Le Unita di Misura nel Sistema Internazionale

LA MATERIA (sintesi concettuale)

Materia è l'equivalente del latino materia, ma può essere ricondotto direttamente al termine mater "madre". Possiamo immaginare la materia tutto ciò che occupa uno spazio e quindi dal punto di vista della fisica tradizionale tutti i corpi che contengono una massa.

Esempio di materia:

Un libro, una borsa, una galassia, l'aria, il mare una montagna, l'universo ecc.

questa definizione anche se può essere sufficiente per la fisica classica è insufficiente  per la moderna fisica quantistica. Secondo la fisica atomica e subatomica lo spazio è vuoto e l'energia è equivalente alla massa secondo la nota equazione  Energia = massa x la velocità della luce al quadrato.

Secondo questa nuova concezione della fisica microscopica possiamo definire la materia  costituita da particelle subatomiche le più piccole fisicamente rilevabili, queste particelle sono i Fermioni  (in onore del fisico italiano Enrico Fermi) e i Basoni (in onore del fisico indiano Satyendra Nath Bose).

I fermioni che includono come particelle protoni, elettroni,neutroni, rispondono al principio di esclusione di Pauli, che dice  che due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso  stato quantico.

Non avendo una base di condivisione scientifica tra gli studiosi, possiamo prima di tutto dire che le parole chiave per definire la materia sono: massa, energia  e particelle.

Proprietà della materia

lo spazio occupato da un corpo non può essere occupato contemporaneamente da un'altro corpo, quindi la materia che occupa uno spazio non può essere simultaneamente occupato da altra materia, principio di impenetrabilità. la materia è soggetta ad un altro principio che è quello della conservazione della massa. Esempio se prendiamo una matita da dieci grammi e ne facciamo 10 pezzetti la somma della massa sarà sempre 10 grammi. In base a questo principio si è formulata la definizione secondo cui "la materia è tutto ciò che occupa uno spazio ed ha una massa". L'unità di misura della massa è il Kg. 1 Kg è definito come la massa di un particolare blocco di platino conservato presso l'ufficio internazionale dei pesi e delle misure di Sèvres (Parigi). In genere nei laboratori di chimica si utilizzano sottomultipli del Kg , grammo e milligrammi.
la massa è costante in qualsiasi punto dell'universo. La massa può essere considerata come una quantità di materia contenuta in un corpo.

La materia può trovarsi sotto  varie stadi di aggregazione:

• solida
• liquida
• gassosa

la forma fisica della materia dipende principalmente da due funzioni di stato:

• Pressione
• Temperatura

Il passaggio dallo stato solido a quello liquido si chiama FUSIONE  il contrario SOLIDIFICAZIONE. Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso si chiama EVAPORAZIONE il contrario  CONDENSAZIONE. Il passaggio diretto dallo stato solido a quello gassoso si chiama SUBLIMAZIONE il contrario BRINAMENTO.
Gli stati di aggregazione della  materia  oltre ad avere comportamenti condizionati dalle funzioni di stato T,p, sono condizionati anche dalla qualità degli elementi fondamentali che la compongono (atomi o molecole).
Se per esempio prendiamo in esame due sostanze allo stato naturale e alla pressione di un atmosfera l'acqua e l'alluminio:

• l'acqua fonde         a       0 °C 
• L'Alluminio fonde   a   595 °C

Gli atomi conosciuti sono 94 naturali e 24 elementi formati artificialmente, totale 118. Ogni atomo è costituito da particelle subatomiche (elettrone, neutrone, protone).
Allo scopo di classificare il comportamento fisico e chimico degli elementi è stata negli anni realizzata una tavola degli elementi.

Il padre della tavola periodica fu  il chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev. A differenza di altri scienziati contributori alla tavola, Mendeleev fornì un sistema di classificazione che riusciva a prevedere le caratteristiche di elementi non ancora scoperti. La posizione degli elementi nella T.P. è fondamentale perché ci indicano le proprietà e i composti a cui possono dare origine. La T.P è formata da colonne verticali e da righe orizzontali. Le colonne verticale indicano i Gruppi, mentre le righe orizzontali si chiamano periodi. Andiamo a vedere le caratteristiche degli elementi presenti nella Tavola periodica iniziando con l’idrogeno

 (H) Idrogeno

Esistono tre tipi diversi di isotopi di idrogeno.

