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Nella maggior parte dei temi è necessario un certo approfondimento
prima di poter affrontare le parti filosoficamente interessanti
ma in chimica si può cominciare subito
con quella che è probabilmente la parte più
interessante dal punto di vista filosofico, che è l'atomo
E l'idea di atomo, come i filosofi, molto tempo fa - e si potrebbe
scoprirlo andando a verificare il pensiero dei vari filosofi
che per primi si sono occupati di questo argomento -
essi hanno detto: se io prendo, che so, una
mela e comincio a tagliarla - fatemi disegnare
una bella mela, questa rappresenta
piuttosto un cuore,
questa va bene -
allora, se abbiamo una bella mela e la tagliamo
a pezzettini sempre più piccoli
alla fine avremo dei pezzi così piccoli che
non si potranno più tagliare.
Io però sono sicuro che qualcuno questi filosofi ha preso il coltello
ed ha provato ancora, pensando che
con un coltello meglio affilato
avrebbe potuto tagliare ancora la mela.
In effetti, è stata solo una costruzione mentale filosofica, che
francamente, per molti versi, non è tanto diversa da come
l'atomo è visto oggi.
Sono infatti delle astrazioni mentali che ci permettono
di descrivere un sacco di osservazioni dell'universo.
Comunque, questi filosofi, ad un certo punto,
sono arrivati a supporre che ci sarebbero stati effettivamente pezzi di mela così piccoli
che non sarebbero stati capaci di divedere ulteriormente
Questi pezzettini li hanno chiamati atomi.
E questo, hanno detto, non è vero solo per le mele
ma per tutte le sostanze o gli elementi che
si possono trovare nell'universo.
La parola atomo in greco significa infatti indivisibile
come "uncuttable" in inglese.
Noi ora sappiamo però che l'atomo si può ancora spezzare, anche se
non è una cosa semplice, ma esso non è la più piccola entità
entità di materia che conosciamo.
Sappiamo che un atomo è costituito da altre
particelle fondamentali.
Fatemele scrivere
abbiamo il neutrone
e vi disegnerò in breve come le particelle stanno assieme
e quale è la struttura di un atomo.
Allora, abbiamo il neutrone
abbiamo il protone
e abbiamo gli elettroni
Elettroni.
E può darsi che abbiate già visto
vecchi video su progetti atomici, dove ci sono dei disegni
che somigliano a questo.
Vediamo se riesco a disegnarvene uno
abbiamo qualcosa di simile a questo.
Avete queste cose che ruotano attorno
come vedete qui.
Esse hanno orbite che somigliano a queste.
o forse somigliano a queste.
La nozione generale che sta dietro a questi modelli atomici
- e sono sicuro che sono ancora così nei disegni
di laboratori governativi della difesa - dunque si ha
si ha un nucleo al centro di un atomo.
Si ha un nucleo al centro di un atomo
e si sa che ci sono nel nucleo neutroni e protoni.
Neutroni e protoni.
Ed ora parliamo un pò di più di quali elementi ci sono
quanti neutroni e quanto protoni.
E poi cosa orbita attorno - e userò la parola orbita
ora, anche se fra due minuti imparerete
che la parola orbita non è corretta, anzi
è un modo mentalmente scorretto di immaginare
quello che fa un elettrone -
Ma la vecchia idea era di avere questi elettroni
in orbita attorno al nucleo in modo molto simile
a quello in cui la Terra orbita attorno al Sole o la Luna
orbita attorno alla Terra.
MA è stato dimostrato che questo è effettivamente
un modo molto errato
Quando affronteremo la meccanica quantistica impareremo perché questo modello
non funziona, e quali sono le contraddizioni che emergono
quando si tenta di considerare un elettrone come un pianeta
in rotazione attorno al Sole.
Ma questa era l' idea originale - e francamente
penso che questa idea fosse il modo più
semplice di vedere un atomo.
Ora, ho detto che un atomo è interessante dal punto di vista filosofico.
Perché è filosoficamente interessante?
Perché quello che oggi consideriamo il modello accettato di visualizzazione di
un atomo inizia davvero a confondere la linea tdi demarcazione
tra realtà fisica e tutto quello che nel mondo è solo informazione,
e non esistono cose come vera materia o vere
particelle, da usare come modo per definirle nella nostra vita quotidiana.
