SCHEMINI SUL LEGAME CHIMICO

Pubblico in questo post qualche schema dedicato al legame chimico: alcuni sono presi dal web, altri sono stati elaborati da me. Cominciamo con un'introduzione a carattere generale:

Riprendiamo brevemente la formazione di un legame ionico, che consiste nell'attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta: cationi (+) e anioni (-).

L'atomo di un elemento (a bassa energia di ionizzazione) può perdere uno o più elettroni per formare il catione (ione positivo) corrispondente (es. Na dà Na+), isoelettronico del gas nobile che lo precede nella tavola periodica; gli elettroni persi sono acquistati dall'atomo di un elemento (con un elevato valore assoluto di affinità elettronica) che dà un anione (ione negativo: es. Cl dà Cl-), isoelettronico del gas nobile che lo segue nella tavola periodica.

Na+ e Cl- si attraggono per formare il composto ionico NaCl.

Diverso è il caso del legame covalente, dove una coppia di elettroni è condivisa tra due atomi sempre allo scopo di completare il livello energetico più esterno e renderlo isoelettronico a quello del gas nobile più vicino.

Se i due atomi sono uguali (legame omopolare), la coppia di elettroni sarà equidistante dai due nuclei; se i due atomi sono diversi (legame eteropolare), la coppia di elettroni sarà spostata verso l'atomo più elettronegativo.

L'elettronegatività è la capacità di un elemento di attirare a sé gli elettroni di legame: l'elemento più elettronegativo è il fluoro, quelli meno elettronegativi si trovano invece a sinistra, tra i metalli alcalini.

La differenza di elettronegatività tra due atomi impegnati in un legame permette di distinguere un legame covalente puro, un legame polare e un legame ionico. 

Il tipo di legami in gioco si riflette nelle proprietà macroscopiche della materia: consideriamo ad esempio solidi molecolari, solidi ionici e solidi metallici, confrontati nello schema sottostante.

Per concludere, ecco un breve riassunto di tutto quanto sopra accennato, da me riportato in una parte di una scheda nella quale approfondivo originariamente anche le teorie più complesse sulla natura del legame chimico che per ragioni di brevità quest'anno ometterò (o meglio: forse richiamerò più avanti).

Grazie per la lettura! MC

La Tavola Periodica in breve...

Ho tentato di abbozzare un riassunto ad uso didattico di alcune idee sulla Tavola Periodica nella versione moderna, dividendo la descrizione di ciascun blocco e delle caratteristiche principali degli elementi che vi fanno parte. Qua e là ho regalato anche alcune sottolineature sugli elementi più importanti (del primo, del secondo e del quarto gruppo "A").

PS: i video non sono miei, ma linkati da youtube.

BOHR

Niels Henrik David Bohr nasce a Copenaghen il 7 ottobre 1885 e compie gli studi presso l'università della sua città natale, dove il padre gestisce la cattedra di fisiologia (e dove in seguito il fratello Harald diventerà ordinario di Matematica). Si laurea nel 1909, quindi completa il dottorato con una tesi sulle teorie del passaggio delle particelle attraverso la materia.

Nello stesso anno si reca presso l'università di Cambridge per studiare fisica nucleare nel famoso Cavendish Laboratory, diretto da Thompson, ma a causa di forti divergenze con quest'ultimo, passa a Manchester dove inizia a lavorare con Rutherford, concentrandosi principalmente sull'attività degli elementi radioattivi.

Nel 1913 presenta la prima bozza del "suo" modello atomico, che si basa sulle scoperte di Max Planck per ciò che riguarda il "quanto d'azione", offrendo un contributo decisivo allo sviluppo della meccanica quantistica, il tutto spinto anche dalla scoperta del suo "mentore" Rutherford, il nucleo atomico.

Nel 1916 Bohr viene chiamato all'università di Copenaghen come professore di fisica, e nel 1921 diviene direttore dell'Istituto di Fisica Teorica (del quale rimarrà a capo fino alla sua morte), compiendo importanti studi sui fondamenti della meccanica quantistica, studiando la composizione dei nuclei, la loro aggregazione e la disintegrazione, riuscendo così a giustificare anche i processi di transizione.

