La tavola degli elementi. Scopri la chimica intorno a te!

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La tua missione: il caso degli elementi nascosti

Simboli Trova questo Esperimento Aspetto

Ciao, sono l’ispettore Omega, il super detective della scienza. Unisciti a me in un curioso caso chimico: LA RICERCA DEGLI ELEMENTI NASCOSTI. Investiga sulla materia sorprendente attorno a te e troverai la chiave per capire l’universo!

Pericolo Superpoteri

Nelle nostre case, nel mondo, ovunque nell’universo – dai microbi alle montagne, dalle nonne alle galassie – ogni cosa è costituita da pezzettini incredibilmente minuscoli. Ce ne sono più di cento tipi diversi e gli scienziati li chiamano “elementi”. Alcuni elementi esistono dall’inizio del tempo, altri sono stati creati dagli uomini e si trovano solo nei laboratori. Ma la maggior parte li puoi rintracciare in natura e molti anche a casa tua. Tutta la materia che conosciamo è composta da elementi e – incredibile! – la gran parte di essi si è formata nelle stelle. Ma non ti serve un razzo per rintracciarli, basta solo che tu sappia dove e quando cercarli. Con i miei amici Elio e Zirconia ti sveleremo dove stanno, come si comportano, e come puoi scoprirli in casa tua. Per cominciare l’indagine, continua a leggere!

Elementi elementari: gli atomi La materia di ogni cosa sulla Terra – acqua, aria, formaggio e anche te! – è composta da minuscole particelle chiamate atomi. Questi, a loro volta, sono costituiti da particelle ancora più minuscole che si chiamano protoni, neutroni ed elettroni. Tutti i 118 elementi che conosciamo sono composti da un solo atomo che differisce per il numero di protoni nel nucleo, da 1 a 118. Proprio questo fa di loro degli elementi! Gli elementi sono i mattoni della materia e non possono essere ridotti a sostanze più semplici da una reazione chimica. Possono però essere spezzati usando una potente radiazione.

IL NUCLEO Il nucleo si trova al centro dell’atomo. Può contenere due tipi di particelle, i protoni e i neutroni.

+ I PROTONI I protoni hanno una carica elettrica positiva (+). Il loro numero nel nucleo dà all’elemento la sua identità chimica e si chiama “numero atomico”.

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I NEUTRONI Si trovano anch’essi nel nucleo e hanno una carica elettrica neutra.

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- GLI ELETTRONI Orbitano attorno al nucleo a migliaia di chilometri all’ora. Hanno carica negativa (–). Quando un atomo ha lo stesso numero di elettroni e protoni è privo di carica elettrica.


L’esperimento dei capelli ritti Puoi dimostrare gli effetti degli elettroni proprio su te stesso sfregando un palloncino gonfio sui capelli. Gli elettroni vengono portati via dai capelli e si trasferiscono sulla superficie del pallone, che acquista così una carica negativa in grado di attirare i tuoi capelli, e anche pezzetti di carta. È l’elettricità “statica”. Se il pallone ha sufficiente carica elettrostatica può anche attaccarsi alla parete!

L’esperimento del pallone lampeggiante Il fulmine è una scarica di elettricità statica di grandi dimensioni che è causata dallo scontro di particelle di ghiaccio nelle nuvole. Puoi provocare un lampo simile a un fulmine in miniatura strofinando un palloncino con un panno in una giornata secca. Al buio, avvicina il palloncino a un oggetto metallico come una maniglia e vedrai un piccolo lampo sprigionarsi tra i due; il crepitio che sentirai è come un piccolissimo tuono.

Atomi microscopici

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Gli atomi sono talmente piccoli che in un cucchiaino di zucchero ci sono 396 000 milioni di milioni di milioni di atomi degli elementi carbonio, idrogeno e ossigeno combinati insieme.

