Come si sono formati gli elementi chimici che compongono l'Universo conosciuto? La conferenza di Lorenzo Tei ha come obiettivo spiegare la formazione dei primi elementi chimici dell’universo che ebbe inizio circa tre minuti dopo il Big Bang.

3. 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

6. Gli elementi raggruppati a seconda
dell’epoca della loro scoperta

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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%.

17. 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.

18. 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)

19. 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

20. 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)