L'ANTIMATERIA, CHE COS'E'?

Un argomento certo affascinante, anche se assai difficile da capire...


                

L'antimateria e la materia ordinaria sono praticamente due cose identiche. Con una piccola differenza. Una "anti-tavoletta" di cioccolato avrà lo stesso gusto, sapore e caratteristiche della tavoletta di cioccolata che ci mangiamo noi, solo che, se rimaniamo senza la nostra tavoletta, non possiamo mangiare quella costituita da anti-cioccolato! Solo un anti-uomo di una anti-terra può gustarsi una anti-tavoletta di cioccolato. Infatti quando materia e antimateria si incontrano danno vita ad un processo che va sotto il nome di annichilazione il cui risultato è la totale trasformazione della massa in energia. Quindi è meglio star lontani dalle tavolette di anticioccolata!! A parte gli scherzi, la questione dell’antimateria e la sua esistenza nell’universo è sempre molto di moda soprattutto da quando è stato spedito in orbita a metà dell’anno scorso un potente strumento (noto con la sigla Ams) il cui scopo è quello di individuare anti-atomi.

Per quanto ne sappiamo ora, a qualsiasi particella corrisponde la sua antiparticella; questo significa che ad un elettrone corrisponde un anti-elettrone, chiamato positrone avente la stessa massa ma carica opposta: è a tutti gli effetti un elettrone con carica positiva. Alla stessa maniera ad un protone corrisponde l’esatta sua antiparticella di carica negativa, detta semplicemente antiprotone.

La scoperta del positrone avvenne alla fine degli anni venti (1928) per merito di un grandissimo fisico teorico: Dirac. Poi Carl Anderson nel ‘32 (che non conosceva i lavori di Dirac) analizzò una traccia lasciata da un raggio cosmico, e si accorse che era una carica positiva della stessa massa dell’elettrone, proprio come ci si attendeva dal lavoro sulle lacune di Dirac!! Da questa scoperta il prestigio di Dirac si è protratto fino ai giorni nostri.

L’Universo, secondo la teoria del Big Bang, ha avuto origine circa 15 miliardi di anni fa da una grande esplosione che produsse uguali quantità di materia ed antimateria. Perché ora è così difficile osservare l’antimateria e dov’è? Oppure che fine ha fatto tutta quella che corrisponde alla materia che ci circonda? Nessuno è un grado di dirlo. E se l’antimateria si è progressivamente ridotta per qualche motivo, fino quasi a scomparire, perché la materia è rimasta? Perché oggi c’è (o noi riusciamo solo a osservare) questa “asimmetria” materia-antimateria? O da qualche parte nell’universo o in un universo “parallelo”, inosservabile per i nostri strumenti, ci sono antigalassie con antistelle?

                             

                              

LA POSIZIONE INCERTA DEGLI ELETTRONI

Dopo il video sulla grandezza dell'atomo, passiamo ad un altro video, molto interessante, sugli elettroni e sulla loro localizzazione intorno al nucleo. E' in inglese, ma si capisce benissimo; inoltre ci sono i sottotitoli.

Buona visione, è molto carino!

                           

MENDELEEV E LA TAVOLA PERIODICA

                      


Altre notizie su Mendeleev le trovate qui 

IL FILM PIU' PICCOLO DEL MONDO

Ricercatori di IBM hanno creato nel 2013 un film i cui protagonisti sono degli atomi. Intitolato "A Boy and His Atom" questa piccolissima opera di animazione costituisce un nuovo record assoluto, ed è costituito da circa 250 immagini che si susseguono con una tecnica grossomodo assimilabile a quella dell'animazione a passo uno, o stop motion.

               

"Controllare, posizionare e formare gli atomi per creare un video a livello atomico è una disciplina precisa e del tutto nuova", ha commentato Andreas Heinrich (IBM Research). Per rendere possibile questa curiosa e strabiliante opera è stato usato un microscopio a effetto tunnel ( STM, scanning tunneling microscope) realizzato dalla stessa IBM, che permette appunto di "vedere" gli atomi, ingranditi di circa 100 milioni di volte. Esso possiede una punta che scorre sulla superficie da esaminare e la sua posizione posizione viene registrata in ogni momento. Questo permette di avere una posizione in rilievo della superficie ( andate qui per vedere alcune immagini).

Per ogni "scena" creata è stato poi realizzato uno dei fotogrammi che avrebbe costituito il video finale.

