La composizione della materia

Tutto quello che vedi intorno a te è fatto di atomi, particelle microscopiche che si combinano per formare la materia. Questi atomi possono unirsi in due modi principali: creando miscele o sostanze pure.

Le miscele sono semplicemente un insieme fisico di due o più sostanze che mantengono le loro proprietà originali. Pensa al caffè con lo zucchero: puoi ancora distinguere i componenti. Le miscele si dividono in eterogenee (dove vedi chiaramente i diversi componenti, come olio e acqua) e omogenee (dove tutto sembra uniforme, come il sale disciolto nell'acqua).

Per separare le miscele usi metodi che sfruttano le diverse proprietà fisiche dei componenti. La filtrazione separa solidi da liquidi, la distillazione sfrutta le diverse temperature di ebollizione, mentre la cromatografia fa "correre" i componenti a velocità diverse.

Ricorda: Una miscela non ha mai una formula chimica perché la sua composizione può variare!

Le sostanze pure invece hanno sempre la stessa composizione e formula chimica. Si dividono in elementi (come l'oro, che non può essere scomposto) e composti (come l'acqua H₂O, formata da idrogeno e ossigeno legati insieme).

Le leggi fondamentali e la teoria atomica

Prima che gli scienziati capissero veramente cosa fossero gli atomi, dovettero osservare cosa succede durante le reazioni chimiche. Scoprirono due leggi fondamentali che ancora oggi ci guidano.

La legge di conservazione della massa di Lavoisier dice che in una reazione chimica la massa totale rimane sempre la stessa: nulla si crea, nulla si distrugge. La legge delle proporzioni definite di Proust invece ci dice che in ogni composto puro gli elementi sono sempre presenti nelle stesse proporzioni.

Dalton nel 1802 propose la prima teoria atomica scientifica. Secondo lui, ogni elemento è fatto di atomi identici tra loro ma diversi da quelli di altri elementi. Durante le reazioni chimiche, gli atomi si conservano e si ricombinano in modi diversi, spiegando perfettamente le leggi osservate.

La legge delle proporzioni multiple completa il quadro: quando due elementi formano più composti diversi, le quantità che si combinano stanno sempre in rapporti semplici espressi da numeri interi piccoli.

Curiosità: Queste leggi spiegano perché l'acqua è sempre H₂O e mai H₃O o HO!

L'evoluzione del modello atomico

Il modello atomico è cambiato molto nel tempo! Rutherford nel 1911 scoprì che l'atomo ha un nucleo centrale (con protoni positivi e neutroni neutri) circondato da elettroni negativi che si muovono intorno.

Il numero atomico Z indica quanti protoni ha un elemento, mentre il numero di massa A conta protoni e neutroni insieme. Gli ioni si formano quando un atomo guadagna o perde elettroni, diventando rispettivamente negativo (anione) o positivo (catione).

Bohr nel 1913 rivoluzionò tutto proponendo che gli elettroni si muovono solo in orbite stazionarie specifiche, senza perdere energia. Quando "saltano" da un'orbita all'altra, assorbono o emettono energia sotto forma di luce.

Il modello ondulatorio moderno ci dice che non possiamo sapere esattamente dove si trova un elettrone, ma solo la probabilità di trovarlo in certe regioni chiamate orbitali. Il principio di indeterminazione di Heisenberg conferma che è impossibile conoscere simultaneamente posizione e velocità di un elettrone.

Pensa così: Gli elettroni sono come una nuvola di probabilità intorno al nucleo, non palline che girano in orbite fisse!

Gli orbitali sono identificati da numeri quantici che ne determinano energia, forma e orientamento nello spazio.

I numeri quantici e la tavola periodica

Ogni elettrone in un atomo è descritto da quattro numeri quantici che funzionano come il suo "indirizzo". Il numero quantico principale n indica il livello energetico (1, 2, 3...), l determina la forma dell'orbitale (s, p, d, f), m ne stabilisce l'orientamento, e ms indica lo spin.

Per riempire gli orbitali con gli elettroni segui tre regole fondamentali: il principio di Aufbau (riempi prima quelli a energia più bassa), il principio di esclusione di Pauli (massimo 2 elettroni per orbitale con spin opposti) e la regola di Hund (negli orbitali della stessa energia metti prima un elettrone ciascuno).

La tavola periodica organizza gli elementi per numero atomico crescente. I periodi (righe orizzontali) corrispondono ai livelli energetici, mentre i gruppi (colonne) contengono elementi con la stessa configurazione elettronica esterna.

Trucco per gli esami: Gli elementi dello stesso gruppo hanno proprietà simili perché hanno lo stesso numero di elettroni di valenza!

Le proprietà periodiche cambiano in modo prevedibile: le dimensioni atomiche diminuiscono da sinistra a destra e dall'alto al basso, mentre energia di ionizzazione ed elettronegatività aumentano da sinistra a destra e dal basso all'alto. I metalli stanno a sinistra (cedono facilmente elettroni), i non metalli a destra (li attraggono), i semimetalli nel mezzo.

Isotopi, masse e la mole

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con diverso numero di neutroni. Hanno le stesse proprietà chimiche ma masse diverse. L'idrogeno, per esempio, ha tre isotopi: il normale idrogeno, il deuterio e il tritio radioattivo.

La massa atomica di un elemento è espressa in unità di massa atomica (uma), definita come 1/12 della massa del carbonio-12. I valori sulla tavola periodica sono medie ponderate di tutti gli isotopi naturali di quell'elemento.

La mole è una delle unità più importanti in chimica: rappresenta 6,02 × 10²³ particelle (numero di Avogadro). Una mole di qualsiasi sostanza ha una massa in grammi pari numericamente al suo peso molecolare. Per calcolare il numero di moli usi la formula: n = m/MM.

La legge di Avogadro ci dice che volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni, contengono lo stesso numero di moli. A condizioni normali (0°C, 1 atm), una mole di qualsiasi gas occupa 22,4 litri.

Memoria visiva: Una mole è come una "dozzina chimica" - invece di 12 oggetti, ne contiene 602 miliardi di miliardi!

L'equazione di stato dei gas perfetti PV = nRT collega pressione, volume, temperatura e numero di moli, ed è fondamentale per tutti i calcoli sui gas.

Formule chimiche e calcoli

Le formule chimiche sono come ricette che ti dicono esattamente cosa c'è in un composto. La formula bruta indica solo il tipo e numero di atomi, mentre quella di struttura mostra anche come sono collegati.

Per trovare la formula minima di un composto, parti dalle percentuali in peso degli elementi, le converti in moli dividendo per le masse molari, poi dividi tutto per il valore più piccolo ottenuto. Per la formula molecolare moltiplichi gli indici della formula minima per il rapporto tra peso molecolare e peso della formula minima.

La composizione percentuale ti dice quanto pesa ogni elemento rispetto al totale del composto. È particolarmente utile per controllare la purezza delle sostanze o per identificare composti sconosciuti.

La chimica nucleare studia le trasformazioni dei nuclei atomici, molto diverse dalle reazioni chimiche normali. Nel decadimento radioattivo, nuclei instabili si trasformano emettendo radiazioni per diventare più stabili.

Applicazione pratica: La datazione con carbonio-14 funziona perché questo isotopo radioattivo ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni!

Il tempo di dimezzamento è il tempo necessario perché metà degli atomi radioattivi di un campione decadano, ed è la base di tutte le tecniche di datazione con isotopi radioattivi.