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Ma perché il palloncino si attacca alla parete? Elementare! Cariche uguali si respingono (+/+ oppure –/–). Le cariche negative sul palloncino respingono gli elettroni della parete, che si allontanano dagli atomi lasciando così la parete con la carica positiva dei protoni. Le cariche opposte (+/–) si attraggono e il palloncino si attacca!

L’atomo vuoto Gli atomi sono per lo più spazio vuoto. Incredibile, vero? Metti uno spillo al centro di un campo di calcio e chiedi a un amico di correre lungo il perimetro esterno. Se la capocchia dello spillo rappresenta il protone nel nucleo di un atomo di idrogeno, l’elettrone sarà un minuscolo granello di polvere sul naso del tuo amico. La distanza tra i due è solo spazio vuoto, eppure un elemento come l’oro può sembrare sorprendentemente solido!

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Il primo mistero: il Big Bang La nostra inchiesta comincia 13,8 miliardi di anni fa. Prima di quel tempo non c’era… nulla. Niente Sole, nessuna stella, né pianeti, né galassie, neppure insegnanti, compiti a casa, nessun elemento, niente materia, nessun indizio. Allora accadde uno strabiliante, epocale evento conosciuto come Big Bang. È il momento della nascita dell’universo, quando ebbe inizio l’incredibile processo che portò alla formazione 2. PARTICELLE degli elementi… PRIMORDIALI

Che cosa esisteva prima del Big Bang? Nessuno lo sa. Una teoria afferma che c’era un punto estremamente caldo e denso, noto come “singolarità”. Secondo alcuni, c’erano altri universi.

1. INFLAZIONE E RAFFREDDAMENTO Dal nulla L’UNIVERSO SI ESPANSE e si raffreddò in una frazione di secondo.

3. I PRIMI ELEMENTI Nel giro di due minuti IL PRIMO ELEMENTO, L’IDROGENO, INIZIÒ A FORMARSI. UN MINUTO DOPO COMPARVERO I NUCLEI DI ELIO. Ci vollero poi 380 000 anni perché si raffreddassero abbastanza da formare atomi stabili.

Un milionesimo di secondo dopo INIZIARONO A FORMARSI PROTONI E NEUTRONI.

Come si sono formati gli elementi nelle stelle? Il nostro universo crea elementi in continuazione. Nel centro estremamente denso e caldo delle stelle i nuclei di idrogeno sono schiacciati uno contro l’altro. Ciò innesca una reazione nucleare che produce elio e genera la luce visibile e altri tipi di radiazioni. Accade anche nel nostro Sole.

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Stelle più grandi Nelle stelle più grandi il processo di fusione continua e produce elementi più pesanti (con più protoni), dall’ossigeno fino al ferro, finché anche queste stelle collassano e muoiono. Le reazioni nel loro centro possono produrre elementi ancora più pesanti, come il rame o lo zinco.

4. LA PRIMA STELLA Nuvole di idrogeno ed elio fluttuavano nell’universo appena formato. Dopo 200 MILIONI DI ANNI LA FORZA DI GRAVITÀ COMINCIÒ A TRASFORMARLE NELLE PRIME STELLE. E queste stelle contengono il primo indizio del segreto degli elementi.


Stelle giganti Le stelle di grande massa – molte volte più grandi del nostro Sole – alla fine collassano producendo delle enormi esplosioni chiamate supernove. Esplodendo possono produrre elementi molto pesanti, come l’oro e l’uranio, che si propagano nello spazio.

Una prova del Big Bang può essere ritrovata dopo quasi 14 miliardi di anni. La radiazione che si è prodotta è visibile nello spazio come radiazione di fondo a microonde, che può essere rilevata da specifici radiotelescopi.

Il caso del Sole scomparso Il Sole è fondamentale per la vita sulla Terra, ma è una stella piuttosto piccola. Alla fine esaurirà gli elementi che consentono la fusione nucleare e diventerà sempre più freddo fino a collassare, disperdendo il guscio esterno con gli elementi più pesanti nello spazio. Ma niente paura, succederà solo tra 5 miliardi di anni.