Nel 1922 gli viene assegnato il premio Nobel per la fisica, in riconoscimento del lavoro compiuto nel campo della fisica quantistica; nello stesso periodo fornisce anche la sua rappresentazione del nucleo atomico, rappresentandolo con la forma di una goccia: da qui il nome della teoria della "Liquid droplet".

Dal web, un aneddoto che sa di leggenda...

Quando nel 1939 la Danimarca viene occupata dai nazisti, si rifugia in Svezia per evitare l'arresto dal parte della polizia tedesca (era ebreo per parte di madre), passando quindi in Inghilterra, per stabilirsi infine negli Stati Uniti, ove risiede per circa due anni, seguendo lo stesso iter di scienziati quali Fermi, Einstein ed altri. Qui collabora al Progetto Manhattan, finalizzato alla realizzazione della bomba atomica, fino all'esplosione del primo esemplare, nel 1945.

Terminata la guerra, Bohr torna a insegnare all'università di Copenaghen, dove si impegna per promuovere lo sfruttamento pacifico dell'energia atomica e la riduzione dell'uso di armi con potenziale atomico. È tra i fondatori del CERN, oltre ad essere il presidente della Reale accademia delle scienze danese.

Alla sua morte, avvenuta il 18 novembre 1962, il corpo viene sepolto nella Assistens Kirkegaard, nella zona di Norrebro, a Copenhagen.

A suo nome è presente un elemento della tabella chimica di Mendeleev, il Bohrium, presente tra gli elementi transuranici con il numero atomico 107.

Radio, Polonio e la fisica del XX secolo.

Nel 1896, il fisico francese Henry Becquerel (1852-1908), studiando la fosforescenza dei sali di uranio, scoprì accidentalmente la radioattività naturale, un fenomeno per il quale un elemento emette spontaneamente radiazione, senza preventiva eccitazione.

Una sostanza fosforescente, esposta alla luce (o alla radiazione ultravioletta), emette radiazione per un certo periodo; l’emissione continua anche quando è cessata l’esposizione alla luce. 

Un esempio di sostanza fosforescente è il solfuro di bario, ottenuto riducendo il solfato di bario (barite) con carbone: per questa sua proprietà il solfuro di bario era noto agli alchimisti come fosforo di Bologna – così chiamato perché scoperto agli inizi del XVII secolo da un ciabattino di Bologna, Vincenzo Casciarolo, dilettante di alchimia.

Se l’effetto è immediato e cessa con l’eccitazione si parla invece di fluorescenza. Un esempio di sostanza fluorescente è dato dalla fluorite (fluoruro di calcio), cui deve nome il fenomeno.

I sali di uranio studiati da Becquerel invece erano, ad esempio, in grado di impressionare una lastra fotografica (e quindi di emettere una radiazione, pur non visibile – cioè non percepibile con la vista) anche senza essere prima esposti alla luce. Del fenomeno s’interessò Marie Sklodowska (1867-1934), moglie del fisico Pierre Curie (1859 -1906) e studentessa che cercava un argomento per la sua tesi di dottorato.

Marie cominciò a studiare un minerale dell’uranio, la pechblenda, proveniente dalle miniere di Joachimstahl in Boemia, rilevando che alcuni campioni di esso manifestavano il fenomeno dell’emissione spontanea in modo più intenso di altri: erano cioè più radioattivi di quanto lo sarebbero stati se costituiti di uranio puro e ciò implicava che nella pechblenda fossero presenti elementi in quantità minime non rilevate dalla normale analisi chimica, la cui radioattività fosse molto alta.

Nel 1898, dopo aver raffinato quattro tonnellate di pechblenda, Marie e Pierre ottennero pochi decigrammi di due nuovi elementi, il polonio e il radio - sottoforma di cloruro (RaCl₂) e di bromuro (RaBr₂).