Anche se il filmato ha un intento divulgativo nasce da un risultato importante dell'IBM, che grazie all'abilità di muovere gli atomi ha realizzato nel 2012 la più piccola memoria magnetica del mondo fatta di soli 12 atomi e che costituisce le fondamenta per la realizzazione del computer quantistico. I computer quantistici saranno in grado un giorno di occuparsi in un lampo di operazioni che oggi richiedono anni.

http://www.tomshw.it/cont/news/ibm-gira-il-primo-film-atomico-della-storia-effetti-da-oscar/45329/1.html

GLI ATOMI SI VEDONO?

Questa foto somiglia a un nido d'ape visto con una lente di ingrandimento. In realtà in questo caso la lente, o meglio l'occhio, è la punta nanoscopica di un microscopio a forza atomica, e il nido d'ape è una molecola di  nanografene. In questo modo gli scienziati guidati da Leo Gross dell' Ibm Research – Zurich, sono riusciti a vedere l'invisibile: i singoli legami chimici che tengono insieme gli atomi, apprezzandone le differenze di forza e lunghezza. Un traguardo, come spiegano i riceratori su Science del 14 settembre 2012.

Ecco altre immagini di atomi trovate in rete, ottenute  con il microscopio effetto tunnel.

atomi di silicone, organizzati in cristalli

blu nichel

atomi di cobalto azzurri su superficie di rame 

superficie della grafite, coni chiari sono atomi di carbonio 

LEGAMI AD IDROGENO E CARATTERISTICHE DELL'ACQUA

L’acqua ha proprietà fisiche e chimiche molto particolari che ne fanno il liquido  il liquido "biologico" per eccellenza. E allora, esaminiamo alcune di queste "stranezze", dovuta alla presenza di legami di idrogeno tra le molecole 

L’acqua è liquida nell’intervallo di temperatura in cui avvengono tutti i più importanti processi biologici.

 A differenza della maggior parte delle altre sostanze, l’acqua liquida ha densità maggiore dell’acqua solida, il ghiaccio. Tutto ciò ha profonde implicazioni ecologiche.

L'acqua sotto lo strato superficiale di ghiaccio rimane perciò abbastanza calda da permettere la vita delle piante e degli animali acquatici.

L’acqua è un ottimo solvente per soluti polari e ionici. Forma legami idrogeno con altre molecole di acqua e con altre molecole polari, e quindi può sciogliere sostanze attraverso tali interazioni.

Molecole di acqua circondano lo ione sodio

Anche il glucosio è una molecola che presenta delle regioni polari e quindi è solubile in acqua ( il simile scioglie il suo simile)

modellino di molecola di glucosio

La presenza di legami idrogeno porta ad un’elevata temperatura di ebollizione.

L’acqua ha una capacità termica alta rispetto a quella della terra e dell’atmosfera. Questo significa che è necessario molto più calore per aumentare di 1 grado la temperatura di una determinata massa di acqua rispetto alla stessa massa di terra. Tale comportamento è dovuto alla rete di legami idrogeno esistenti tra le sue molecole.

Dal punto di vista ambientale, la capacità dell’acqua di assorbire molto calore senza un forte aumento della temperatura influenza fortemente il clima sulla Terra. Le grandi masse di acqua (laghi, fiumi, oceani) assorbono o cedono grandi quantità di calore con piccole variazioni di temperatura, e questo rende il clima delle regioni circostanti più temperato e la temperatura più stabile rispetto alle zone più interne.

L'acqua possiede una elevata "tensione superficiale", determinata proprio  dalle forti interazioni intermolecolari dovute ai legami idrogeno. La tensione superficiale di un liquido è dovuta alla diversa attrazione che una molecola subisce da parte di altre molecole vicine a seconda che si trovi nella massa di un liquido o sulla sua superficie, come è schematizzato nella figura.
Il fatto che la tensione superficiale dell'acqua sia molto elevata, favorisce la sua capacità di muoversi in capillari sottili e in materiali porosi (capillarità). E cosa sono le minuscole vene che giungono fino alle pieghe più riposte del nostro corpo se non capillari  sottili (li chiamiamo infatti capillari sanguigni)? E cosa sono le membrane cellulari se non setti porosi in grado di far passare certe sostanze e non altre?

Per abbassare l’alta tensione superficiale dell’acqua, che inibirebbe alcune funzioni, gli organismi viventi producono opportuni composti, detti tensioattivi, simili ai detergenti. Nei polmoni, per ridurre il lavoro necessario ad aprire gli spazi alveolari e permettere una buona respirazione, le cellule alveolari secernono un tipo particolare di tensioattivo, un fosfolipide.

