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 puzzette 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. 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 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, insomma...buona lettura!
Raffaella & Stefano –> [email protected]
Chimica. Cheppalle
Seconda edizione. Dicembre 2015.
A grande richiesta, con una montagna di disegnetti colorati per diluire ancora le robe chimiche.
Tutti presi trovati su www.graphicstock.com. Un sito consigliatissimo.
Copyright © 2015 Raffaella Crescenzi e Stefano Cervigni, Roma.
www.cheppalle.it
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Chimica. Cheppalle
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
2.6 La composizione percentuale
2.7 Formula minima e formula molecolare
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
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Chimica. Cheppalle
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
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Chimica. Cheppalle
Capitolo 1. Cheppalle. O no?
1.0 Premessa (e promessa)
Benvenuti ragazzi,
State chiedendovi se avete appena buttato i vostri soldi con l’ennesimo libro
fregatura ? Speriamo di no, ma siamo pronti a scommettere che già
leggendo questo primo capitolo vi renderete conto se sia stata o no una
buona idea scaricarvi Chimica Cheppalle.
Vogliamo partire con una bella 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 due o tre capitoli terrificanti a raccontare le vicissitudini di
autorevoli scienziati che centinaia di anni fa si affannarono ad escogitare
leggi e teorie che spiegassero che cosa diavolo 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 siano state elaborate tutte queste
belle considerazioni 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 quelle 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
pizzeria 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:
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Chimica. Cheppalle
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 (ma anche 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', noia mortale, 'aiuto',
‘basta’, 'nausea', 'merdaaaa' e vocaboli simili ma
parecchio meno ripetibili, oltre che - of course - 'che
palle' in tutte le loro variazioni di numero, colore, forma
e dimensioni. Ebbene 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: "oddio forse sto
capendo chimica, raga è incredibile, ora piango", "8 in
chimica, e ho detto tutto", oppure "a noi due chimica,
non ti temo!".
La percentuale dei tre tipi di tweet? Diciamo
rispettivamente un 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 e
sfumature resteranno sicuramente per lo meno il 60%.
Ed è forse pure giusto che sia così.
Resta il fatto che voi la chimica ve la dovete imparare, altrimenti vi beccate
il debito. Però noi, 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 è sempre assolutamente necessario portare un grande rispetto per la
genesi delle leggi chimiche, non c’era proprio nulla da fare: pur essendo
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Chimica. Cheppalle
entrambi parecchio chimici (abbiamo perfino ricontrollato il diploma di
laurea) anche noi finivamo sempre per abbioccarci irrimediabilmente
all'inizio di pagina cinque. Questa parte quindi ve la risparmieremo.
Promesso!
La
vostra
professoressa
vuole
obbligatoriamente sapere come hanno fatto gli
scienziati a trovare le leggi base della chimica?
Ottima scelta. Saggia davvero. Allora vorrà
dire che vi toccherà studiarvele per bene sul
vostro libro ‘vero’ di chimica. Ma mi
raccomando tornate a trovarci non appena
avete finito con Lavoisier e gli amici suoi:
questo libretto comincia infatti proprio un
attimo dopo che furono trovate le leggi
fondamentali della chimica. Pensate a Chimica
Cheppalle come a un sequel, tipo Star Wars
VII o la Saga di Twilight.
Chiarito questo, cominciamo subito, anzi ‘comincio’ subito, in prima
persona singolare. Non s’è mai visto - neanche nei 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 a ricordarsi pure i neutroni
da un Superquark visto qualche anno fa. Gli ioni li
conosce qualcuno ? E gli ioni cobalto ?? Alzi la
mano chi non l’ha capita. Sorry, 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 li abbiamo invece ottenuti noi
artificialmente, in laboratorio o nei reattori nucleari.