Prozio ¹H con un singolo protone e un elettrone;

Il deuterio  ²H o D2 è un isotopo  con un protone un neutrone e un elettrone.

Poiché l’abbondanza naturale del deuterio è solo dello 0,02%, si può pensare che ci siano solo due atomi di deuterio ogni 10.000 atomi di idrogeno. La presenza del neutrone in più determina il raddoppio della massa senza che vi sia modificazione della configurazione elettronica; nessun altro elemento presenta una differenza di massa cosi marcata tra i suoi isotopi. Tale differenza rende il deuterio utile come tracciante nelle reazioni in cui si vuole seguire il destino degli atomi di idrogeno. Possiamo cioè sintetizzare una molecola impiegando una quantità di deuterio maggiore del normale e quindi per mezzo di uno spettrometro di massa, identificare le molecole prodotte che contengono deuterio in eccesso

Il trizio ³H o T è un isotopo  radiaoattivo con un protone e due neutroni

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo, tuttavia vi è una quantità molto piccola di idrogeno libero sulla terra. Poiché le molecole di H2 sono molecole molto leggere, si muovono a velocità molto elevate e tendono a sfuggire dall’atmosfera. 

Proprietà dell’idrogeno

Configurazione valenza	1S¹
Numero atomico	1
Simbolo	H
Isotopi
	¹H        (99,98%,1,008 u.m.a)
	2H o D  (0,02% abbondanza, 2.014 u.m.a.)
	3H o T   (radioattivo 3,016 u.m.a.)
Peso atomico	1,008
Forma normale	Gas incolore ed inodore
Punto di ebollizione	-253 °C (20 K)
Punto di Fusione	-259 °C (14 K)
Densità	0,0899 kg/m³
Raggio atomico	53 pm
Raggio covalente	35 pm
Raggio di van der Waals	120 pm

L’idrogeno è un gas incolore, inodore ed insapore, per lo più insolubile in acqua e che si condensa in un liquido incolore alla temperatura 20 K. Il suo basso punto di ebollizione e la sua insolubilità derivano dalle sue debolissime interazioni intermolecolari. Le molecole di H2, apolari, interagiscono fra loro per mezzo delle forze di London che in questo caso sono molto deboli poiché ogni molecola, possedendo soltanto due elettroni, presenta un dipolo istantaneo molto piccolo.

Le modeste dimensioni dell’atomo d’ idrogeno determinano una delle più importanti interazioni intermolecolari , il legame idrogeno. Il legame idrogeno determina una bassa tensione dell’acqua, dell’ammoniaca e del fluoro di idrogeno. Inoltre è responsabile dell’aumento del volume dell’acqua durante il congelamento e quindi della  minor densità del ghiaccio rispetto all’acqua liquida. In fase solida i legami a idrogeno bloccano le molecole in una struttura aperta. Inoltre il legame idrogeno giustifica la solubilità dell’acqua in diversi solventi organici che contengono gruppi – OH o NH2.

He Elio (parte presa da wikipedia)

L'elio (dal greco ἥλιος -ου "hélios -ou", significato: sole) è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo He e come numero atomico 2. È un gas nobile incolore e inodore; ha il più basso punto di ebollizione fra tutti gli elementi e può solidificare solo se sottoposto ad altissime pressioni. Si presenta come gas monoatomico ed è chimicamente inerte. È il secondo elemento più diffuso nell'universo, dopo l'idrogeno.

Tracce di elio, dovute al decadimento di certi minerali, sono presenti nell'atmosfera terrestre; l'elio si trova inoltre in alcune acque minerali e, in quantità economicamente sfruttabili, anche in alcuni gas naturali. È usato nei palloni aerostatici, come liquido refrigerante per i magnetisuperconduttori e come gas nelle miscele per le immersioni di profondità. A temperatura e pressione standard, l'elio esiste solo come gas monoatomico. Condensa solo in condizioni estreme. Produce un boato quando si avvicina una fiamma.

Possiede il più basso punto di ebollizione tra tutti gli elementi ed è l'unico liquido che non può essere solidificato abbassandone solo la temperatura; rimane liquido fino allo zero assoluto a pressione standard (si può solidificare solo aumentando la pressione). Infatti, la temperatura critica, alla quale non c'è differenza tra lo stato liquido e quello gassoso, è di soli 5,3 K. L'isotopo ³He e l'isotopo ⁴He solidi sono unici in quanto applicando maggiore pressione, cambiano il loro volume di più del 30%.

