Esercizi: Il modello atomico-molecolare

Completa la frase con le parole mancanti: «Secondo il modello atomico-molecolare, tutta la materia è formata da $\dots$. Questi si raggruppano formando $\dots$ e, in una reazione chimica, non scompaiono: si $\dots$ soltanto per dare sostanze nuove».

La formula dell'acqua è $H_2O$. La figura mostra il suo modello a sfere.

1. a) Quanti atomi di idrogeno ha una molecola di acqua?
2. b) Quanti atomi di ossigeno?
3. c) Quanti atomi ci sono in totale nella molecola?

La formula dell'anidride carbonica è $CO_2$. Indica quali elementi formano la sua molecola e quanti atomi di ciascun elemento ci sono.

Associa ogni simbolo chimico al suo elemento: $H$, $O$, $C$ e $N$, con i nomi idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno.

Osserva la figura:

Spiega la differenza tra scrivere $O_2$ e scrivere $2\ O$: quanti atomi di ossigeno ci sono in ciascun caso e come sono (uniti o separati)?

Vogliamo costruire un modello della molecola di acqua con palline di plastilina: usiamo palline rosse per gli atomi di ossigeno e palline bianche per quelli di idrogeno.

1. a) Quante palline di ciascun colore ti servono per una molecola di acqua?
2. b) Descrivi come sarebbero unite le palline.

Nella formazione dell'acqua, due molecole di idrogeno ($2\ H_2$) reagiscono con una molecola di ossigeno ($O_2$) e si formano due molecole di acqua ($2\ H_2O$), come mostra lo schema delle particelle.

Conta gli atomi di idrogeno e di ossigeno prima e dopo la reazione. È scomparso qualche atomo?

Quando il ghiaccio si scioglie, le molecole restano $H_2O$; quando l'acqua si scompone con la corrente elettrica, compaiono $H_2$ e $O_2$. La figura mostra le particelle nei due processi.

Spiega con il modello atomico-molecolare quale dei due cambiamenti è chimico e perché.

Conta con attenzione:

1. a) Quanti atomi di idrogeno e di ossigeno ci sono in $3\ H_2O$?
2. b) Quanti atomi di carbonio e di ossigeno ci sono in $5\ CO_2$?

La formula dell'ammoniaca è $NH_3$.

1. a) Quanti atomi ci sono in una molecola di ammoniaca?
2. b) Quanti atomi di ciascun elemento ci sono in $2\ NH_3$?

La combustione del metano si scrive così: $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. Lo schema rappresenta le molecole prima e dopo.

Conta gli atomi di ciascun elemento prima e dopo la reazione e verifica che si conservano.

In un modello a sfere, quelle nere sono atomi di carbonio, quelle bianche di idrogeno e quelle rosse di ossigeno. Una sfera nera unita a quattro bianche rappresenta il metano, $CH_4$.

1. a) Quale molecola rappresenta una sfera nera unita a due rosse?
2. b) Descrivi con le sfere di questo modello la molecola di acqua.

Nell'aria, le molecole di $N_2$ e di $O_2$ sono separate e mescolate; nell'acqua, gli atomi di idrogeno e di ossigeno sono uniti a formare molecole $H_2O$, come mostra la figura.

Spiega con il modello atomico-molecolare la differenza tra una miscela e un composto.

Spiega, usando il modello atomico-molecolare, perché la massa si conserva in una reazione chimica (legge di Lavoisier): che cosa succede agli atomi durante la reazione e che cosa accade alla loro massa?

L'acqua è $H_2O$ e l'acqua ossigenata è $H_2O_2$. La figura mostra il modello di entrambe le molecole.

1. a) Contengono gli stessi elementi?
2. b) Sono la stessa sostanza?
3. c) Collega la tua risposta alla legge delle proporzioni definite.

Quando l'acqua bolle, le molecole $H_2O$ si separano le une dalle altre, ma non si rompono.

1. a) Perché il vapore continua a essere acqua?
2. b) Che cosa dovrebbe accadere alle molecole perché il vapore smettesse di essere acqua?

La formazione dell'acqua si rappresenta così: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Quante molecole ci sono prima e dopo la reazione?
2. b) Quanti atomi di ciascun tipo ci sono prima e dopo?
3. c) Usa il modello atomico-molecolare per giustificare la legge di conservazione della massa.

Quando si brucia un nastro di magnesio nell'aria, l'ossido che si forma pesa più del nastro originale.