Sapete, per me una particella sembra
come un granello di sabbia.
Posso prenderlo, toccarlo.
Invece un'onda, che potrebbe essere come un'onda sonora,
è solo un cambiamento di energia nel corso del tempo.
Ma impareremo, soprattutto quando faremo meccanica quantistica,
che tutto diventa più confuso man mano che ci si avvicina
alla scala dimensionale di un atomo.
Comunque, ho detto che questo era un modo non corretto di procedere.
Qual è allora il modo corretto?
Così si scopre - questa è una foto, anzi non una vera foto,
questa è una rappresentazione -
Una domanda interessante, su quello che ho appena detto.
Come si può avere una foto di un atomo?
Perché in realtà risulta che la maggior parte delle lunghezze d'onda
della luce, soprattutto della luce visibile, sono molto
più grandi della dimensione di un atomo.
Tutto quello che osserviamo e misuriamo nella nostra
vita, è dovuto a luce riflessa.
Ma tutto ad un tratto, quando hai a che fare con un atomo,
la luce riflessa, con cui lo potresti vedere, è troppo grande o
troppo confusa, come strumento con cui osservare un atomo.
Comunque, questa è la raffigurazione di un atomo di elio.
Un atomo di elio ha due protoni e due neutroni.
O almeno questo atomo di elio ha due
protoni e due neutroni.
E il modo in cui lo si raffigura nel nucleo, proprio
qui, con questi due elementi - sto supponendo che si
utilizzi il rosso per i protoni
Il viola sembra un colore più adatto per il nucleo.
E questi elementi sono posti al centro di questo atomo.
E tutta questa nebbia lì intorno, rappresenta i
due elettroni che l'elio ha, o che almeno
questo atomo di elio ha.
In effetti si potrebbe guadagnare o perdere un elettrone.
Ma questi sono i due elettroni.
E qualcuno dirà: ehi, Sal, come può questa sfocatura rappresentare due elettroni
sembra una specie di frullato, questo atomo.
Ma è proprio qui che diventa filosoficamente interessante.
Infattiì non si può descrivere il percorso di un elettrone attorno ad un
nucleo con l'idea tradizionale di orbita che abbiamo
quando guardiamo ai pianeti o anche solo pensiamo a
cose di scala più grande.
Si scopre che di un elettrone non è possibile sapere esattamente sia la sua
quantità di moto che la sua posizione in un dato istante.
Tutto quello che possiamo sapere è una distribuzione di probabilità di
dove è più probabile che sia.
Ed in questa rappresentazione, il nero è la zona di maggiore
probabilità, dove è molto più probabile trovare
l'elettrone, piuttosto che qui.
Ma l'elettrone in realtà potrebbe essere ovunque.
Potrebbe anche essere qui, anche se è completamente bianco
e quindi è molto, molto, molto, molto bassa
la probabilità.
Questa funzione che definisce dove possa essere un elettrone, si chiama
un orbitale.
Orbitale.
Da non confondere con orbita.
Orbitale.
Ricordate, un' orbita era qualcosa del genere.
Come gira Venere intorno al sole.
è fisicamente molto facile per noi da immaginare.
Mentre un orbitale è in realtà una probabilità matematica
funzione che ci dice dove è
probabile trovare un elettrone.
Ce ne occuperemo molto di più quando affronteremo la
meccanica quantistica; tutto ciò non fa infatti parte
di questa introduzione alle lezioni di chimica.
Comunque è interessante, vero?
Il comportamento di un elettrone è così bizzarro a questa scala che
credo, chiamarla particella è quasi fuorviante.
Si chiama particella, ma non è una particella nel
senso acui siamo abituati nella vita quotidiana.
Questa è una cosa che non si può neanche dire esattamente dove si trovi.
che può essere ovunque in questa foschia.
E scopriremo più tardi che ci sono nebbie di forme diverse,
via via che aggiungiamo elettroni ad un atomo.
Ma adesso si devono affrontare questioni filosofiche
su ciò che sia la materia, o valutare quanto siano
reali le cose a cui guardiamo?
O come siano reali , almeno nel senso in cui abbiamo definito la realtà?