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Chimica. Cheppalle
Gli elementi artificiali si riconoscono subito dai loro nomi folli, tipo
seaborgio, flerovio o 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 ammirare per vostro puro
godimento personale quanto illimitata sia la
fantasia umana nel trovare dei nomi
spaventosi, vi consiglio caldamente di farvi un
giretto su Wikipedia, che alla voce ‘elemento
chimico’ potrà soddisfare la vostra curiosità.
Mi raccomando di non farvi scoraggiare dalla
tabella che troverete: leggetevi solo i nomi
degli atomi della prima colonna, dal 93 in
avanti. Caffè offerto se arrivate a 'ununoctio'
senza scoppiare a ridere nemmeno una volta.
Noi invece da adesso in poi ce ne rimaniamo belli concentrati sugli
elementi naturalmente presenti sulla terra, ché 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: Chimica Cheppalle è un libro diverso!
Molto bene. 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 lui 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 vi
informo che 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 spiegato in classe che cosa sono questi
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Chimica. Cheppalle
numeri! Stavate distratti? Niente paura. Non indicano altro che il numero di
protoni che costituiscono ogni atomo. E Gigi…cioè…l’atomo di idrogeno
ne ha solo 1. In altre parole, il nucleo (che sarebbe la parte interna)
dell’atomo di idrogeno contiene solamente un protone. Tutto qua.
Vi ricordo però che gli atomi non possiedono nessuna carica elettrica.
Altrimenti tutto quello che ci circonda sarebbe carico e pensate quante
scosse elettriche ci 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 gironzola
continuamente attorno in modo da neutralizzarsi a vicenda. E questo
qualcosa carico negativamente vogliamo chiamarlo elettrone ? Ma sì.
Chiamiamolo (e-). Un atomo di idrogeno è quindi formato da un protone e
da un elettrone. E basta. Però adesso scriviamolo qua sotto bello caruccio
come lo vogliono sentire durante la verifica. Anzi facciamo che la roba
seria da adesso in poi 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.
Adesso cominciamoci a fare un po’ di conti:
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. Eccovela qua accanto, con una bella
margheritina decorativa, che sembra più un crisantemo.
Ogni elemento chimico si distingue dagli altri 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, al Milan, al Monaco o
dove diavolo se n’è andato a giocare a pallone.
Forza ragazzi che adesso facciamo ancora un
passettino avanti. Dato che l’idrogeno ha solo un
protone nel nucleo, se ci aggiungiamo accanto un
altro protone avremo creato un nuovo elemento,
completamente diverso: l’elio. Yes, quello dei
palloncini.
Figura 2. L'elio.
Senza storie tese.
Solo che due protoni vicini non ci possono proprio
stare. Avete mai provato a tenere accostati i poli di
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Chimica. Cheppalle
due calamite con la stessa carica ? O - più terra terra - avete presente
quando vi si avvicina uno sull’autobus con l’ascella pezzata? Giusto: si
respingono. Ecco, capita così anche ai protoni. Aspettate che ve lo scrivo
per bene:
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 per il momento che tra protoni e neutroni si
instaurano delle forze attrattive potentissime, 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 e che è stata chiamata, con uno sforzo di fantasia
strepitoso: “forza nucleare forte”.
Se poi un giorno ci divertissimo a contare tutti i protoni e tutti i neutroni di
un elemento chimico scopriremmo un nuovo numeretto: il numero di massa.
La somma del numero dei protoni e dei neutroni viene
definita numero di massa e si indica con la lettera A.
Vogliamo forse rinunciare a sistemare un bel crisantemo
accanto al numero di massa ? Noooo. Eccovelo qua accanto.
Che forza. Già al capitolo due avete imparato
una cosa di cui vantarvi con gli amici:
conoscendo il numero atomico Z e il numero di
massa A di un qualsiasi elemento, potrete
sempre ricavare il numero di protoni, neutroni
ed elettroni che suoi atomi possiedono. Per
esempio, l’elio che ha 2 protoni, 2 neutroni e 2
elettroni, avrà quindi numero atomico Z = 2 e
numero di massa A = 4. Che grandi piaceri ci da
la chimica.