Il mistero dei raggi cosmici Si pensa che tre elementi leggeri – il litio, il berillio e il boro – siano stati creati dalla scissione di elementi più pesanti presenti nello spazio, trasformati in atomi più semplici dai “raggi cosmici”. Si tratta di particelle ad alta energia la cui origine resta un mistero. Mettono a rischio la salute degli astronauti ma raggiungono di rado la Terra, bloccati dall’atmosfera e dal campo magnetico. 5


Scova gli elementi: la tavola periodica Ogni detective deve stilare una lista dei sospettati: tu hai a disposizione una lista di 118 elementi ordinati in una speciale tabella secondo il loro peso e le loro proprietà. I chimici la chiamano “tavola periodica”.

Gruppo (verticale)

L’idea della tavola venne a un brillante scienziato russo chiamato Dmitrij Mendeleev. Ed era così buona che Mendeleev riuscì a predire l’esistenza di elementi che ancora non erano stati scoperti. Le informazioni che la tavola contiene oggi sono il risultato di anni e anni di lavoro di intelligenti chimici, di cui troverai le scoperte raccontate come un fumetto tra le pagine di questo libro.

Numero atomico Simbolo chimico

Nome

Come puoi vedere gli elementi sono ordinati in righe e colonne. Le righe orizzontali sono conosciute come “periodi” e di qui il nome di tavola periodica. Le colonne sono invece i “gruppi”. La tavola periodica contiene i 118 elementi attualmente noti, dall’idrogeno all’oganessio, ma potrebbe acquisire ancora nuovi membri.

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Ogni elemento è caratterizzato da un simbolo, simile a un nome in codice, che è composto da una o due lettere, come H per idrogeno o He per elio.

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Raccogli indizi sui sospettati

La tavola periodica è ricca di informazioni, come una mappa. Ogni elemento ha un numero in alto, che cresce una unità alla volta man mano che ti sposti da sinistra a destra. È il “numero atomico” dell’elemento, ci dice quanti protoni ha nel nucleo ed è la chiave per la sua identità chimica. L’idrogeno ha un protone e quindi il suo numero atomico è 1. L’elio ha due protoni e 2 come numero atomico. Come ti sposti lungo la riga gli elementi guadagnano protoni e diventano più pesanti. Un atomo elettricamente neutro ha lo stesso numero di protoni ed elettroni, quindi un atomo di elio ha due elettroni che orbitano attorno al nucleo e lo stesso vale per tutti gli elementi. Nella tavola gli elementi tra loro simili sono colorati con lo stesso colore. La maggior parte dei 118 elementi sono metalli (come il ferro, Fe), una categoria ampia che a sua volta è suddivisa in gruppi più piccoli. Poi ci sono i “non metalli”, che includono gli alogeni e i gas nobili (come lo xenon, Xe). Ci sono anche alcuni strani elementi che sono una via di mezzo e vengono detti “metalloidi”. Per rendere la tavola più facile da rappresentare, due gruppi di metalli chiamati lantanoidi e attinoidi sono ordinati in due righe poste sotto di essa. 6

Periodo (orizzontale)

LEGENDA Non metalli Gas nobili

Alogeni

Altri non metalli


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Molti elementi hanno preso il nome da famosi scienziati o luoghi. CosĂŹ il mendelevio (Md) ha preso il nome da Dmitrij Mendeleev.

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Metalli Metalloidi

Metalli alcalini

Metalli alcalino-terrosi

Lantanoidi

Attinoidi

Metalli di transizione

Metalli di post-transizione

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Segreti di stato!

Identikit: maestri di travestimento

L’apparenza inganna! La materia in casa tua si può trovare in tre “stati” differenti, solido, liquido o gassoso. E alcune sostanze sono presenti in tutti questi stati. Molto astuto!

