diversa da quella utilizzata oggi, Dalton enunciò con chiarezza il concetto di atomi, molecole, elementi e composti chimici Stabilì che, anche se il numero complessivo di atomi nel mondo è enorme, i diversi tipi di atomi non sono molti. (Nella sua opera elencò venti elementi, o specie di atomi; oggi se ne conoscono poco più di cento).Pur se il peso dei diversi atomi è diverso, Dalton ribadì che due atomi della stessa specie hanno proprietà identiche, massa inclusa. Ora ti elenco i punti fondamentali della teoria.

25. Anche Dalton,come me si costruì dei modelli di atomo, non con i lego, perché allora non esistevano, ma in legno, come puoi vedere qui a fianco Nel suo libro lo scienziato inglese incluse una tabella in cui elencava i pesi relativi delle diverse specie di atomi, la prima al mondo, e una tabella di composti tra cui c’era l’acqua che però aveva formula sbagliata HO.

26. TEORIA ATOMICA DI DALTON • Tutta la materia è composta da atomi indivisibili. Un atomo è • una particella estremamente piccola che mantiene la sua • identità durante le reazioni chimiche. • 2) Un elementoè un tipo di materia composto da un solo • tipo di atomo. Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno • la stessa massa e le stesse proprietà • 3) Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due • o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse. • Due tipi di atomi in un composto si legano in proporzioni • espresse da numeri semplici interi. • 4) Una reazione chimicaconsiste nella ricombinazione • degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo • da dare nuove combinazioni chimiche presenti nelle • sostanze formate dalla reazione

27. Dai Spongebob sono tutto Branchie! Ora ti faccio uno schema riassuntivo vediamo se hai capito! O.k. SECONDA LEZIONE CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA

28. : MATERIA MOLECOLE O COMPOSTI ATOMI O ELEMENTI

29. ATOMI E ELEMENTI “Ora ti spiegherò la differenza che c’è tra atomo e elemento. Una atomo è piccolissimo invisibile l’elemento lo vedo lo tocco. “ ELEMENTO ATOMO E’ la più piccola parte dell’elemento che conserva le proprietà chimiche microscopiche, ma non le fisiche, del elemento a cui appartiene Sono costituiti milioni di atomi che hanno identiche proprietà fisiche macroscopiche e chimiche. Atomo di Fe al Microscopio elettronico Ex proprietà macroscopiche: il ferro è grigio, conduce elettricità, duttile (fili), malleabile (lamine) Ex proprietà microscopiche: dipendono dalla natura degli atomi che formano la sostanza, sono numero atomico, massa atomica.

30. MOLECOLE E COMPOSTI “Vediamo ora la differenza tra molecola e composto, caro Patrick avrai già capito che la molecola è piccolissima e non la vedo non la tocco, il composto lo vedo lo tocco.” MOLECOLA COMPOSTI Una molecola è un raggruppamento di due o più atomi che posseggono proprietà chimiche microscopiche caratteristiche. Possono essere formati da: 1) DUE O PIU’ATOMI UGUALI: Sono costituiti dall’insieme di molecole hanno identiche proprietà fisiche macroscopiche e chimiche. Ex una molecola è microscopica non bolle a 100°C, il composto, formato da milioni di molecole di acqua bolle a 100°C H2 N2 O2 S8 2) DUE O PIU’ ATOMI DIVERSI: H2O CO CO2 H2O

31. Si, Spongebob, mangiamo che tutta questa cimicia mi ha messo fame. Grom glup Ora Patrick ci riposiamo, facciamo merenda con calma che devo parlarti della struttura dell’atomo. Gram gam

32. Dopo questo spuntino andiamo avanti STRUTTURA DELL’ATOMO Arrivati a questo punto, compreso che la materia era fatta da atomi bisognava capire l’esatta struttura dell’ atomo. Il cammino non è stato né facile né breve, ci sono voluti venti anni Ora, caro Patrick ti mostrerò brevemente l’evoluzione del pensiero di altri quattro grandi scienziati Thomson, Rutherford, Bohr, Schrodinger che dopo una serie di intuizioni più o meno esatte arrivaronoalla struttura dell’atomo che oggi conosciamo

33. Rutherford 1911 J. J. Thomson1904 Schrödinger 1925 N. H. D. Bohr 1913

34. MODELLO ATOMICO DI THOMSON O MODELO A PANETTONE 1904 Thomson comprese che nell’atomo ci fossero particelle più piccole, che non avevano più le proprietà dell’atomo, ma erano uguali per tutti gli atomi ed avevano carica negativa (elettroni) e particelle con carica positiva- Ipotizzo che la struttura fosse piena e continua e il numero di cariche positive fosse uguale al numero di cariche negative.