GLI STATI DELLA MATERIA

Un brevissimo filmato che fa capire bene la differenza tra stato solido, liquido e  gassoso

                   

SLIDES RIASSUNTIVE SU ATOMI, MOLECOLE, LEGAMI CHIMICI

                                 

Molecole 1 from Vittoria Patti

                                 

IONI E LEGAME IONICO

Se ad un atomo neutro viene strappato un elettrone. esso possiederà una carica positiva in eccesso.

Si dice che si è formato uno ione positivo o catione.

Se un atomo neutro acquista un elettrone, esso viene ad avere una carica negativa in eccesso: si dice che si è formato uno ione negativo o anione. Dunque, gli ioni sono atomi elettricamente carichi.

Gli elettroni perduti o acquistati possono essere anche due o raramente tre. In questo caso l'atomo possiede rispettivamente due o tre cariche positive o negative.

Se uno ione positivo e uno ione negativo si trovano in presenza uno dell'altro, ad una distanza sufficientemente piccola, si attraggono e tra di loro si forma un legame detto legame ionico.

Per esempio, se il cloro gassoso si trova in presenza del metallo sodio , gli atomi di cloro ( Cl ) strappano un elettrone agli atomi di sodio ( Na ) e così si formano anioni cloruro e cationi sodio. I due tipi di ioni si attraggono e formano il cloruro di sodio ( NaCl ), che è il sale da cucina.

In questo modo, sia il catione che l'anione hanno 8 elettroni nel guscio più esterno, il che li rende particolarmente stabili.

In generale il legame che si stabilisce tra gli ioni a causa della forza di attrazione elettrostatica si chiama legame ionico.

Esso si può stabilire anche tra più di due atomi.

Es: l'atomo di calcio ( Ca ) ha 8 elettroni nel penultimo strato e 2 elettroni in quello più esterno; ognuno di questi due elettroni può essere acquistato da un atomo di cloro per formante una molecola di cloruro di calcio ( CaCl2 ) 

Quando sono presenti moltissimi ioni di segno opposto , essi si aggregano a formare dei cristalli.

I cristalli di cloruro di sodio sono formati dagli ioni sodio positivi e dagli ioni cloro negativi.

Si può pensare ad un ione come una sferetta, ogni sferetta di un certo segno si circonda di sferette di segno contrario, che tiene unite a sè grazie alla forza di attrazione elettrostatica.

Le sferette si dispongono in modo ordinato e formano il cristallo del cloruro di sodio.

Il legame ionico si forma tra gli elementi dei primi gruppi della tavola periodica e quelli degli ultimi gruppi, perché per formare il catione o l'anione basta togliere o aggiungere uno o due elettroni soltanto.

TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

Viste le vostre curiosità sugli elementi chimici e sulla tavola periodica , ecco qui un link a tante risorse per rispondere alle tantissime domande.

MENDELEEV E LA TAVOLA PERIODICA

Abbiamo visto che tutti gli elementi chimici, sia naturali, che artificiali , sono disposti in una particolare tabella, chiamata " Tavola Periodica degli Elementi".

In essa, in ogni casella , sono indicati il simbolo chimico ed il nome, il numero atomico ( in alto a sinistra ) e la massa atomica ( sotto il simbolo). Quella riportata qui sotto inoltre è interattiva e ci fa vedere anche il numero di elettroni nei vari strati, oltre a darci notizie sulle proprietà fisiche di quel dato elemento.

Gli elementi della tavola sono disposti in colonne verticali, dette gruppi, e in righe orizzontali , chiamate periodi.

Gli elementi che si trovano nello stesso gruppo hanno la stessa configurazione elettronica dello strato più esterno. 

Gli elementi dello stesso gruppo hanno proprietà chimiche molto simili, mentre gli elementi di ciascun periodo hanno proprietà che variano gradualmente.

Tra i primi e gli ultimi elementi dello stesso periodo c'è una grandissima differenza chimica.

Si conclude che: le caratteristiche chimiche degli elementi dipendono dalla configurazione elettronica dello strato più esterno.

Questa dunque è la legge naturale che ha permesso a Mendeleev di fare la sua classificazione senza conoscere nulla della struttura degli atomi, ma semplicemente basandosi sulla regolarità delle caratteristiche chimiche e fisiche degli elementi. le sue osservazioni furono così precise che gli consentirono di prevedere l'esistenza di elementi ancora sconosciuti ai suoi tempi.

Ma scopriamo meglio chi era Mendeleev: 

http://online.scuola.zanichelli.it/esploriamolachimica/files/2010/03/Zanichelli_Valitutti_Mendeleev.pdf

Dmitrij Ivanovic Mendeleev nacque a in Siberia nel 1834 e morì a San Pietroburgo nel 1907. Nel 1860 partecipò al primo Congresso internazionale di chimica a Karlsruhe (nell’attuale Germania) e nel 1869 elaborò la prima tavola periodica. Mendeleev insegnò all’Università di San Pietroburgo; l’elemento 101 della tavola periodica moderna è chiamato mendelevio in suo onore.

