Capitolo_8
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Copyright © 2008 Zanichelli editore CAPITOLO 8 8.1 La doppia natura della radiazione elettromagnetica 8.2 Gli spettri atomici dimostrano che gli elettroni possiedono energie quantizzate 8.3 Le onde elettroniche negli atomi sono dette orbitali 8.4 Lo spin dell'elettrone influenza la distribuzione degli elettroni negli orbitali 8.5 La configurazione elettronica dello stato fondamentale 8.6 Le configurazioni elettroniche spiegano l'organizzazione della tavola periodica 8.7 Dove l'elettrone passa il suo tempo 8.8 Le proprietà degli atomi dipendono dalla loro configurazione elettronica 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.1 La doppia natura della radiazione elettromagnetica L’energia elettromagnetica si propaga nello spazio per mezzo di onde elettromagnetiche che prendono origine da una carica elettrica oscillante. Copyright © 2008 Zanichelli editore Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da un’”altezza” o ampiezza e dal numero di oscillazioni complete, o cicli, effettuate in un secondo. Il numero dei cicli compiuti in un secondo è detto frequenza (v). 8 • LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA L’unità della frequenza si chiama hertz (Hz) -1 1 Hz 1 s 1 / s 1 /(secondo) Le posizioni dei punti di massima e di minima ampiezza sono distanziati in modo regolare. Copyright © 2008 Zanichelli editore La distanza tra due picchi consecutivi prende il nome di lunghezza d’onda (λ) 8 • LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Il prodotto della frequenza per la lunghezza d’onda è uguale alla velocità della luce (c). 8 c 3,00 10 m/s La radiazione elettromagnetica comprende un ampio intervallo di frequenze, lo spettro elettromagnetico. Copyright © 2008 Zanichelli editore Lo spettro elettromagnetico è suddiviso in diverse regioni in base alla lunghezza d’onda della radiazione. 8 • LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Copyright © 2008 Zanichelli editore Lo spettro visibile comprende una banda molto ristretta di lunghezze d’onda nell’intervallo fra circa 400 nm e 700 nm. I raggi gamma, i raggi X e la radiazione ultravioletta hanno le frequenza più alte (e quindi lunghezze d’onda minori). Le microonde, la radiazione infrarossa e le onde radio hanno frequenza molto basse (e quindi lunghezze d’onda elevate). 8 • LA DOPPIA NATURA DELLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Copyright © 2008 Zanichelli editore L’assorbimento della radiazione elettromagnetica può essere utilizzata per il riconoscimento delle sostanze. Assorbimento della luce da parte della clorofilla 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.2 Gli spettri atomici dimostrano che gli elettroni possiedono energie quantizzate Il trasferimento di energia non può essere descritto in modo soddisfacente dalla fisica classica. Copyright © 2008 Zanichelli editore Nel 1900 lo scienziato tedesco Max Planck propose che la radiazione elettromagnetica fosse costituita da fasci di minuscoli pacchetti di energia (quanti) che più tardi vennero chiamati fotoni. I fotoni viaggiano alla velocità delle luce. 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Einstein confermò che l’energia di un fotone è proporzionale alla frequenza della radiazione elettromagnetica energia di un fotone E h h costantedi Planck 6,626 10 -3 4 Js Copyright © 2008 Zanichelli editore L’idea che la radiazione elettromagnetica possa essere rappresentata come un fascio di fotoni o come un’onda è il fondamento della teoria dei quanti. Suggerisce anche che gli elettroni, come la radiazione, possono essere considerati al tempo stesso come particelle o come onde. 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Lo spettro visibile è uno spettro continuo perché contiene la luce di tutti i colori. Gli atomi eccitati emettono un diverso tipo di spettro. Copyright © 2008 Zanichelli editore Lo spettro atomico o spettro di emissione presenta una serie distinta di righe. La luce emessa dagli atomi eccitati attraversa un prisma e viene scomposta in pochi fasci sottili, caratteristici per ogni elemento. 