Soltanto nel 1902 il radio fu isolato puro, nella sua forma metallica bianca lucente, dalla stessa Marie Curie e da André Louis Debierne (1874-1949): ciò valse a Marie Curie (e a Debierne) il premio Nobel per la chimica nel 1911.

Il radio trovò ben presto impiego in medicina; fu inoltre utilizzato per produrre vernici luminescenti da usare sulle lancette degli orologi subacquei (come il Radiomir, della Regia Marina Italiana) e degli altimetri degli aeroplani militari, sottoforma di solfato mescolato a carbonato di bario e solfuro di zinco in una matrice di olio di semi di lino.

Durante gli anni Trenta si scoprì che i lavoratori esposti al radio nelle fabbriche che usavano vernice luminescente si ammalavano gravemente, per lo più di anemia e cancro alle ossa: in seguito a queste evidenze cliniche l'impiego del radio declinò rapidamente.

Il radio è trattato dall'organismo alla stregua del calcio e depositato nel tessuto osseo, dove la radioattività provoca gravi danni, inducendo il cancro e la leucemia. L'aver maneggiato il radio per anni è ritenuta la causa della lunga malattia che ha portato Marie Curie alla morte.

Sulla via tracciata dai coniugi Curie proseguirono altri scienziati, come il neozelandese Ernst Rutherford (1871-1937), trasferitosi in Gran Bretagna. Egli indagò la natura della radiazione emessa spontaneamente dai minerali radioattivi e scoprì che consisteva in tre tipi di raggi, chiamati alfa (nuclei di elio, ⁴He), beta (elettroni) e gamma (radiazioni ad altissima energia).

Utilizzando i raggi alfa come proiettili per bombardare una sottilissima lamina d’oro, si accorse che la maggior parte di essi passava indenne, mentre altri erano respinti indietro, come se “una palla di cannone rimbalzasse contro un foglio di carta velina”. Da queste osservazioni sperimentali Rutherford dedusse che tutta la massa di un atomo dovesse essere concentrata al suo centro, in un nucleo carico positivamente che respingeva indietro i raggi alfa (anch’essi con carica positiva) che gli sbattevano contro. Attorno al nucleo, come pianeti attorno al sole, ruotavano gli elettroni, scoperti da John Joseph Thompson nel 1897 studiando la scarica elettrica nei gas rarefatti attraverso l’impiego di tubi a raggi catodici.

Nel 1919 Rutherford bombardò l’azoto purissimo con particelle alfa.  Analizzando il gas dopo il trattamento osservò che si era formato ossigeno:

⁴He + ¹⁴N → ¹⁷O + ¹H

Si trattava della prima trasmutazione (di un elemento in un altro) compiuta da uomo nella storia dell’umanità: un evento che aprì le porte alla fisica nucleare, la fisica del XX Secolo.

Un brevissimo sguardo generale sulle fibre ...

Recentemente, parlando degli innumerevoli usi della cellulosa, ho avuto modo di offrire una digressione culturale sulle fibre tessili e in particolare sul loro uso per confezionare capi destinati agli sportivi.

Riporto uno schema, preso dal web, che riporta una buona sintesi dei contenuti da me proposti (clikkate per ingrandire) e ampliati a lezione con caratteristiche e impieghi delle varie fibre.

Ho completato la presentazione proponendo qualche filmato da youtube e un'osservazione al microscopio di alcune di esse (lana, seta, nylon, etc.). 

Il video sotto mostra la preparazione su piccola scala del Rayon Bemberg, ottenuto sciogliendo la cellulosa nel cuprammonio e riprecipitandola in un bagno acido.

Il secondo video, un cortometraggio dal titolo "Sette canne, un vestito" mostra invece la lavorazione del rayon su scala industriale, con il processo allo xantato, e porta la regia di Michelangelo Antonioni - che lo ha girato in buona parte nei capannoni di Torviscosa.

Lo schema sottostante, sempre preso da internet, riassume le sequenze principali della lavorazione del Rayon: al solito, clikkate per ingrandire.