L'elio solido esiste solo alla pressione di circa 100 MPa a 15 K, all'incirca a questa temperatura l'elio subisce una transizione tra le forme ad alta e a bassa temperatura, nelle quali gli atomi strettamente impacchettati assumono rispettivamente una configurazione cubica o esagonale. Tutte queste disposizioni sono simili dal punto di vista energetico e della densità e i motivi della transizione risiedono nel modo in cui gli atomi interagiscono.

Applicazioni 

L'elio è spesso usato all'interno di palloni aerostatici e dirigibili, adoperati per scopi pubblicitari, ricerca atmosferica e ricognizione militare. Inoltre l'elio possiede il 92,64% della capacità di sollevamento dell'idrogeno ma non è infiammabile, ed è quindi molto sicuro da maneggiare. Altre applicazioni:

§  miscele di elio-ossigeno sono utilizzate negli apparati respiratori ad alta pressione per immersioni profonde e nei sommergibili. Questo perché l'elio è inerte, anche se più solubile nel sangue dell'azoto e rispetto a quest'ultimo si diffonde 2,5 volte più velocemente. Si aumentano così i tempi per la decompressione, ma si eliminano i rischi di narcosi da azoto e si riduce la formazione di bolle nelle anse delle vene.

§  Il suo punto di ebollizione estremamente basso rende l'elio liquido un refrigerante ideale per molte applicazioni a temperature estremamente basse quali i magneti superconduttori e le ricerche criogeniche, dove sono necessarie temperature prossime allo zero assoluto. Miscele di ³He e ⁴He sono usate nei refrigeratori a diluizione.

§  L'elio è usato come gas inerte nella gascromatografia.

§  L'elio è usato come gas per misure di densità assoluta, in appositi picnometri a elio che misurano il volume degli oggetti a meno della porosità raggiungibile dall'elio.

§  La fusione nucleare dell'idrogeno nell'elio fornisce l'energia necessaria per la bomba all'idrogeno. L'elio in questo caso è un sottoprodotto della reazione, e il risultato è lo sviluppo di una grande quantità di energia.

§  È usato per pressurizzare i serbatoi di combustibile liquido (per motivi di sicurezza: essendo l'elio inerte, si riducono i rischi d'incendio), nella saldatura ad arco, come gas protettivo nella crescita di cristalli di silicio e germanio, come refrigerante alcuni reattori nucleari sperimentali, e come gas nelle gallerie del vento supersoniche.

§  Viene anche utilizzato per gonfiare palloni aerostatici e palloncini ad uso ludico. Data la sua scarsa densità è un ottimo (ma costoso) sostituto dell'idrogeno. A differenza dell'idrogeno, presenta il vantaggio di non essere infiammabile.

§  Se inalato rende la voce acuta e nasale. Grazie alla sua scarsa densità permette alle corde vocali di vibrare più velocemente, emettendo suoni più acuti.

§  L'elio liquido trova un utilizzo crescente nell'imaging a risonanza magnetica, in quanto l'applicazione medica di questa tecnologia si sta diffondendo nell'ultimo periodo.

Configurazione valenza	1 S2
Numero atomico	2
Simbolo	He
Isotopi
	3He (0,000137% abbondanza)
	4He (99,999863% abbondanza)
	6He ( sintetico)
Peso atomico	4,002602
Forma normale
Punto di ebollizione	4,24 K (−268,93 °C)
Punto di Fusione	0,95 K (−272,22 °C)
Densità	0,1785 kg/m³
Raggio atomico	128 pm
Raggio covalente	32 pm
Raggio di van der Waals	140 pm

Gruppi I: metalli alcalini

Configurazione di valenza: ns¹ Forma Normale*: metalli morbiti,grigio-argentei
Z	Nome	Simbolo	u.m.a	P.F.** °C	P.E*** °C	g/cc
3	Litio	Li	6,94	180	1360
11	Sodio	Na	22,99	98	900
19	Potassio	K	39,10	63	777
37	Rubidio	Rb	85,47	39	705
55	Cesio	Cs	132,91	28	686
87	Francio	Fr	223	27	677

*a 25 °C e a 1 atm,  ** Punto di Fusione,***Punto di ebollizione

La configurazione elettronica di valenza dei metalli alcalini è ns¹, dove n è il numero del periodo. Le proprietà chimiche- fisiche di questi elementi dipendono  principalmente dalla facilità con cui i singoli elettroni di valenza possono essere ceduti. E’ difficile trovare gli elementi del primo gruppo allo stato elementare  a causa della loro facile ossidabilità, quindi per estrarli c’è bisogna di potentissimi agenti riducenti per estrarli. I metalli allo stato puro ai possono ottenere per elettrolisi dei loro Sali fusi o, nel caso del potassio, per  esposizione del cloruro di potassio fuso ai vapori di sodio.