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Lo spettro atomico dell’idrogeno, che possiede un singolo elettrone, è il più semplice. L’equazione di Rydberg permette di calcolare le lunghezze d’onda di tutte le righe dello spettro dell’idrogeno: 1 Copyright © 2008 Zanichelli editore RH( 12 n1 1 ) 2 n2 • n1 e n2 sono variabili che possono assumere valori interi • la costante di Rydberg, RH, è una costante empirica (109,678 cm-1) 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Gli spettri atomici indicano che quando un atomo è eccitato libera energia e che la quantità liberata non è arbitraria. Questo è vero anche quando l’atomo assorbe energia. Copyright © 2008 Zanichelli editore In un atomo l’elettrone può assumere solo alcuni valori di energia: l’elettrone è vincolato ad alcuni livelli energetici e la sua energia è quantizzata. 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE L’energia di un elettrone in un atomo può essere paragonata all’energia della tartaruga. Copyright © 2008 Zanichelli editore A) Energia continua: l’energia potenziale della tartaruga (e quindi dell’elettrone) può assumere tutti i valori B) Energia quantizzata: l’energia potenziale della tartaruga (e per analogia dell’elettrone) può assumere solo alcuni valori 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Il primo modello teorico in grado di spiegare l’equazione di Rydberg fu proposto da Bohr nel 1913. Nel modello di Bohr gli elettroni si muovevano intorno al nucleo su orbite fisse, come pianeti che ruotano intorno al sole. Le orbite, caratterizzate da un numero intero, n, chiamato numero quantico, hanno un energia determinabile dall’espressione: Copyright © 2008 Zanichelli editore E b n2 dove b 2 2me 4 h2 2.18 10 18 J Lo stato di più bassa energia di un atomo è chiamato stato fondamentale (per l’atomo di idrogeno lo stato fondamentale è quello in cui il suo elettrone ha n = 1). 8 • GLI SPETTRI ATOMICI DIMOSTRANO CHE GLI ELETTRONI POSSIEDONO ENERGIE QUANTIZZATE Assorbimento ed emissione di energia da parte di un atomo di idrogeno Copyright © 2008 Zanichelli editore Un elettrone che assorbe energia si sposta su un livello energetico più esterno. Quando l’elettrone ricade al livello energetico di partenza emette luce con una frequenza caratteristica. Il modello teorico di Bohr era però in grado di prevedere solo la frequenza delle righe dello spettro dell’idrogeno. 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.3 Le onde elettroniche negli atomi sono dette orbitali Gli elettroni all’interno degli atomi non si comportano come particelle ma come onde. De Broglie suggerì che la lunghezza d’onda di un onda associata alla materia fosse espressa dall’espressione: Copyright © 2008 Zanichelli editore h mv La relazione di De Broglie permette di descrivere l’elettrone sia come onda sia come particella. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Nell’equazione di De Broglie la massa compare al denominatore. I corpi macroscopici hanno piccole lunghezze d’onda e quindi le proprietà dell’onda passano inosservate. Le particelle con massa ridottissima hanno lunghezze d’onda maggiori e le proprietà ondulatorie hanno un ruolo importante: Copyright © 2008 Zanichelli editore h mv 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Copyright © 2008 Zanichelli editore Le onde si possono combinare tra loro in due modi A) Le onde in fase producono interferenza positiva. B) Le onde fuori fase producono interferenza negativa. C) Le onde luminose che attraversano sottili fenditure interferiscono e generano il tipico quadro di interferenza delle onde Il fenomeno dell’interferenza costruttiva e distruttiva prodotta da onde prende il nome di diffrazione. Anche gli elettroni subiscono la diffrazione. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Esistono due tipi di onde: le onde propaganti e le onde stazionarie. Copyright © 2008 Zanichelli editore In un lago o in un mare il vento provoca onde propaganti. Un esempio di onda stazionaria è rappresentata dalla vibrazione di una corda della chitarra: la parte centrale vibra mentre le estremità sono fisse. I punti fissi in cui la vibrazione è nulla (l’ampiezza è zero) sono chiamati nodi. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Onde stazionarie su una corda di chitarra Copyright © 2008 Zanichelli editore Le sole onde che possono formarsi sono quelle in cui la semilunghezza d’onda è ripetuta esattamente un numero intero di volte. In forma matematica, indicando con L la lunghezza della corda, λ la lunghezza d’onda e n un numero intero: 2 Ln o in funzione della lunghezza d' onda : 2L n 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Per la meccanica quantistica l’elettrone è visualizzato non come una particella ma come un’onda stazionaria. L’onda stazionaria che corrisponde all’elettrone è chiamata funzione d’onda, ψ. Le onde hanno configurazioni diverse ognuna con la sua energia quantizzata. Copyright © 2008 Zanichelli editore Le variazioni energetiche in un atomo sono il risultato del trasferimento di un elettrone da una configurazione d’onda, con un’energia, ad un’altra configurazione, con energia differente. Schrödinger fu il primo a utilizzare con successo il concetto di natura ondulatoria per spiegare la struttura di un atomo. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Schrödinger sviluppò un’equazione le cui soluzioni fornivano le funzioni d’onda e i livelli energetici degli elettroni contenuti nell’atomo. L’ampiezza dell’onda in un determinato punto è collegata alla probabilità di trovarvi l’elettrone: Copyright © 2008 Zanichelli editore • le regioni in cui l’ampiezza è zero vengono chiamati nodi • più nodi sono presenti maggiore è il contenuto di energia Quando un atomo si trova nel suo stato più stabile (stato fondamentale) gli elettroni assumono forme d’onda con la minor energia possibile. Le funzioni d’onda relative agli elettroni atomici sono chiamate orbitali. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Gli orbitali sono caratterizzati da un insieme di tre numeri quantici: Copyright © 2008 Zanichelli editore • n = numero quantico principale Tutti gli orbitali che hanno lo stesso valore di n appartengono allo stesso livello. Il valore di n può variare da +1 a ∞. • l = numero quantico secondario Divide gli orbitali di un livello in gruppi più piccoli chiamati sottolivelli. Il valore di l può variare da 0 a (n – 1). Il valore di l può essere espresso da un codice letterale: s, p, d, f… preceduto dal valore di n. • ml = numero quantico magnetico Divide i sottolivelli in singoli orbitali. Il valore di m può variare da – l a + l. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Copyright © 2008 Zanichelli editore Insieme delle relazioni tra n, l, e ml. 8 • LE ONDE ELETTRONICHE NEGLI ATOMI SONO DETTE ORBITALI Diagramma schematico dei livelli di energia degli atomi con due o più elettroni Copyright © 2008 Zanichelli editore Sono rappresentati anche i numeri quantici che caratterizzano gli orbitali dei primi due livelli. 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.4 Lo spin dell'elettrone influenza la distribuzione degli elettroni negli orbitali Un fascio di atomi contenenti un numero dispari di elettroni viene diviso in due parti quando attraversa un campo magnetico disomogeneo. Copyright © 2008 Zanichelli editore La carica elettrica dell’elettrone in movimento genera un debole campo magnetico. 8 • LO SPIN DELL'ELETTRONE INFLUENZA LA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NEGLI ORBITALI Copyright © 2008 Zanichelli editore All’interno di un campo magnetico l’elettrone può ruotare in due sensi, orario e antiorario. Il movimento rotatorio è noto come spin dell’elettrone ed è descritto dal numero quantico di spin ms che può assumere due valori +½ o - ½. Lo spin dell’elettrone è un fattore importante che influenza la distribuzione elettronica. 