Alcuni elementi, come l’oro (Au), si trovano sulla Terra allo stato puro, ma la maggior parte di essi è mimetizzata. I loro atomi si uniscono in diversi modi ad atomi di altri elementi formando i composti.

IN TUTTI GLI STATI In una stanza puoi trovare l’acqua in tutti e tre gli stati a seconda della temperatura: ghiaccio nel congelatore, liquido nella vasca e gas dal bollitore.

Queste nuove sostanze possono avere proprietà molto diverse dai loro componenti, e i poveri chimici devono essere spesso dei brillanti detective per identificarle!

Condividere e condividere Gli atomi formano legami tra loro condividendo alcuni elettroni. Si formano così le molecole. Un atomo elettricamente neutro ha in orbita intorno al nucleo un numero di elettroni pari al suo numero atomico. Gli scienziati ritengono che gli elettroni occupino una serie di gusci concentrici intorno al nucleo, un po’ come gli strati di una cipolla. Il livello più prossimo al nucleo può ospitare fino a due elettroni, i livelli successivi Ecco un atomo possono averne otto, con il numero di argon (Ar). che aumenta progressivamente Il livello esterno negli atomi più pesanti.

è completo. Il risultato è che l’argon è inerte e non esistono in natura suoi composti.

In un SOLIDO, come un sasso, le molecole sono disposte in posizioni fisse e saldamente legate l’una all’altra. Possono vibrare ma non spostarsi, così il solido ha forma e volume definito.

In un LIQUIDO come l’acqua, i legami tra le molecole sono più deboli e le molecole possono muoversi un po’ in giro. I liquidi hanno un volume definito ma prendono la forma del contenitore in cui si trovano.

Un atomo con il livello esterno “completo” è molto meno reattivo di un atomo con un livello incompleto. In una molecola gli atomi condividono gli elettroni per essere stabili.

In un GAS le molecole sfuggono dai loro legami e si muovono liberamente, senza un volume e una forma definita.

Lo stato di una sostanza dipende dalla temperatura e dalla pressione cui è sottoposta. I gas diventano liquidi se comprimiamo le molecole che li compongono, mentre i solidi si sciolgono quando sono riscaldati al punto giusto. In questo libro gli elementi sono descritti nello stato in cui si trovano quando sono in una stanza a temperatura normale e sul livello del mare. 8


Fai un mix

Nome in codice Quando gli atomi di più elementi si uniscono mediante legami chimici danno origine ai composti. L’acqua è un composto formato dagli elementi idrogeno (H) e ossigeno (O). Una molecola d’acqua contiene sempre due atomi di idrogeno e uno di ossigeno e la sua formula chimica è H2O. Questo “nome in codice” ci dà indizi chiave sulla composizione delle molecole e sul loro comportamento chimico. Ecco alcune molecole comuni in casa:

Diversi elementi chimici possono essere combinati insieme in quelli che i chimici chiamano “miscugli”. A differenza dei composti, i componenti di un miscuglio non sono legati insieme e possono essere separati senza ricorrere a una reazione chimica. Se sciogli lo zucchero nell’acqua calda otterrai un miscuglio omogeneo, o soluzione. Metti la soluzione in un piatto e lascia evaporare l’acqua, ritroverai i cristalli di zucchero.

metano (CH4) anidride carbonica (CO2) ammoniaca (NH3) Alcuni elementi formano delle molecole coi loro stessi atomi. L’ossigeno presente nell’aria ha la forma della molecola O2. Gli atomi di ossigeno condividono gli elettroni per formare delle molecole più stabili.

Lo ione: chi è costui? Uno ione è un atomo o una molecola elettricamente carica. È carico positivamente (+) quando perde uno o più elettroni, e negativamente (–) quando li acquista. I legami tra ioni con carica opposta sono tra i più forti in chimica. Il sale da tavola è composto per lo più da cloruro di sodio (NaCl). Le sue molecole hanno un legame ionico tra uno ione di sodio con carica positiva e uno ione di cloro con carica negativa. Le due cariche si attraggono e si annullano a vicenda.