Nonostante l’equilibrio sfavorevole della reazione, questa procede ugualmente verso la formazione dei prodotti in quanto il potassio, molto più volatile del sodio, viene continuamente rimosso con il calore.       

Tutti gli elementi del primo gruppo sono metalli teneri di color argento. Il litio è l’elemento più duro. Il P.F. decresce con l’aumentare del peso atomico. Il cesio che fonde a  28°C, è a mala pena  solido a temperatura ambiente. Alcune leghe leggere del sodio e del potassio sono liquide a temperatura ambiente poiché i loro atomi sono legati debolmente  tanto da possedere una struttura liquida. I metalli alcalini sono spesso utilizzati nell’impianto di raffreddamento dei reattori nucleari perché conducono molto bene il calore e non si decompongono a causa delle radiazioni.

Nel grafico possiamo osservare il rapporto della massa atomica con il punto di fusione dei matalli alcalini

                                                                                                                                                                                                                                                               

        

Il litio viene utilizzato per la costruzione delle armi termonucleari, che impiegano  il litio-6 per l’innesco. Poiché le energie di prima ionizzazione dei metalli alcalini sono molto basse  è necessaria soltanto un piccola quantità di energia per la produzione dei rispettivi cationi. Ne consegue che quasi tutti loro composti sono di natura ionica, con il metallo presente sotto forma di ione M+.

Alcune proprietà Litio (Li)

Configurazione elettronica	He2s1
Numero atomico  (Z)	3
Simbolo	Li
Isotopi
	6Li (7,5% abbondanza) stabile  con 3 neutroni
	7Li (92,5% abbondanza) stabile con 4 neutroni
	8Li ( sintetico)
Peso atomico	6,941
Forma normale	Solido non  magnetico
Punto di ebollizione	1615 K (1342 °C)
Punto di Fusione	453,69 K (180,54 °C)
Densità	535 kg/m³
Raggio atomico	145 pm
Raggio covalente	134 pm
Raggio di van der Waals	182 pm

(pezzo preso da wikipedia) Il litio è il più leggero dei metalli, con una densità (0,535 g/cm³) pari a circa metà di quella dell'acqua. Come tutti i metalli alcalini, il litio reagisce facilmente con l'acqua e in natura non si trova allo stato metallico, a causa della sua notevole reattività. Ciononostante è meno reattivo del sodio, a dispetto della similitudine chimica, e per la relazione diagonale con il magnesio condivide con quest'ultimo elemento molte proprietà. Se riscaldato, produce una fiamma color cremisi, ma quando brucia intensamente, la fiamma diventa bianco brillante. È un elemento univalente.

Dilitio 

Il dilitio Li₂ è una molecola biatomica formata da due atomi di litio uniti da un legame covalente. Il dilitio è conosciuto allo stato di forma gassoso, ha ordine di legame di 1, con una separazione tra i due nuclei di circa 267.3 pm e un'energia di legame di 101 kJ mol⁻¹.^[1] Il litio può formare inoltre dei cluster molecolari, come ad esempio nelle molecole di Li₆.

Applicazioni 

A causa del suo calore specifico (il più alto tra i solidi), il litio è usato in applicazioni per il trasferimento di calore. Grazie al suo alto potenziale elettrochimico il litio è inoltre un importante materiale anodico delle batterie (le cosiddette batterie agli ioni di litio) nelle quali in genere compare sotto forma di sale, come il carbonato di litio (Li₂CO₃) e il perclorato di litio(LiClO₄). (Fine pezzo wikipedia)

Alcune proprietà del Sodio (Na)

Configurazione elettronica	[Ne]3s1
Numero atomico	11
Simbolo	Na
Isotopi
	22Na (sintetico)
	23Na ( 100% abbondanza) stabile con 12 neutroni
Peso atomico
Forma normale
Punto di ebollizione
Punto di Fusione
Densità	968 kg/m³
Raggio atomico
Raggio covalente
Raggio di van der Waals