35. MODELLO ATOMICO RUTHERFORD O MODELLO PLANETARIO 1911 Il modello di Thomson,dopo l’esperimento Rutherford, qualche anno, dopo venne rivoluzionato: ora ti spiego ESPERIMENTO DI RUTHERFORD ESPERIMENTO: • Lamina d’oro sottile • Bombardata con particelle alfa cariche positive

36. SI OSSERVA: • La maggior parte delle particelle (raggi) non venivano deviate • Alcune particelle venivano deviate • Solo pochissime venivano respinte perché avevano colpito un corpo denso il nucleo RUTHERFORD CONCLUDE: • L’atomo è composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate le cariche positive • I leggerissimi elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo • Il diametro del nucleo deve essere centomila volte più piccolo del diametro dell’atomo • Gli elettroni carichi negativamente, ruotano intorno al nucleo e sono in un numero uguale ai protoni

37. Non ho capito niente, ma non lo dico, perché A Spongebob dispiace. Ora provo a prendere un po’ di sole così mi si illumino la mente. “Quindi chiaro? L’atomo non è pieno ma è vuoto al centro c’è il nucleo che ha carica positiva ed intorno ruotano i piccolissimi elettroni. Ma anche questo modello vedremo tra poco che è stato abbandonato, ma grazie al contributo di Rutherford si capì che il nucleo è la parte più significativa dell’atomo, perché atomi di elementi diversi hanno una diversa struttura del nucleo. Però, prima di parlare di un’altra teoria atomica ti spiego il significato di numero atomico, numero di massa e isotopo

38. NUMERO ATOMICO “Il numero di protoni presenti nel nucleo si chiama numero atomico (Z). Se l’atomo è neutro questo numero è uguale a quello degli elettroni.” 1H Scritto in basso a sinistra I numeri atomici furono accuratamente misurati dal giovane scienziato inglese Henry Moseley, poco prima dell’inizio del conflitto mondiale in cui trovò, giovanissimo la morte. Egli studio i raggi X e alla fine affermò: “Per l’atomo esiste una grandezza fondamentale che aumenta regolarmente nel passaggio da un elemento a quello vicino. Questa grandezza può essere solo la carica positiva del nucleo centrale”

39. NUMERO DI MASSA Se confrontiamo la massa atomica al relativo numero atomico, notiamo che il primo è quasi il doppio del secondo. Siccome il peso è data dal nucleo, nel nucleo, oltre le cariche positive, dovevano esistere particelle di dimensioni uguali alle particelle positive, ma con carica neutra. Queste, vennero chiamate neutroni scoperti solo nel 1932 da James Chadwick Poiché neutroni e protoni, cioè nucleoni determinano la massa, al numero di nucleoni di un atomo si dà il nome di numero di massa (A) “ Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e dei neutroni (n°) contenuti nel nucleo” 2H Scritto in alto a sinistra A = Z + n° n° = A - Z NUCLEONE

40. ISOTOPI • Un isotopo (lett. nello stesso luogo) è un atomo di uno stesso elemento chimico e quindi con lo stesso numero atomico Z, ma con differentenumero di massa A, e quindi differente massa atomica M. • La differenza dei numeri di massa è dovuta ad un diverso numero di neutroni presenti nel nucleo dell'atomo a parità di numero atomico. • Se due nuclei contengono lo stesso numero di protoni, ma un numero differente di neutroni, i due nuclei avranno lo stesso comportamento chimico, ma avranno comportamenti fisici differenti, essendo uno più pesante dell'altro. • Questi sono i tre isotopi dell’idrogeno: • 1 protone 0 neutroni 1 elettrone PROZIO • 1 protone 1 neutrone 1 elettrone DEUTERIO • 1 protone 2 neutroni 1 elettrone TRIZIO

41. Si Spongebob gli studenti hanno bisogno del nostro aiuto per capire la chimica andiamo in loro aiuto! Ci siamo riposati abbastanza Patrick ora ti devo parlare degli ultimi modelli atomici.

