LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI TRA TERRA E SPAZIO

Le risposte della scienza alle domande dell’Astronomia LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI TRA TERRA E SPAZIO Lorenzo Tei 17 ottobre 2009 - Via Bellardi 116 a Torino

Gli elementi raggruppati a seconda dell’epoca della loro scoperta

Breve introduzione storica 1661- Robert Boyle: The Skeptical Chemist è il primo testo in cui la chimica è considerata una scienza. Famosa la sua Legge dei Gas; applica il metodo scientiﬁco allo studio della materia e delle sue trasformazioni allontanandosi dalle vaghe e misteriose teorie e legate al misticismo dell'alchimia. 1789- Antoine Lavoisier: Traité Élémentaire de Chimie ; La legge di conservazione degli elementi o legge della conservazione delle masse: “Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”. Studio accurato del fenomeno della combustione (avviene solo in presenza di ossigeno). Deﬁnì per primo un elemento chimico come una sostanza che non può essere ulteriormente decomposta.

Breve introduzione storica 1808 - John Dalton: E’ il primo a introdurre una teoria atomica: la materia è formata da piccolissime particelle indivisibili e indistruttibili chiamate atomi e “Gli atomi di un elemento si legano agli atomi di altri elementi in rapporti unitari se il prodotto è un singolo composto” (Legge di Dalton) 1811 - Amedeo Avogadro: distinse atomi da molecole, ammettendo che particelle semplici potevano essere composte da molecole, e che queste ultime sono composte da atomi; “Volumi uguali di gas, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole” (Legge di Avogadro) 1813 - Jöns Jacob Berzelius cambiò la scrittura attuale della formula chimica introducendo i simboli letterali.

Mendeleev e la Tavola Periodica Nel 1830 si conoscevano più di 50 elementi diversi, divenne necessario ordinarli secondo un metodo sistematico. Si andava inoltre accumulando un gran numero di dati relativi alle proprietà chimiche e ﬁsiche degli elementi già isolati. Dmitrij Mendeleev (1834 - 1907), nel 1869 introdusse la tavola periodica degli elementi Regolarità delle proprietà chimiche degli elementi, classiﬁcati sulla base del peso atomico.

Mendeleev e la Tavola Periodica In base alla Legge Periodica posizionò correttamente alcuni elementi che avevano ad allora un numero atomico sbagliato. Ancora più sorprendentemente lasciò bianche le caselle relative ad alcuni elementi ancora sconosciuti predicendone la loro scoperta (scandio, germanio e gallio) compresi il loro peso atomico e le loro proprietà chimico-ﬁsiche. Previsioni fatte in base ad analogie e linearità presenti nella Tavola

Come si sono formati gli elementi chimici? Nucleosintesi Processo di formazione degli elementi chimici attraverso reazioni di fusione termonucleare. Tali reazioni nucleari si possono dividere in due gruppi, a seconda che siano avvenute nelle prime fasi di vita dell’universo (nucleosintesi cosmologica) o all’interno dei nuclei delle stelle (nucleosintesi stellare), dove si veriﬁcano ancora oggi. La formazione dei primi elementi chimici dell’universo ebbe inizio circa tre minuti dopo il Big Bang: tramite la fusione di protoni (che in pratica rappresentano i nuclei di H) e neutroni, iniziarono a formarsi i nuclei di He e solo in piccolissima quantità di Li.

Nucleosintesi stellare I nuclei degli elementi successivi, fino al Fe (26° elemento) si formano in reazioni di fusione termonucleare per cattura di nuclei di 4He (2protoni e 2neutroni)  si formano 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si. Due nuclei di Si si combinano per dare 56Ni che è instabile e decade prima a 56Co e poi al nucleo stabile del 56Fe. Le reazioni nucleari per la formazione degli elementi successivi al Fe, invece, non avvengono spontaneamente, perché sono endotermiche (richiedono energia per avvenire). Gli astrofisici ritengono che questi nuclei si producano nel corso delle esplosioni di supernova, attraverso un processo noto come cattura neutronica. In sostanza, i nuclei di elementi già relativamente pesanti catturano dei neutroni, che li rendono ancora più massicci. Poi, tramite l’emissione di elettroni (decadimento β-) i neutroni si trasformano in protoni e si formano i nuclei degli elementi mancanti, fino all’uranio.

Abbondanze relative degli elementi nell’universo • Composizione del mezzo interstellare: si ha una uniforme e prevalente presenza di H (93.9%) e di He (5.9%), tutti gli altri elementi costituiscono assieme il restante 0.2% (impurità di valore trascurabile rappresentate da O, C e N oltre a Ne, Ni, Si, S, Fe, Mg, Ca, Al, Ar e Na). • H2 e He rimangono allo stato gassoso ﬁno a temperature prossime allo zero assoluto (-273º C),  il 99.8% dell’universo resta gassoso anche nelle parti esterne più fredde. • Tutti gli altri elementi, che possono reagire con l'ossigeno formando ossidi, resistono allo stato solido anche a temperature molto alte comprese tra i 700 e i 1000º C circa.