Comunque non voglio fare troppo il filosofo con voi.
Ma l'intera nozione di elettroni, protoni, si
basa sul concetto di carica.
Ne abbiamo parlato prima, quando abbiamo studiato
la legge di Coulomb.
Potreste rivedere i video sulla fisica con le leggi di Coulomb,
ma l'idea è che un elettrone
ha una carica negativa.
Un protone, a volte scritto così,
ha una carica positiva.
E un neutrone non ha carica.
E' questo che aveva spinto verso il modello originale
di un elettrone.
Se vi dicono, OK, se questa cosa ha cariche positive,
e diciamo che ci sono due neutroni e due protoni.
quindi si tratta di un atomo di elio.
Avremo alcune cariche positive qui.
e cariche negative qui fuori
Le cariche opposte si attraggono.
E quindi se queste cose avevano velocità, abbastanza
velocità, avrebbero orbitato intorno a questo, proprio nel modo in cui un
pianeta orbita intorno al sole.
Ma ora veniamo a sapere, anche se questo è solo parzialmente vero, che
più lontano un elettrone è dal nucleo, più
ha, è vero, energia potenziale.
E quindi tenderebbe a spostarsi verso il nucleo, e invece
a causa delle leggi della meccanica a livello, non potrà fare
qualcosa di semplice come muoversi su un percorso del genere, come
farebbe una cometa attorno al Sole, ma avrà in realtà un
comportamento di tipo ondulatorio, che descrive appunto
la funzione di probabilità.
Ma più lontano è un orbitale, maggiore
è il potenziale che ha.
Stiamo andando sempre di più verso i video futuri.
Ma comunque, come si fa a riconoscere quale elemento sia?
Ho parlato molto di filosofia e roba simile,
ma come faccio a sapere che questo è elio?
E 'per il numero di neutroni che ha?
E 'per il numero di protoni cche ha?
E 'per il numero di elettroni?
Beh, la risposta è che dipende dal numero di protoni.
Quindi, se si conosce il numero di protoni in un elemento, si
sa che elemento sia.
E il numero di protoni è definito
come il numero atomico.
Ora, quindi prendiamo qualcosa che ha quattro protoni.
Come facciamo a sapere che cosa è?
Beh, se non l'abbiamo memorizzato, potremmo cercare nella
tavola periodica degli elementi, con cui avremo molto a che fare
in questo video. E si direbbe che, con quattro protoni,
si tratta berillio.
Proprio lì.
E il numero atomico è il numero che vedete lassù.
E che è letteralmente il numero di protoni.
Ed è questo ciò che differenzia
un atomo da un altro.
Se si dispone di quindici protoni, si ha a che fare con
fosforo.
E così via, se ha sette protoni, si
si tratta di azoto.
Se si dispone di otto , si ha a che fare con l'ossigeno.
Questo è ciò che definisce un elemento.
Ora parleremo di ciò che avviene con
la carica e con tutto ciò che ad essa è collegato.
Oppure, cosa succede quando si guadagnano o perdono elettroni.
Questo fatto non cambia l'elemento con cui si ha a che fare
E nemmeno quando si modifica il numero di neutroni,
non cambia l'elemento con cui si ha a che fare.
Tutto ciò porta ad una domanda ovvia: bene, ma quanti
neutroni ed elettroni si possono avere?
Beh, se un atomo è a carica neutra, significa che
ha lo stesso numero di elettroni.
Prendiamo ad esempio del carbonio.
Il suo numero atomico è sei.
E diciamo che il numero di *** è dodici.
Ora, cosa significa?
E lasciatemi dire inoltre che questa è una particella neutra.
Si tratta di un atomo neutro.
Ed il numero atomico del carbonio è sei.
Il che ci dice esattamente il numero di protoni che ha.
Quindi, se dovessi disegnare un modello qui, e questo non è in alcun
modo un modello accurato,.
dovrei disegnarne 6 -uno, due, tre, quattro, cinque, sei
protoni al centro.
E il peso di questi protoni, siccome og protone è una
unità di *** atomica, e vedremo meglio il rapporto con
i chilogrammi. Si tratta di una piccolissima
frazione di chilogrammo.
All'incirca si tratta di 1,6 per 10 alla
meno 27 chilogrammi.