42. MODELLO ATOMICO DI BOHR 1913 • NielsBohr nacque a Copenaghen 1885. Collaborò con J. J. Thomson, e Rutherford a Manchester • Riprese il modello planetario di Rutherford e lo perfezionò su un punto fondamentale il ruolo dell’elettrone: • se fosse stato fermo il nucleo l’avrebbe • attirato a sé • se fosse stato in movimento avrebbe • perso energia per poi cadere sul nucleo • Bohr capì che il modello di Rutherford doveva essere modificato utilizzando il concetto di quanti di energia introdotti nel 1900 da Max Plank, una grandezza puó assumere soltanto determinati valori e non altri. E = h ѵ • “ Un raggio di luce è come un insieme di pacchetti di Energia, a questi pacchetti si dà il nome di FOTONI” PACCHETTI DI ENERGIA = FOTONI

43. L’ATOMO DI BOHR • Il modello proposto da Bohr, per l’atomo di idrogeno era in grado di superare le difficoltà del modello di Rutherford. Ecco i punti principali della sua teoria: • l’elettrone percorre soltanto determinate orbite circolari ORBITE STAZIONARIE dove non né emette né assorbe energia. • All’elettrone sono permesse solo certe orbite, a cui corrispondono determinati valori di energia ORBITE QUANTIZZATE • Per passare da un’orbita ad un’altra di livello energetico più elevato, l’elettrone assorbe energia • Per passare da un’orbita a un’altra di livello energetico più basso, l’elettrone emette un fotone di opportuna frequenza • L’energia del fotone emessa o assorbita corrisponde alla differenza di energia delle due orbite E = E2- E1

44. Radiazione emesse MODELLO DI BOHR Ancora un modello poi basta! n = numero di orbite stazionarie e quantizzato ΔE = En3- En2 differenza di energia tra le due orbite Avremo finito di studiare questi modelli atomici?

45. Il modello quanto-meccanico di atomo La teoria di Bohr lasciava insoluti numerosi problemi. Nel 1924, il fisico francese L. De Broglie ipotizzò che, analogamente a quanto si era postulato per i quanti di luce o fotoni, anche agli elettroni si può attribuire una duplice natura ondulatoria e corpuscolare. Questa ipotesi, confermata in seguito sperimentalmente, indica che a una particella di massa m (espressione della natura corpuscolare) è associabile una lunghezza d'onda λ (espressione della natura ondulatoria) secondo la relazione: dove v è la velocità della particella e h è la costante di Planck. Il fisico tedesco W.Heisenberg (1927) enunciò il principio di indeterminazione, secondo cui non è possibile conoscere contemporaneamente velocità e posizione dell'elettrone. Ciò escludeva la possibilità di attribuire all'elettrone orbite definite come quelle del modello di Bohr, ammettendo invece la possibilità di delimitare una regione di spazio intorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l'elettrone.

46. In quegli anni il fisico austriaco E. Schrödinger, approfondendo l'ipotesi di De Broglie, formulò un'espressione matematica, detta equazione d'onda di Schrödinger la cui soluzione permette di rappresentare l'elettrone come una nube di carica negativa la cui densità varia in funzione della distanza dal nucleo e della direzione presa in esame. Viene denominato orbitale atomico la regione di spazio intorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l'elettrone. Gli orbitali nella teoria quanto-meccanica sono descritti per mezzo di numeri quantici n, l, m, ms di significato analogo a quelli utilizzati nella teoria di Bohr Finito! Semplici che ne dici? Se lo dice Lui?

47. RICAPITOLIAMO TUTTO: • Per Thomson l’atomo era pieno cariche positive e negative dello stesso numero (modello a panettone) • Rutherford disse e dimostrò: “ no l’atomo non è pieno ci sono degli spazzi vuoti, l’elettrone piccolissimo con massa trascurabile ruota intorno al nucleo, carico positivo, che ha la massa più consistente dell’atomo (modello planetario) • Poi venne Bohr , dava in parte ragione a Rutherford, ma disse; gli elettroni ruotavano solo su alcune orbite permesse (orbite stazionarie) con un livello di energia definito (quantizzato) • A questo punto arrivarono gli scienziati della meccanica quantistica e qui le cose si complicano: • De Broglie: l’elettrone, come la luce ha una duplice natura è una particella che si comporta come un onda • Heisenberg: non possibile conoscere contemporaneamente velocità e posizione dell'elettrone • Schrödinger: mette insieme il tutto e ci rappresenta l'elettrone, come una nube di carica negativa, introducendo il concetto di orbitale.

48. Mamma mia quanto è complicato l’atomo!! Ma le cimici che fine hanno fatto? Ma! Forse ho esagerato chissà se Patrick ha capito Qualche cosa!

49. Cari ragazzi io per ora ho finito avrei tante alte belle cose da raccontare ma i miei amici mi aspettano. Ricordate però che la mente di chi sta imparando una nuova scienza deve passare per tutte quelle fasi che la scienza ha attraversato nel corso della sua evoluzione storica come abbiamo fatto ora noi. Ciao ciao ciaoooo Ciao ragazzi a presto mi raccomando studiate la cimicia.