Nuovo Sistema Internazionale

La nuova definizione di mole

La mole (simbolo: mol) dal 1971 è entrata a far parte delle sette unità fondamentali del Sistema Internazionale (SI).

La mole è stata definita la quantità di materia che contiene un numero di particelle pari a quello degli atomi presenti in 12 grammi di Carbonio-12 (12C, l’isotopo del Carbonio più diffuso in natura).

Questo numero di particelle o insiemi delle stesse, quando espresso in mol-1, è detto numero o costante di Avogadro (NA), in ricordo dello scienziato italiano Amedeo Avogadro, ed è un numero molto grande:

NA = 6,02214076  ·1023 mol -1

da cui

1 mol = 6,02214076  ·1023 / NA

Una mole (1 mol) contiene 6,02214076·1023particelle (atomi, molecole, elettroni, protoni, neutroni e insiemi degli stessi).

Ad esempio, una mole di O2 (Ossigeno) contiene 6,02214076·1023 molecole; una mole di Fe (Ferro) contiene 6,02214076·1023 atomi di ferro.

Con questa definizione il valore della massa molare del Carbonio-12, M(12C), era pari a 0,012 kg/mol (12 grammi); ciò poteva ingenerare errori qualora, con ricerche sempre più raffinate, la stessa fosse determinata anche con minime differenze.

In altre parole, così come fatto per altre unità di misura, quali la lunghezza e la massa, la bontà del campione non poteva più essere considerata assoluta in quanto allora ed ancor oggi, non è possibile verificare sperimentalmente il numero esatto di atomi presenti in 0,012 kg (12 g.) di 12C.

Per questo motivo, nel 2018 la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) ha stabilito che dal 20 maggio 2019 le sette unità fondamentali del SI dovessero essere definite in relazione a sette costanti fisiche. Nel caso della mole, la costante è, appunto, il Numero o Costante di Avogadro

Il cambiamento del paradigma, nel caso della mole, è una nuova definizione del valore della massa molare del Carbonio-12, M(12C) che non è più noto ma si deve ricavare sperimentalmente.

Dal punto di vista pratico, invero, non cambia nulla a livello stechiometrico.

Per approfondire l’argomento e per conoscere come sia possibile definire sperimentalmente la mole, è interessante questa brochure del Consultative Committee for Amount of Substance – Metrology in Chemistry and Biology (CCQM): https://www.bipm.org/utils/en/pdf/si-mep/SI-App2-mole.pdf

Un’altra interessante brochure sulla nuova definizione elle unità fondamentali del SI è disponibile presso il sito dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM): https://www.inrim.it/ricerca-sviluppo/le-unita-di-misura/la-ridefinizione-del-sistema-internazionale-delle-unita-di

Tavola periodica

150 anni di Tavola Periodica

Il 6 maggio 1869 venne pubblicata da Dmitrij Ivanovič Mendeleev, chimico russo, la prima tavola periodica degli elementi.

L’intuizione di Mendeleev non si limitava ad una semplice organizzazione tabulare degli elementi allora conosciuti secondo la massa atomica, ma li organizzava in colonne e righe; quando un elemento presentava caratteristiche simili a quelle di uno già presente, la riga o colonna si interrompeva e si passava ad una nuova.

Mendeleev ignorò in alcuni casi l’ordine che poteva dare la
massa atomica , ma diede maggiore importanza alle caratteristiche chimico-fisiche degli elementi nell’inserimento nelle colonne.

In diversi casi, non essendo noto allora un elemento che avrebbe potuto essere inserito in una “casella” della tavola, ne ipotizzò l’esistenza. In seguito la predizione fu confermata con la scoperta di nuovi elementi con quelle caratteristiche, ad esempio nel caso del gallio (Ga) e del germanio (Ge).

Negli sviluppi successivi Mendeleev disegnò la sua tavola periodica con sette colonne he divennero otto con la scoperta dei gas nobili.

Vale la pena di ricordare che in quei tempi non erano ancora state sviluppate le teorie atomiche e le particella atomiche ancor là da essere identificate, cosa che avvenne per elettrone e protone negli ultimi anni del XIX secolo. Solo allora si osservò che la collocazione degli elementi fatta da Mendeleev rispecchiava quella determinata dal numero atomico.

La tavola in seguito fu modificata, ad esempio in relazione ad alcuni elementi che sono miscele di isotopi, con l’aggiunta degli elementi scoperti successivamente, e, grazie alla meccanica quantistica si vide che in ciascuna riga, detta periodo, erano posti elementi con numero atomico crescente con una struttura elettronica esterna crescente (es. 1, 2, 3… elettroni nel livello energetico esterno), restando uguale in ciascuna riga il numero quantico principale.