Diciamo quindi che questa è l'unità di *** atomica, e
che è pari a circa a 1,67 per 10 alla meno
meno 27 chilogrammi. Questo è un numero molto piccolo.
In realtà è quasi impossibile da visualizzare.
Almeno per me.
Questo mi permette di calcolare la *** dell'intero atomo di carbonio, di questo
particolare atomo di carbonio.
Perchè si può passare da un atomo di carbonio ad
un altro atomo di carbonio.
La *** totale è essenzialmente la *** di tutti i protoni
più tutti i neutroni.
E ogni protone ha una *** atomica di uno, in unità di *** atomica
unità, e ogni neutrone ha una *** di
una unità di *** atomica.
Quindi il totale è proprio il numero di protoni più
il numero di neutroni.
Quindi, se in questo caso abbiamo sei protoni, dobbiamo avere anche
sei neutroni.
Sei neutroni più sei protoni.
Ora, dove sono gli elettroni?
Bene, ho detto che l'atomo è neutro, quindi ogni protone ha una
carica positiva, mentre ogni elettrone ne ha una negativa.
Quindi questo atomo neutro, che ha sei protoni, deve
avere anche sei elettroni.
Fatemelo disegnare.
Abbiamo detto che ha sei neutroni qui.
Uno, due, tre, quattro, cinque, sei.
Ecco, qui c'è il nucleo, proprio lì.
E poi,e dovessimo disegnare gli elettroni - beh, li potrei
disegnare come una macchia, ma se vogliamo un tipo di visualizzazione
un pò migliore, potremmo dire, va bene, ci mettiamo
sei elettroni orbitanti.
Uno, due, tre, quattro, cinque, sei.
E si cominceranno a muoversi intorno, in questo imprevedibile
modo, che avremmo dovuto descrivere con
una funzione di probabilità.
Una cosa interessante è che la maggior parte della ***
di un atomo è proprio concentrata qui.
Significa che quando ci si occupa della
***, quando ci si occupa del numero di *** atomica di un atomo,
si possono ignorare gli elettroni.
E ciò perchè la *** di un protone, un protone
la cui *** è uguale a 1836 elettroni
Così, pensando alla *** di un atomo, per tutte le
esigenze di base, si può ignorare la *** di un elettrone.
E' quindi la *** del nucleo che conta
nella *** di un atomo.
Se guardiamo questa tavola periodica,
diciamo OK, essa ci da il numero atomico.
Il numero atomico dell'ossigeno è otto,
che significa che ha otto protoni.
Il numero atomico del silicio è 14,
cioè ha 14 protoni.
Ora, cos'è questo simbolo?
Vediamo, nel carbonio
c'è un valore 12,0107.
che è il peso atomico del carbonio.
Lasciatemelo scrivere.
Il peso atomico del carbonio.
che vale 12,0107.
Cosa significa?
Significa forse che il carbonio ha sei protoni e
che il rimanente, cioè i 6,0107 neutroni, comprendono
una sorta di frazione di neutrone?
No.
Il valore dice che dobbiamo mediare fra tutte le differenti
versioni del carbonio che si trovano sul nostro pianeta
e cioè bisogna fare la media tra il niumero di neutroni, che ogni
tipo di carbonio contiene
questo è il valore che ci serve.
Ora, si scopre che per il carbonio, che ha due forme principali,
la maggiormente diffusa è carbonio-12.
che è questa
che ha sei protoni e sei neutroni.
ed un "isotopo" del carbonio
Un isotopo è lo stesso elemento con un differente
numero di neutroni.
Un altro isotopo del carbonio è il carbonio-14, che è
molto più scarso sul nostro pianeta.
Quanto ce ne sia nel resto dell'universo, non lo sappiamo.
Ora, se dovessimo fare la media tra questi pesi, una media
diretta, avremmo del carbonio-13, con un
peso atomico 13, ma avremmo un peso medio molto più alto,
perchè uno dei due isotopi esiste in quantità molto maggiore sulla Terra.
Questo è praticamente tutto sul
carbonio, come vedete,
Resta solo una piccola considerazione.
Se infatti si pesano questi elementi in maniera appropriata, la media
diventa questa.