I NOSTRI SOSPETTATI

La lega degli elementi Una lega è una forma particolare di miscuglio che spesso coinvolge un metallo. L’acciaio è una lega di ferro (F) e carbonio (C) che è più forte e resistente del ferro puro. L’ottone è una lega di rame (Cu) e zinco (Zn).

Tavola periodica alla mano: 92 elementi si trovano in natura, gli altri 26 nei laboratori. Con l’aiuto di Elio e Zirconia guardiamoci intorno per investigare su ognuno di loro.

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Idrogeno Gas incolore e inodore  Altamente infiammabile

Ricorda… Aspetto  Pericolo

Invisibile

Superpoteri

L’idrogeno costituisce almeno tre quarti della massa totale degli elementi dell’universo. Se si potessero contare tutti gli atomi dell’universo, più del 90% sarebbero atomi di idrogeno. Non possiamo vederli perché l’idrogeno è un gas incolore e senza odore. Ma puoi rintracciarlo in milioni di sostanze differenti. L’idrogeno è un elemento fortemente reattivo, il che significa che forma moltissimi composti con gli altri elementi. Lo trovi in sostanze naturali come l’olio, lo zucchero e l’amido, così potrai divertirti a rintracciare l’idrogeno mangiandolo nel cibo. E lo trovi anche in te stesso: ci sono atomi di idrogeno nelle proteine e nei fluidi del tuo corpo, e almeno il 10% del tuo peso è dato dall’idrogeno.

L’esperimento della batteria subacquea Puoi usare l’elettricità per staccare gli atomi di idrogeno dalle molecole di acqua. Un processo chiamato “elettrolisi” dai chimici. Immergi una batteria da 9 volt in un bicchiere d’acqua, tenendola in verticale. Al polo negativo, segnato come (–), si formeranno delle bolle di idrogeno che risaliranno in superficie. Chiedi a un adulto di avvicinare un fiammifero acceso alle bolle e queste si infiammeranno. Poi togli la batteria dall’acqua e asciugala con cura altrimenti si scaricherà velocemente.

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A due a due L’idrogeno è il più semplice degli elementi, con un singolo protone nel nucleo e un singolo elettrone in orbita. Quando si trovano allo stato gassoso, gli atomi di idrogeno si coalizzano a due a due per formare una molecola (H2) e diventare più stabili.

Io sono H . ²

Anch’io!


Segui l’odore

LO TROVI IN: TE STESSO ACQUA OGNI COSA CHE CONTIENE ACQUA

Dei batteri inoffensivi che stanno nel tuo intestino producono una miscela di gas che fuoriesce quando… facciamo una puzzetta (tutti lo fanno!) Questa miscela contiene alcuni gas puzzolenti, dell’azoto (il componente principale dell’aria) e anche una bella quantità di idrogeno. Questo significa che le puzzette possono essere letteralmente esplosive.

CIBO

Nome in codice

PUZZETTE

Quando l’idrogeno presente nell’aria brucia, produce acqua. I primi chimici che lo scoprirono lo chiamarono idrogeno, che in greco antico significa appunto “che genera acqua”. L’acqua è un composto con la formula H2O, ha due atomi di idrogeno (H) per ogni atomo di ossigeno (O). Perciò se vuoi scovare questo elemento attorno a te puoi inghiottirne miliardi di atomi bevendo un bicchiere di acqua.

BATTERIE SOLE

Quanto idrogeno! Gli scienziati stimano che nell’universo ci siano circa un quinvigintilione di atomi. Cioè 1 seguito da 78 zeri. O se preferisci 1 milione di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di atomi. È un numero enorme e nove su dieci sono atomi di idrogeno!

Per fortuna l’universo è grande abbastanza da contenerli tutti!

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