Facciamo un altro esempio: se girando per casa vi imbattete in un elemento
che ha Z = 38 e A = 88, vuol dire che in ognuno dei suoi atomi ci sono 38
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Chimica. Cheppalle
protoni, 38 elettroni e 50 neutroni (50 + 38 = 88). Volete sapere in quale
elemento vi siete imbattuti? Nello 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 banane Chiquita. Questo è l'unico libro di chimica
con tutti gli esempi a stronzio.
Aspettando che abbiate finito di ridacchiare, attirerei 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 o comecavolosichiama, più protoni sono contenuti nel
nucleo, tanti più neutroni occorreranno per mantenerlo stabile.
Se poi aumentiamo 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 ! Punto e a capo. Prossimo capitolo. Come va? Scommetto che non
riuscite più a staccare gli occhi dal libro, vero ? ;o)
1.3 Gli elementi
Questo mi sa che l'avevate capito da soli, ma per essere proprio sicuri sicuri
ve lo scrivo nero su bianco qua sotto:
Un elemento chimico è composto da atomi con lo stesso numero atomico,
cioè da atomi che hanno tutti lo stesso numero di protoni.
Se per assurdo avessimo acquistato un bel
soprammobile fatto di stronzio (dico per assurdo visto
che lo stronzio metallico ha il brutto vizio di
infiammarsi 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 in 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...
Forse sapete anche che il simbolo chimico dello stronzio è Sr (che si
pronuncia come all'asilo: "esse erre"). Se poi voleste proprio essere
pignolissimi e specificare pure quanti protoni e neutroni ha, allora dovreste
11
Chimica. Cheppalle
scrivere:
in modo che A sia in alto e Z in basso prima del simbolo chimico. Oppure
vi basterà solo scrivere 88Sr senza stare a specificare il numero atomico,
tanto tutti gli atomi di stronzio avranno per forza Z=38. Altrimenti non
sarebbero atomi di stronzio. O ve l’eravate già scordato ?
esc
Se invece due atomi hanno un numero atomico diverso allora sono atomi di
elementi differenti, 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 che hanno
rispettivamente Z = 1 e 2, ma voi ve ne ricordavate, giusto?) 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. Infatti, mentre l'elio è completamente inerte, l'idrogeno è
altamente infiammabile ed esplosivo. Ci fanno il carburante dei razzi, non
so se mi spiego...
Io adesso 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 provoca 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... la novità di
questo capitolo è che gli atomi di uno stesso elemento possono 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. Vi prego, non
avventuratevi a fare battutelle sulle isotrappole o gli isogatti che tanto le
12
Chimica. Cheppalle
conosciamo tutte). Tutti gli isotopi di uno
stesso elemento hanno le stesse proprietà
chimiche e lo stesso numero atomico Z, ma
hanno un diverso numero di massa A.
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 (differenti 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 ragione per cui quelli
pignolissimi scrivono 88Sr quando vogliono
intendere precisamente lo stronzio con 38
protoni e 50 neutroni. Infatti, anche se tutti gli
atomi di stronzio hanno per forza 38 protoni,
esistono tranquillamente atomi di stronzio che
hanno nel loro nucleo 46, 48, 49, 50 o anche
52 neutroni. Facendoci quindi tutte le addizioni, scopriamo che esiste lo
84
Sr, 86Sr, 87Sr, 88Sr e pure lo 90Sr, quest'ultimo (che si pronuncia 'stronzio
novanta') è anche simpaticamente radioattivo. Tranquilli, vi avviso subito
che lo stronzio naturale è sostanzialmente formato da una miscela di quattro
isotopi, 84Sr, 86Sr, 87Sr e 88Sr, nessuno dei quali è particolarmente pericoloso.
Concluderei il capitolo tornando solo per un attimo agli elementi che si
incontrano più spesso. 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 al protone, anche un neutrone. Questi atomi di
idrogeno vanno dunque scritti 2H, 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.