8 • LO SPIN DELL'ELETTRONE INFLUENZA LA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NEGLI ORBITALI Il Principio di esclusione di Pauli dice che nello stesso atomo non possono esistere due elettroni che abbiano gli stessi valori dei quattro numeri quantici Due elettroni che occupano lo stesso orbitale devono avere spin opposto (elettroni appaiati). Le sostanza i cui atomi hanno tutti gli elettroni appaiati sono diamagnetiche, non vengono cioè attratte da un magnete. Copyright © 2008 Zanichelli editore Le sostanza i cui atomi presentano elettroni spaiati, sono paramagnetiche, presentano cioè una debole attrazione verso un campo magnetico. 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.5 La configurazione elettronica dello stato fondamentale Copyright © 2008 Zanichelli editore La distribuzione degli elettroni all’interno degli orbitali di un atomo viene detta struttura elettronica o configurazione elettronica. Per indicare la configurazione elettronica di un atomo nel suo stato fondamentale possiamo: 1) Riportare i sottolivelli che contengono gli elettroni e indicare il numero degli elettroni con un indice accanto alla lettera. Esempio H 1s1 He 1s2 2) Rappresentare ciascun orbitale con un cerchio e gli elettroni da frecce orientate verso l’alto o verso il basso per indicare spin opposti. Esempio H He 8 • LO SPIN DELL'ELETTRONE INFLUENZA LA DISTRIBUZIONE DEGLI ELETTRONI NEGLI ORBITALI Regola di Hund: quando gli elettroni devono essere disposti in una serie di orbitali di uguale energia, si occupa il maggior numero di orbitali possibili per avere il minor numero di elettroni appaiati. Copyright © 2008 Zanichelli editore Per gli elementi del secondo periodo si avranno, in base al principio di Pauli e alla regola di Hund, i seguenti diagrammi orbitalici: 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.6 Le configurazioni elettroniche spiegano l'organizzazione della tavola periodica Copyright © 2008 Zanichelli editore La configurazione elettronica spiega la struttura della tavola periodica. La tavola periodica è suddivisa in regioni formate da 2, 6, 10 e 14 colonne che corrispondono al numero di elettroni che possono occupare rispettivamente i sottolivelli s, p, d, e f. 8 • LE CONFIGURAZIONI ELETTRONICHE SPIEGANO L'ORGANIZZAZIONE DELLA TAVOLA PERIODICA Per gli elementi rappresentativi gli elettroni che influenzano le proprietà chimiche sono quelli del livello più esterno. Il livello più esterno, chiamato livello di valenza, è sempre quello con il più alto valore di n, e gli elettroni del livello di valenza sono detti elettroni di valenza. Per gli elementi rappresentativi lo strato di valenza è sempre costituito dai sottolivelli s e p che si incontrano lungo il periodo dell’elemento considerato Copyright © 2008 Zanichelli editore Esempio: la configurazione del livello di valenza del bromo è Br 4s24p5 8 • LE CONFIGURAZIONI ELETTRONICHE SPIEGANO L'ORGANIZZAZIONE DELLA TAVOLA PERIODICA Esistono alcune eccezioni Copyright © 2008 Zanichelli editore Elemento Configuraz ione elettronic a prevista sperimenta le Cr [Ar]3d 4 4s 2 [Ar]3d 5 4s1 Cu [Ar]3d 9 4s 2 [Ar]3d 1 0 4s1 Ag [Kr]4 d 9 5s 2 [Kr]4 d 1 05s1 Cu [Xe]5d 9 6s 2 [Xe]5d 1 06s1 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.7 Dove l'elettrone passa il suo tempo La posizione di un elettrone può essere descritta in termini di probabilità statistica. Copyright © 2008 Zanichelli editore Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che non è possibile conoscere simultaneamente la posizione e la velocità di un elettrone. Il principio di indeterminazione ci costringe a parlare in termini di probabilità di trovare un elettrone in una determinata regione dello spazio. Questa probabilità è spesso rappresentata come una nube elettronica distribuita intorno al nucleo. 