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| Ripasso di Fisica per il Biennio delle Superiori |  |
| Unità 4. La struttura della materia |
| DEFINIZIONI E TABELLE | Esercizi svolti, esperienze e attività | Questionario |
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D1. La
materia si presenta in tre stati di aggregazione:
solido, liquido e aeriforme (gas e vapori). Una sostanza è solida
se ha forma e volume propri, è liquida se ha un
volume proprio, ma assume la forma del suo contenitore, ed è
aeriforme se assume la forma e anche il volume del
contenitore. Le sostanze liquide e aeriformi sono chiamate
anche fluidi (vedi Unità
6).
D2. Le
differenze tra gli stati sono dovute alle diverse
organizzazioni microscopiche delle particelle di cui è
composta la materia. Le particelle più piccole alle quali si
può ridurre una sostanza conservandone le proprietà sono le
molecole.
D3. Esistono
migliaia di tipi diversi di molecole, a loro volta formate da
particelle più piccole, gli atomi, di cui esistono in
natura 92 tipi (i principali sono elencati nella Tabella 5).
D4. Una
sostanza formata da molecole con atomi tutti dello stesso
tipo è detta elemento (per esempio, il ferro), mentre
una sostanza formata da molecole composte di atomi di tipi
diversi (secondo le leggi della chimica) è un composto
(per esempio, l'acqua, formata da ossigeno e idrogeno).
Sostanze ancora più complesse sono quelle formate da più
composti legati insieme secondo particolari organizzazioni
(per esempio, tutte le sostanze organiche, come il legno).
D5. Gli atomi in una molecola sono
legati tra loro dalle forze interatomiche. Le molecole
sono legate tra loro in modo meno intenso dalle forze
intermolecolari. Quando questi legami agiscono tra
molecole di una stessa sostanza, prendono il nome di forze
di coesione, mentre se agiscono tra molecole di due
diverse sostanze, prendono il nome di forze di adesione.
Tutte queste forze sono di natura elettrica (vedi Unità
12).
D6. Le forze
interatomiche e le forze intermolecolari sono repulsive per
distanze minori di un valore detto distanza di equilibrio
de (dipendente dal tipo di forza e
dal tipo di sostanza), e sono attrattive per distanze di poco
superiori a questo valore, fino ad annullarsi nuovamente a
distanze maggiori.
D7. Le
molecole delle sostanze allo stato solido sono
disposte a distanze ravvicinate e legate da intense forze di
coesione, per cui occupano posizioni ben definite. Se le
disposizioni delle molecole sono ordinate geometricamente, il
solido è cristallino (per esempio, il sale da
cucina), altrimenti è amorfo (per esempio, il vetro).
D8. In
condizioni normali, le distanze tra gli atomi e tra le
molecole di un solido sono quelle di "equilibrio"
(vedi la definizione D6). Il comportamento delle forze
microscopiche intorno a questa distanza spiega i fenomeni di elasticità
descritti nelle definizioni D9-D11
dell’Unità 3.
D9. Le
molecole delle sostanze allo stato liquido possiedono
forze di coesione meno intense di quelle dei solidi, per cui
possono scorrere le une sulle altre, modificando le loro
posizioni reciproche.
D10. Le
forze di coesione nei liquidi sono all'origine della tensione
superficiale, quella forza che crea alla superficie dei
liquidi una specie di membrana elastica e che consente, per
esempio, il formarsi di bolle e gocce (vedi l’esperienza
A2).
D11.
Esistono sostanze che hanno comportamenti intermedi tra
quelli dei solidi e quelli dei liquidi, e vengono per questo
chiamate cristalli liquidi. Esse hanno la proprietà
di cambiare colore in base a variazioni di temperatura, o di
luminosità, o in presenza di campi elettrici, e così sono
sfruttate in numerose applicazioni (vedi l’esperienza A4).
D12. Le
molecole delle sostanza allo stato aeriforme hanno
distanze tra loro maggiori del raggio d'azione delle forze di
coesione (vedi la definizione D6), e per questo sono libere di muoversi in
tutte le direzioni.
D13. Le
definizioni D7-D12 costituiscono una definizione dei diversi
stati della materia basata su proprietà microscopiche,
che è complementare alla definizione macroscopica
data nella definizione D1.
D14. Gli atomi
hanno dimensioni dell'ordine di 10-10 m. La quasi
totalità della loro massa è concentrata nel nucleo,
che ha dimensioni 100.000 volte minori dell'intero atomo, e
intorno al quale ruotano velocissimi gli elettroni
(vedi l’esercizio E11
dell’Unità 8),
che sono legati al nucleo dalle forze elettriche.