Si può concludere quindi che la maggior parte del carbonio che si trova
da qualsiasi parte sulla terra, in media avrà un peso, espresso in
unità di *** atomica, pari a 12,0107.
L'idea di isotopo è particolarmente interessante.
Ricordate, quando cambiate il numero di neutroni, non
modificate l'elemento fondamentale.
Avrete solo un isoyopo differente
una diversa versione dello stesso elemento.
Le due versioni del carbonio sono due isotopi.
Adesso voglio finire questo video con quella che penso
sia la più precisa idea che sta dietro gli atomi,
e che è la cosa filosoficamente più interessante su di essi.
Ed è che la dimensione relativa - abbiamo questi elettroni
che rappresentano molto poco in termini di peso di un atomo,
valgono 1/2000 derlla *** di un atomo
ed è anche piuttosto difficile descriverli come
particelle, perchè non si può nemmeno sapere esattamente
dove sono ed a quale velocità si muovono.
Abbiamo solo la funzione di probabilità.
In conclusione la maggior parte dell'atomo è nel suo nucleo.
E questa è la cosa interessante
Se si guarda un atomo, in media si può dire
che l'atomo è questo.
Se prendiamo due atomi, uno legato all'altro,
quanto di questo rappresenta una cosa materiale?
E quando mi riferisco a qualcosa, che è un termine piuttosto astratto,
sto parlando di nuclei, giusto?
Perchè i nuclei sono il punto
in cui è concentrata la ***, tutta la materia.
Ne derva che in realtà tutto è in una frazione infinitesima
del volume dell'atomo - volume
che è difficile da definire, perchè gli elettroni
possono essere dovunque- se però intendiamo per volume
lo spazio nel quale è più facile trovare un elettrone, ed è del 90%
la probabilità di trovarvelo, allora
il nucleo, in molti casi e nel modo in cui si immagina,
è all'incirca 1/10000 di questo volume.
Se ci pensate, quando guardate a qualcosa, se
per esempio guardate la vostra mano, o il muro, o
se guardate al vostro computer, il 99,999% dello spazio è vuoto.
Praticamente niente.
Quasi tutto è vuoto.
Se si ha dell'ultra-piccolo - che si possano chiamare
particelle o altre cose - la maggior parte di esse
dovrebbero passare attraverso le cose che state guardando.
Questa è una domanda che ci dobbiamo fare
su cosa intendiamo per realtà.
Cosa c'è dunque - e questo è un fatto, non una
teoria - se prendete qualsiasi cosa,
dai mattoni, fino al livello degli atomi, la maggior parte
dello spazio degli oggetti che avete preso, è libero
spazio vuoto.
Potreste passarvi liberamente attraverso, se fosse possibile scendere fino
alla scala atomica.
Questa immagine di un atomo di elio viene chiamata
un "femtometro"
Giust?
Un femtometro.
Questa è la scala del nucleo di
un atomo di elio, giusto?
Un femtometro.
Questo è un "angstrom", giusto?
.Si sa che è equivalente a 100.000 femtometri.
E giusto per avere un'idea della scala, un angstrom è pari
a 10 alla meno 10 metri, giusto?
Allora l'atomo è approssimativamente alla scala degli angstrom.
Nel caso dell'elio, il nucleo
ne misura una piccola frazione.
E' 1/100.000.
Se quindi aveste- diciamo dell'elio liquido
che è piuttosto freddo -
guardandolo potreste vedere che la maggior parte è spazio vuoto.
Se guardaste una barra di ferro, la grande, grande,
grandissima maggioranza sarebbe spazio vuoto.
E non abbiamo ancora detto che forse c'è
spazio vuoto anche dentro il nucleo.
Ne parleremo in futuro.
Ma mi fa impressione, quando penso che la maggior parte delle cose
che vediamo non sono in realtà solide.
Esse sono in realtà spazi vuoti, anche se sembrano solide
a causa del modo in cui la luce si riflette su di esse oppure
a causa di forze che tendono a respingerci.
Qui in realtà non c'è niente da toccare.
La maggior parte di tutto quello che c'è è spazio vuoto.
Abbiamo usato ora la parola spazio libero e penso
che non andrò piu oltre.
perchè sto già pensando al prossimo video.