Formazione dei pianeti I pianeti del Sistema Solare hanno avuto origine dalla condensazione e aggregazione di materia a partire da gas e pulviscolo cosmico contenuti all'interno di una nebulosa solare a forma di disco, che aveva al centro il “proto-Sole”. La temperatura di questo ammasso di materia doveva raggiungere e superare i 2000ºC verso l'interno, per diminuire gradualmente verso l'esterno. Quando la temperatura dell’anello di materiale che circolava intorno al sole è scesa sotto i 2000°C si condensò nei pianeti le cui orbite stanno sul piano di quell’anello.

Composizione dei pianeti del sistema solare Pianeti rocciosi terrestri interni: Mercurio, Venere, Terra e Marte I giganti gassosi: Giove, Saturno I giganti di ghiaccio: Urano, Nettuno I pianeti giganti (più esterni) sono composti soprattutto di H2 e He, e di una percentuale molto minore di silicati e metalli mentre i pianeti terrestri (più interni) hanno un nucleo centrale di metallo (Fe o Ni) ricoperto di silicati. I pianeti ghiacciati sono ricchi di composti volatili del carbonio e dell’azoto con una porzione solida di metano e azoto solidiﬁcati.

Composizione della Terra * ferro (32,1%) Si ritiene che il nucleo sia costituito principalmente di ferro (88,8%) con piccole * ossigeno (30,1%) quantità di nichel (5,8%) e zolfo (4,5%). * silicio (15,1%) Poco più del 47% della crosta terrestre è * magnesio (13,9%) composta da ossigeno. * zolfo (2,9%) I costituenti più comuni sono rappresentati * nichel (1,8%) dagli ossidi (silicati, gli ossidi di alluminio, di * calcio (1,5%) ferro, di calcio, magnesio, potassio e di sodio) * alluminio (1,4%) Cloro, zolfo e fluoro sono le uniche importanti eccezioni, sebbene la loro presenza totale * altri elementi (1,2%) nelle rocce sia inferiore all'1%.

Distribuzione degli elementi nelle atmosfere planetarie Mercurio e Marte sono per lo più senza Venere Marte atmosfera, quella di Venere è quasi tutta CO2 96.5% 95.0% di CO2, quella della Terra di N2 e O2 e gli altri pianeti quasi solo da H2 e He. N2 3.5% 2.7% O2 Tracce 0.13% I pianeti giganti esterni hanno trattenuto Ar 70 ppm 1.6% i loro gas leggeri a causa della gravità cui soggiacciono e delle basse temperature, CH4 0% 0% mentre i pianeti più piccoli interni hanno T (°C) 459 -53 perso la maggior parte dei loro P (bar) 90 0.0064 componenti volatili.

L’atmosfera terrestre Elemento/Molecole: Percentuale (parti per milione) Azoto (N2) 78,08% Ossigeno (O2) 20,95% Argon (Ar) 0,93% Vapore acqueo (H2O) 0,33% in media (variabile da circa 0% a 5-6%) Biossido di carbonio (CO2) 0,032% (320 ppm) Neon (Ne) 0,00181% (18 ppm) Terra Terra (senza vita) attuale Elio (He) 0,0005% (5 ppm) CO2 98.0% 0.03% Metano (CH4) 0,0002% (2 ppm) N2 1.9% 79.0% O2 0% 21% Idrogeno (H2) 0,00005% (0,5 ppm) Ar 0.1% 1.0% Kripton (Kr) 0,000011% (0,11 ppm) CH4 0% 1.7 ppm T (°C) 240-340 14 Xeno (Xe) 0,000008% (0,08 ppm) P (bar) 60 1 Ozono (O3) 0,000004% (0,04 ppm)

E inﬁne…nel corpo umano? Percentuale Le cellule sono composte per il Elemento di massa 65-90% del loro peso da acqua Ossigeno 65 (H2O); un'altra parte significativa del peso è dato da molecole Carbonio 18 organiche contenenti carbonio. Idrogeno 10 Azoto 3 E come si sono potute Calcio 1.5 formare le molecole della Fosforo 1.2 vita (acidi nucleici come Potassio 0.2 DNA e RNA, amminoacidi e Zolfo 0.2 quindi proteine) a partire dagli elementi chimici….? Cloro 0.2 Sodio 0.1 Ma questa è un’altra Magnesio 0.05 storia….Chimica Prebiotica. Ferro, Cobalto, Rame, <0.05 ciascuno Zinco, Iodio Selenio, Fluoro <0.01 ciascuno

La tavola periodica degli elementi tra Terra e Spazio Dott. Lorenzo Tei CONSIGLI di LETTURA Primo Levi – “Il sistema periodico” (Einaudi) Oliver Sacks – “Zio Tungsteno” (Adelphi)

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