13
Chimica. Cheppalle
Beh, quasi gli unici isotopi on un nome creato apposta per loro. Infatti è
possibile preparare in laboratorio degli atomi di idrogeno artificiali,
radioattivi, il cui nucleo contiene un protone e DUE neutroni. E anche
questi hanno un nome tutto per loro: il trizio, 3H.
Figura 3. Idrogeno, Deuterio e Trizio.
Di Craio e Sempronio non si hanno notizie
Quello che a me piacerebbe vi ricordaste di tutte le chiacchiere qua sopra è
semplicemente il fatto che gran parte degli elementi presenti in natura sono
in realtà composti da una miscela di isotopi, e che di solito uno (o massimo
due) degli isotopi è di gran lunga più abbondante degli altri. Ma 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 (positivo o negativo) e viene definito ione.
Partiamo subito col nostro fidatissimo stronzio che tende a cedere due
elettroni, formando uno ione Sr2+ (e dato che ha ceduto 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.
14
Chimica. Cheppalle
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 cedere 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. Datemi solo il
tempo di scriverlo...
1.5 Le dimensioni dell’atomo
Facciamoci ora un paio di capitoletti per mettere bene in chiaro quanto
grossi sono questi atomi. Vorrei far passare il messaggio che si tratta di
entità straordinariamente piccole. Non semplicemente minuscole e
nemmeno microscopiche, qua stiamo parlando di cose proprio – e chiedo
scusa per il termine tecnico – piiiiiiiiiiiccoliiiiiiiiissime!
Come cavolo si fa a darvi un’idea chiara di
quanto piccole siano le cose delle quali stiamo
amabilmente discutendo ? Lo vedete per
esempio il puntino sotto al punto interrogativo
qua accanto ? Ecco, dentro a quel punto c’entra
un numero di protoni sterminato. Ma
sterminato quanto ? Quanti protoni entrano in
un puntino ? Proviamo a visualizzarli così: se
potessimo ingrandire ciascun protone dentro
quel puntino in modo da poterlo vedere bene e lo facessimo diventare
grande tanto quanto 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. Ragazzi, portate rispetto ai puntini quando li vedete la prossima
volta.
Ora capirete bene che per poter affrontare queste grandezze miniminimini
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, che
possiamo anche scrivere (andatevi a
ripescare il libro di matematica) 1 · 10-15
m. Dunque i pazz…cioè…gli scienziati
che lavorano con queste particelle hanno
dovuto inventarsi sottomultipli nuovi del
metro per chiamare in qualche modo
15
Chimica. Cheppalle
queste lunghezze.
Ve le ricordate le equivalenze ? C’erano i dm, cm, mm…magari certi si
ricordano pure i micrometri: µm, ma anche così arriviamo solo a 10-6 m,
un'unità di misura ancora totalmente inutile per gli atomi: sarebbe come
cercare di misurare lo spessore di un capello dall’alto della Torre Eiffel. Per
gli atomi gli scienziati sono stati costretti a scegliere il picometro (pm), che
è uguale a 10-12 m e il femtometro (fm, uguale a 10-15 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 misura da circa 50 pm (per l’elio) a 350 pm (per gli atomi
grossi, tipo il cesio). Volete assolutamente sapere il raggio atomico dello
stronzio ? Circa 200 picometri, cioè 0,0000000002 metri.
Rassegnatevi, gli atomi proprio non si vedono, neanche col microscopio
della zia.
1.6 La massa dell’atomo
Beh? Adesso che sapete quanto è grande un atomo non vorrete mica
chiudere il libro senza sapere quanto pesa ? 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. E allora addio elettroni,
non li consideriamo neanche: in
pratica la massa di un atomo è
uguale alla massa del suo
nucleo.
Ci rimangono solo il protone e il neutrone, che pesano …ehm… 1,67 · 10-24
grammi ciascuno. E qua mi sia che stiamo messi parecchio peggio di prima.