Mendeleev viene considerato anche uno dei padri dell’industria petrolifera russa. Si dedicò inoltre a studi sulle proprietà dei gas, formulando l’anticipazione di quella che verrà chiamata temperatura critica, e costruendo diversi strumenti per ricerche di tipo applicativo.

La tavola periodica moderna deve la sua nascita alle discussioni in occasione del congresso di chimica di Karlsurhe. Al convegno, infatti, uno tra gli argomenti principali fu il metodo da utilizzare per la determinazione delle masse atomiche. Mendeleev e il tedesco Julius Lothar Meyer vi parteciparono e la conferenza stimolò in loro il pensiero sulla classificazione degli elementi e su come le «reali» masse atomiche potessero essere alla base della classificazione.

A San Pietroburgo Mendeleev afffrontò con successo il problema dell’ordine dei circa sessanta elementi a lui noti. Mendeleev utilizzò come criterio la massa atomica per cercare di attribuire un ordine agli elementi, ma si concentrò sulle affinità nelle proprietà chimiche. Il russo ordinò gli elementi per massa atomica crescente. Nella prima versione della tavola l’idrogeno era a parte, seguito da righe di sette elementi ciascuna (non erano ancora stati scoperti i gas nobili). La seconda versione prevedeva già una disposizione in righe e colonne, in modo che tutti gli elementi con proprietà chimiche simili si trovassero nella stessa colonna.

Mendeleev lasciò spazi vuoti nei punti in cui le proprietà chimiche non corrispondevano a quelle del gruppo.

Egli previde, per gli elementi ancora sconosciuti, sia la massa atomica sia le proprietà chimiche. In particolare, lasciò vuoti gli spazi sotto boro, alluminio e silicio e chiamò questi elementi rispettivamente eka-boro, ekaalluminio, eka-silicio. Alcuni anni dopo furono scoperti gli elementi gallio (1875), scandio (1876) e germanio (1886), che possedevano proprietà analoghe a quelle previste per eka-boro, eka-alluminio ed eka-silicio. Furono queste previsioni, confermate dai dati sperimentali,a convincere la comunità scientifica del valore della tavola periodica.

Nel 1894, dopo avere scoperto l’argon, il chimico William Ramsay cercò di dimostrare l’esistenza di altri

gas con caratteristiche simili, perché aveva capito che il nuovo elemento non poteva essere collocato in nessuna delle colonne già esistenti. Ramsay scoprì così anche elio, neon, cripton e xenon, ottenendo l’ottava colonna della tavola periodica.

La scoperta del nucleo consentì in seguito la definitiva spiegazione della regolarità della tavola periodica.

Nel 1913 Henry G. J. Moseley completò il lavoro di Mendeleev arrivando alla conclusione che è il numero atomico e non la massa atomica il principio su cui basare la classificazione periodica.

Ecco qui una tavola periodica minimalista, in cui sono  rappresentati solo gli elettroni ( ogni elettrone è un puntino ), ideata dalla  designer Allison Haigh.
L'idrogeno, che ha numero atomico (cioè numero di protoni) e numero di elettroni pari ad uno, è rappresentato da un solo puntino. Inoltre, la posizione dell’elemento rimane invariata rispetto alla sua posizione nella versione “classica” della tavola: ad esempio, l’idrogeno si trova nell’angolo in alto a sinistra della tavola, mentre l’elio si trova nell’angolo in alto a destra. Seguendo l’andamento della tavola, dunque, il numero di puntini, e dunque di elettroni, andrà aumentando se si procede da sinistra a destra lungo un periodo (che è una riga della tavola periodica). Ma non è tutto. Questi puntini infatti sono disposti in una particolare forma simmetrica, piuttosto attraente, che consente di cogliere visivamente, in maniera rapida, le differenze tra i diversi elementi.

DIVULGAZIONE SCIENTIFICA: LA STORIA DELLA SCOPERTA DEGLI ATOMI

Molto interessante e non troppo difficile questo video in  cui Dario Bressanini, chimico e giornalista, ci racconta  la storia della scoperta degli atomi. (Festival della Scienza 2013)

                    

STRUTTURA DELL'ATOMO

Per gli alunni di seconda:

Un lavoro in pps molto chiaro, con belle animazioni, per comprendere meglio la struttura dell'atomo.
Dopo essere andati al link, cliccare su " atomi e molecole" per scaricare il pps.