1. a) Spiega questo aumento di massa con il modello atomico-molecolare.
2. b) Prevedi che cosa accadrebbe alla massa totale se potessimo pesare anche tutta l'aria che ha partecipato alla reazione.

Facendo passare corrente elettrica attraverso l'acqua, questa si scompone: $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$. La figura mostra l'apparecchio dell'esperimento.

1. a) Conta gli atomi di ciascun elemento prima e dopo.
2. b) Nell'esperimento si raccoglie il doppio del volume di idrogeno rispetto all'ossigeno: mettilo in relazione con il numero di molecole di ciascun gas che si forma.
3. c) La massa si conserva in questa scomposizione? Giustificalo.

La sintesi industriale dell'ammoniaca si scrive: $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$.

1. a) Progetta un modello con sfere (scegli un colore per ciascun elemento) che rappresenti questa reazione, prima e dopo.
2. b) Verifica, contando gli atomi nel tuo modello, che la conservazione della massa è rispettata.
3. c) Quante molecole di ammoniaca si formano per ogni molecola di azoto?

Uno studente scrive sul quaderno la combustione del metano così: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. a) Conta gli atomi di ciascun elemento ai due lati della freccia.
2. b) Il suo schema rispetta la legge di conservazione della massa?
3. c) Correggi la scrittura in modo che gli atomi tornino e spiega che cosa hai cambiato.

La formazione dell'ossido di ferro può scriversi: $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. Lo schema rappresenta gli atomi prima e dopo.

1. a) Conta gli atomi di ferro e di ossigeno prima e dopo.
2. b) Un vecchio cancello di ferro molto ossidato pesa più di quando era nuovo: spiegalo con il modello atomico-molecolare.
3. c) Da dove sono venuti gli atomi che ne fanno aumentare la massa?

In un recipiente chiuso ci sono $10$ molecole di $H_2$ e $10$ molecole di $O_2$, e avviene la reazione $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$. La figura mostra il recipiente prima della reazione.

1. a) Quante molecole di acqua si formano?
2. b) Avanzano molecole di qualche gas? Quante e di quale?
3. c) Collega il risultato alla legge delle proporzioni definite.

Il modello atomico-molecolare permette di spiegare le due leggi delle reazioni chimiche che hai studiato.

1. a) Spiega con il modello la legge di conservazione della massa: perché la massa non cambia se gli atomi non scompaiono e ogni tipo di atomo ha sempre la stessa massa?
2. b) Spiega con il modello la legge delle proporzioni definite: perché un composto ha sempre la stessa proporzione in massa se la sua formula è sempre la stessa?

Sfida del tema. La massa scompare quando si forma un gas? Verificherai nella tua cucina le leggi che hanno dato origine alla chimica moderna usando aceto, bicarbonato e una bilancia da cucina di precisione (incertezza $\pm 0,1\text{ g}$).

1. Conservazione della massa (Lavoisier): Pesa una bottiglia con $50\text{ mL}$ di aceto e un palloncino fissato al collo che contenga $2\text{ g}$ di bicarbonato, senza ancora mescolare. Versa il solido nel liquido all'interno del sistema chiuso e misura di nuovo. Ripeti il procedimento in un bicchiere aperto.

2. Proporzioni definite (Proust): In tre bicchieri aperti con $50\text{ mL}$ di aceto ciascuno, aggiungi $2\text{ g}$, $4\text{ g}$ e $8\text{ g}$ di bicarbonato. Misura la massa iniziale e finale in ogni prova, calcola la massa di gas $\text{CO}_2$ perso ($\Delta m = m_{\text{iniziale}} - m_{\text{finale}}$) e costruisci una tabella e un grafico di $\Delta m$ in funzione della massa di bicarbonato.

3. Modello atomico e prodotto finale: Elabora una breve relazione in cui giustifichi il grafico identificando il reagente limitante (Proust) e illustri, mediante uno schema a sfere (Dalton), come si riorganizzano i legami atomici per spiegare perché gli atomi si conservano.

Verranno valutati:

• Rigore nella registrazione sperimentale casalinga, espressione delle incertezze e tracciamento del grafico.

• Giustificazione coerente delle leggi di Lavoisier e Proust a partire dai tuoi risultati.

• Uso corretto del modello atomico-molecolare per spiegare la conservazione e il riordinamento delle particelle.