Le colonne passarono alle 7 iniziali di Mendeleev alle 18 attuali, detti gruppi; essi comprendono, ciascuno, elementi con la medesima configurazione elettronica esterna. Ad esempio gli elementi del I gruppo, detti metalli alcalini, hanno tutti un elettrone nel livello energetico esterno; gli elementi del II gruppo, detti metalli alcalino-terrosi ne hanno due.

Dai 63 elementi descritti da Mendeleev si è arrivati agli attuali 118, gli ultimi creati artificialmente in laboratorio in pochi atomi che hanno avuto una vita di pochi millisecondi prima di decadere, e in alcuni laboratori sono in corso esperimenti per “costruire” altri elementi con numero atomico superiore.

Si tratta, come si vede, di ricerca pura senza alcuna immediata ricaduta sull’utilizzo di questi nuovi elementi, ma in futuro chissà ?

Concludo con una piccola considerazione personale: quella pubblicata in questo sito è stata la prima tavola periodica interattiva in lingua italiana pubblicata in Internet. Per ciascun elemento sono disponibili le principali caratteristiche chimico-fisiche e, quando possibile, una foto dell’elemento.

La prima tavola periodica di Mendeleev
La prima tavola periodica di Mendeleev


Esercizi di Chimica svolti

Il prof. Gian Giacomo Guilizzoni mi ha fatto pervenire un eccezionale contributo: una raccolta molto estesa di esercizi svolti di Chimica che spaziano tra i vari ambiti, dalla chimica-fisica, all’equilibrio chimico, allo stato gassoso, alle redox e tanto altro.

Un lavoro straordinario, come sempre è stata la produzione scientifica del prof. Guilizzoni che è di rifermento per la didattica della Chimica.

Nel sito del prof. Guilizzoni, http://www.apertisverbis.it, e nella sezione di didattica della Chimica di questo sito, sono presenti diversi articoli dell’Autore.

Esercizi di chimica risolti

Premio Nobel per la Chimica 2016

La Royal Swedish Academy of Sciences ha oggi assegnato il Premio Nobel per la Chimica. Come accade da moltissimi anni il premio è stato assegnato a più scienziati: Jean-Pierre Sauvage della University of Strasbourg, France, J. Fraser Stoddart della Northwestern University, Evanston, IL, USA e Bernard L. Feringa della University of Groningen, the Netherlands.

La motivazione è di aver progettato e sintetizzato delle macchine molecolari.

Gli insigniti, con una ricerca iniziata del 1983, hanno sviluppato molecole con movimenti controllabili, in grado di effettuare delle semplici attività quando ad esse sia fornita dell’energia.

Utilizzando più sofisticati  computer si è dimostrato che la miniaturizzazione della tecnologia può essere rivoluzionaria e questa ricerca sulle macchine molecolari miniaturizzate proietta la chimica verso una nuova dimensione.

Il primo passo verso le macchine molecolari è stato fatto da Jean-Pierre Sauvage nel 1983, quando riusci a legare due molecole ad anello in una forma a catena (catenane). Come è noto di solito le molecole sono legate da forti legami covalenti, nei quali uno o più elettroni è condiviso tra gli atomi; nelle catenane i legami sono di tipo meccanico e meno forti.
In una macchina molecolare per poter esserci una attività, è necessario che una parte possa muoversi rispetto un’altra e nella ricerca si è visto che due anelli concatenati soddisfano questa necessità.

Nel 1991 Fraser Stoddart  sviluppò un composto, il rotaxane, riuscendo ad avvolgere una molecola ad anello lungo una sottile molecola assiale, dimostrando che l’anello era in grado di muoversi intorno all’asse.

Lo sviluppo del rotaxane ha portato alla costruzione di leve molecolari, “muscoli” molecolari ed anche chip molecolari.

Bernard Feringa  nel 1999 riuscì a costruire un rotore molecolare in grado di girare continuamente sul proprio asse. Usando un motore molecolare fu in grado di far ruotare un cilindro di vetro la cui massa era 10000 volte quella del motore stesso.

Premio Nobel per la Chimica 2015

Il Premio Nobel per la Chimica 2015 è stato assegnato, in parti uguali, a Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar per gli studi sui meccanismi di riparazione del DNA.

Tomas Lindahl è nato a Stoccolma (Svezia) nel 1938 ed attualmente lavora al Francis Crick Institute, Hertfordshire, UK, e al  Clare Hall Laboratory, Hertfordshire, UK.

Paul Modrich è nato nel 1946 a Raton negli USA e lavora al Howard Hughes Medical Institute, Durham, NC, USA, ed insegna alla Duke University School of Medicine, Durham, NC, USA.

Aziz Sancar è nato a Savur, Turchia, nel 1946 e lavora alla University of North Carolina, Chapel Hill, NC, USA.