Se infatti avevamo avuto grossi problemi a farci un’ idea di quanti fossero
10-12 m, una massa di dieciallamenoventiquattrogrammi è
una cosa proprio indecorosamente leggera! Vuol dire che
in un chilo di protoni ci sono quasi un miliardo 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 anche se pesano parecchio di
meno, sono tanti quanto i protoni.
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Chimica. Cheppalle
Ovviamente anche qua gli scienziati hanno dovuto inventarsi un’unità di
misura apposta per misurare la massa degli atomi. Solo che proprio non
esistevano sottomultipli ‘ufficiali’ del grammo da utilizzare per pesare
robette così leggere. A loro serviva misurare 10-24 grammi !
Alcuni hanno proposto di usare lo yoctogrammo (giuro che esiste!) che
sarebbe in effetti proprio uguale a 10-24 g, ma non hanno ancora avuto molti
seguaci.
La maggioranza degli scienziati ha preferito invece accordarsi sulla
creazione di un'unità di misura tutta nuova per misurare la massa degli
atomi. Dopo lunghe discussioni hanno scelto di chiamarla unità di massa
atomica (sempre fantasiosissimi questi scienziati) che ha come simbolo
simbolo u ed è uguale a 1,66 · 10-24 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 (rispettivamente a 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 perfettamente che il numero di massa
A non è altro la somma della massa di neutroni e dei 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 (un protone) 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.
Questo fatto viene chiamato 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 un brodino vegetale con
carote lesse...
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Chimica. Cheppalle
Andava quindi scelto come riferimento per
la massa atomica un elemento che avesse sia
protoni che neutroni. Quindi andavano bene
tutti tranne l'idrogeno, che di neutroni non ne
ha nessuno. Vi lascio immaginare con 91
atomi a disposizione quante litigate si
scatenarono tra gli scienziati: oltre quelli di
prima dell’idrogeno 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 venne scelto (quasi) di comune accordo come atomo di
riferimento l’isotopo 12 del carbonio (quindi 12C) a cui assegnarono una
massa 12 u. Dividendo dunque per 12 la massa di un atomo di questo
isotopo del carbonio otteniamo la massa che ha un protone o un neutrone
quando è legato ad altri protoni e neutroni.
Riassunto delle puntate precedenti: un atomo di carbonio 12C pesa
esattamente 12 u, mentre per esempio un atomo di 88Sr pesa circa 88 u, cioè
circa 88/12 della massa di un atomo di 12C. Ma ora ce lo riscriviamo tutto
per bene in corsivo:
L’unità di massa atomica, pari a 1,66 · 10-24 g, è l’unità di misura delle
masse atomiche ed è per definizione la dodicesima parte della massa di un
atomo di carbonio 12C.
1.7 Il peso atomico
Forza e coraggio che questa è l'ultima definizione che ci serve per poterci
finalmente calcolare le masse degli atomi!
Dobbiamo parlarne per forza perché
l’unita di massa atomica, che avete
appena finito di leggere, è una cosa
tanto caruccia però in pratica non serve
assolutamente a niente: infatti sapere
che lo 88Sr 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 quattro isotopi che hanno ciascuno una massa atomica
diversa. Per sapere quindi quanto pesano gli atomi del vostro soprammobile
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Chimica. Cheppalle
di stronzio bisognerà 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.
Siete svenuti ? No, dai tornate qua: facciamo subito qualche esempio.
Calcoliamoci per cominciare questa media ponderata ed otteniamo il peso
atomico del nostro fedele amico stronzio. Basterà sommare i prodotti delle
masse atomiche di ognuno dei suoi quattro isotopi per le loro rispettive
abbondanze isotopiche e dividere il risultato 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
Il peso atomico dello stronzio è 87,62 u, che non significa dunque che ogni
atomo di stronzio pesa 87,62 u, ma solo che lo stronzio è una miscela di
quattro isotopi 84Sr, 86Sr, 87Sr e 88Sr (90Sr è un isotopo artificiale e non
conta), mescolati tra loro in una proporzione tale da dare 87,62.