D15. Le forze
di contatto (vedi la definizione D5
dell’Unità 3)
sono anch'esse forze a distanza, di natura elettrica.
Infatti, il "contatto" tra due corpi non è che
l'urto tra le barriere di forze elettriche che circondano gli
atomi e le molecole dei due corpi.
D16. Il nucleo
degli atomi è formato da protoni e neutroni,
particelle di massa molto maggiore di quella degli elettroni
(vedi Tabella 4 nell’Unità 2), legate tra loro da forze
100 volte più intense delle forze elettriche, dette interazioni
nucleari forti.
D17. In
condizioni normali, un atomo ha un ugual numero di protoni e
di elettroni, detto numero atomico Z. Come
unità di misura della massa atomica, si usa il valore
di una frazione della massa dell'atomo di carbonio, che viene
indicata con il simbolo u (vedi Tabella
2 dell’Unità
1).
D18. Si dice
mole (o grammoatomo) di un elemento una
quantità in grammi di quell'elemento pari alla sua massa
atomica misurata in unità u. Una mole di qualunque
elemento contiene lo stesso numero N di atomi, detto Numero
di Avogadro (vedi Tabella
4 dell’Unità
2).
D19. La
massa di una molecola si ottiene in unità u sommando
le masse degli atomi di cui è formata. In questo caso, la mole
(o grammomolecola) è una quantità in grammi di
una sostanza pari alla sua massa molecolare misurata in
unità u, e contiene N molecole.
D20. La mole
(simbolo mol) definita nelle D18-D19 è l'unità di misura della "quantità
di materia", ed è una grandezza fondamentale del
SI.
D21. Si dice
numero di massa A il numero di nucleoni
(protoni e neutroni) presenti in un nucleo. Esso è circa
doppio di Z. Due atomi che differiscono solo per il
numero di neutroni (che non reagiscono alle forze elettriche)
hanno le stesse proprietà chimiche, però masse diverse, e
si chiamano isotopi.
D22. I
nuclei di particolari isotopi hanno un equilibrio instabile,
e per raggiungere la stabilità emettono spontaneamente
radiazioni che sono rivelabili con particolari dispositivi
(per esempio, lastre fotografiche). Questo fenomeno è detto radioattività.
D23. Ci sono
tre tipi di radiazioni nucleari, dette a
(alfa), ß (beta) e g (gamma).
Le radiazioni alfa sono particelle, composte da due
protoni e due neutroni, gestite dalle interazioni nucleari
forti. Le radiazioni beta sono composte da elettroni
singoli ("creati" dal nucleo al momento
dell'emissione) e sono gestite dalle interazioni nucleari
deboli. Infine, le radiazioni gamma non sono
particelle, ma radiazioni elettromagnetiche (prive di massa,
vedi Unità 14), gestite dalle forze elettriche.
D24. Le interazioni
nucleari deboli sono 1016 volte più deboli
delle interazioni forti. In comune con queste hanno il corto
raggio d'azione, cioè agiscono solo all'interno del nucleo
atomico.
TABELLE
TAB. 5: NUMERI E MASSE ATOMICHE
| Elemento | Simbolo | Numero atomico (Z) |
massa atomica media (u) |
| Alluminio | Al | 13 | 26,99 |
| Argento | Ag | 47 | 107,91 |
| Azoto | N | 7 | 14,01 |
| Calcio | Ca | 20 | 40,09 |
| Carbonio | C | 6 | 12,01 |
| Cloro | Cl | 17 | 35,47 |
| Ferro | Fe | 26 | 55,87 |
| Fosforo | P | 15 | 30,09 |
| Idrogeno | H | 1 | 1,01 |
| Magnesio | Mg | 12 | 24,33 |
| Mercurio | Hg | 80 | 200,66 |
| Neon | Ne | 10 | 20,19 |
| Nichel | Ni | 28 | 58,73 |
| Oro | Au | 79 | 197,10 |
| Ossigeno | O | 8 | 16,00 |
| Piombo | Pb | 82 | 207,27 |
| Potassio | K | 19 | 39,11 |
| Radio | Ra | 88 | 226,11 |
| Rame | Cu | 29 | 63,56 |
| Silicio | Si | 14 | 28,10 |
| Sodio | Na | 11 | 23,00 |
| Tungsteno | W | 74 | 183,91 |
| Uranio | U | 92 | 238,13 |
| Zolfo | S | 16 | 32,08 |