A proposito, anche lo ione stronzio Sr2+ ha praticamente lo stesso peso
atomico dell’atomo di stronzio da cui deriva, tanto – come vi ricorderete
senz’altro - i due elettroni in meno hanno una massa trascurabile (quasi
diecimila volte inferiore) rispetto a quella del nucleo dello Sr.
Un altro esempio? Il fatto che il peso atomico dell’idrogeno sia 1,008 u
indica semplicemente che la stragrande maggioranza degli atomi di
idrogeno presenti in natura non ha neutroni ed è quindi rappresentata
dall’isotopo 1H, con solo una minima parte (lo 0,002%) di deuterio 2H.
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.
Pertanto, a meno che non siate degli assi nelle
moltiplicazioni con le virgole, vi consiglio di
portarvi sempre in tasca una calcolatrice, per
aiutarvi durante quei momenti in cui vi viene quella voglia irresistibile di
calcolare pesi atomici.
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Chimica. Cheppalle
1.8 Le molecole
Adesso che vi ho completamente rintontiti con definizioni e metodi per
misurare 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 pochine. Sorry...
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, dove gli atomi sono uniti l’uno con
l’altro attraverso i cosiddetti legami chimici.
Certamente 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.
Più spesso però 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…
Quello che però a noi adesso importa è che:
Tutte le molecole di una sostanza pura hanno la stessa composizione e le
stesse proprietà.
Ovviamente le molecole hanno di solito proprietà molto diverse da quelle
degli atomi di cui sono formate, perché la formazione dei legami modifica
enormemente le caratteristiche degli atomi di cui sono composte, come una
qualsiasi coppia di innamorati potrà confermarvi…
La composizione di una molecola si descrive con una formula chimica.
Semplicemente guardando una formula chimica noi chimici (e da adesso
anche voi!) capiamo subito quali sono gli elementi che costituiscono la
molecola ed in quale quantità relativa sono combinati tra loro.
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Chimica. Cheppalle
Ad esempio, P4, H2O e SrCl2 sono formule molecolari, o formule brute,
che ci dicono quali e quanti atomi si sono legati tra loro. Per molecole più
complicate fa anche comodo specificare 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
Paura eh? Rilassatevi tranquillamente anche se al momento non è tutto
chiarissimo: tanto non vi libererete più da formule brute e formule
molecolari per tutto il resto del tempo che studierete la chimica...
Figura 4.
Formule complicate per vantarvi con gli amici che voi studiate chimica.
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Chimica. Cheppalle
1.9 Il peso molecolare
Dopo il peso atomico arriva 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.
Finito. Yeah!
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 identici conti troviamo il P.M del cloruro di stronzio
SrCl2: 87,62 + (2 x 35,45) = 158.53 u. Vi consiglio di segnarvelo sul diario
per ogni evenienza...
A proposito, anche se vengono chiamati pesi
atomici e pesi molecolari, in realtà questi
sarebbero masse atomiche e masse 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 direttamente così, con
questa gran bella notizia. Nel prossimo capitolo – sempre che vogliate
continuare a leggerci - cominceremo finalmente a mescolare le molecole tra
di loro.
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Chimica. Cheppalle
…
[70 pagine di pura goduria]
…
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Chimica. Cheppalle
Conclusione
Ragazzi, Eccoci arrivati in fondo al primo capitolo.
Come vi sentite ?
Figura 5. Chimica. Cheppallette ?
Ci siamo permessi di disegnarle un po’ più piccole che all’inizio del libro.
Se a questo punto, contrariamente ad ogni previsione, aveste ancora voglia
di leggere anche gli altri sei capitoli rimanenti non dovete fare altro che
tornare su www.cheppalle.it o direttamente su Amazon.
In ogni caso vi ringraziamo tanto per essere arrivati a leggere sino a qua in
fondo. Chimica Cheppalle vi saluta e vi augura in bocca al lupo. Di cuore!
Raffaella e Stefano
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