8 • DOVE L'ELETTRONE PASSA IL SUO TEMPO Distribuzione della densità elettronica nell’orbitale 1s. La probabilità di trovare l’elettrone varia con la distanza dal nucleo. La densità elettronica descrive la quantità di carica elettrica dovuta all’elettrone presente in un dato volume. Copyright © 2008 Zanichelli editore La densità elettronica varia da zona a zona. 8 • DOVE L'ELETTRONE PASSA IL SUO TEMPO Le variazioni della densità elettronica definiscono la forma, le dimensioni e l’orientamento degli orbitali. Dimensioni relative degli orbitali s. Copyright © 2008 Zanichelli editore All’aumentare di n gli orbitali diventano più grandi. I nodi, zone a densità elettronica zero, compaiono a partire dall’orbitale 2s. 8 • DOVE L'ELETTRONE PASSA IL SUO TEMPO Gli orbitali p sono differenti dagli orbitali s. La densità elettronica è distribuita simmetricamente in due regioni opposte rispetto al nucleo. Copyright © 2008 Zanichelli editore Distribuzione della densità elettronica in un orbitale p: 8 • DOVE L'ELETTRONE PASSA IL SUO TEMPO Un sottolivello p è costituito d atre orbitali di uguale energia. Copyright © 2008 Zanichelli editore La massima densità elettronica si distribuisce lungo i tre assi perpendicolari tra loro. Gli orbitali vengono designati come px, py, e pz 8 • DOVE L'ELETTRONE PASSA IL SUO TEMPO La forma e l’orientamento degli orbitali d sono più complessi di quelli degli orbitali p Copyright © 2008 Zanichelli editore Forma e proprietà direzionali dei cinque orbitali d di un sottolivello d. Gli orbitali f sono ancora più complessi. 8 • LA STRUTTURA DELL’ATOMO 8.8 Le proprietà degli atomi dipendono dalla loro configurazione elettronica La carica nucleare effettiva è la quantità positiva di carica “sentita” dagli elettroni esterni. Dipende dalla differenza tra la carica complessiva del nucleo e quella degli elettroni del core. Copyright © 2008 Zanichelli editore La carica nucleare effettiva influenza parecchie proprietà. I due elettroni del core del litio (1s2) schermano due delle tre cariche positive del nucleo. L’elettrone esterno “sente” quindi una carica positiva netta, +1. 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Copyright © 2008 Zanichelli editore Le dimensioni degli atomi aumentano dall’alto verso il basso poiché il valore di n aumenta scendendo nel gruppo e diventano sempre più piccoli da sinistra a destra per l’aumento della carica nucleare effettiva. Variazione dei raggi atomici e ionici 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Copyright © 2008 Zanichelli editore Le dimensioni degli ioni sono correlate a quelle degli atomi neutri ma: • gli ioni positivi sono sempre più piccoli degli atomi da cui derivano • gli ioni negativi sono sempre più grandi degli atomi da cui derivano L’acquisto di elettroni comporta un aumento delle dimensioni della particella (fluoro). La perdita di elettroni comporta una riduzione delle dimensioni della particella (litio e ferro). 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA L’energia di ionizzazione (EI) è l’energia necessaria per allontanare un elettrone da un atomo o da uno ione gassoso nel suo stato fondamentale. X (g) X (g) e Gli atomi con più elettroni hanno molteplici valori di EI. Copyright © 2008 Zanichelli editore L’energia di ionizzazione aumenta dal basso verso l’alto in un gruppo e da sinistra a destra in un periodo. 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Copyright © 2008 Zanichelli editore Variazione dell’energia di prima ionizzazione nella tavola periodica. Gli elementi che possiedono la maggior energia di ionizzazione sono in alto a destra. Quelli con minor ionizzazione sono invece in basso a sinistra. Copyright © 2008 Zanichelli editore Energie di ionizzazione (kJ/mol) 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Variazione delle successive energie di ionizzazione. È particolarmente difficile intaccare la configurazione elettronica del core che corrisponde a quella di un gas nobile. 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA L’affinità elettronica (AE) è la variazione di energia potenziale dovuta all’aggiunta di un elettrone a un atomo o a uno ione gassoso nel suo stato fondamentale. X (g) e X (g) L’addizione di un elettrone ad un atomo neutro è un processo esotermico per quasi tutti gli atomi. Copyright © 2008 Zanichelli editore L’addizione di ulteriori elettroni richiede energia. 8 • LE PROPRIETÀ DEGLI ATOMI DIPENDONO DALLA LORO CONFIGURAZIONE ELETTRONICA Consideriamo l’addizione di e- ad un atomo di O. EA(kJ/mol) O(g) e- O- (g) - 141 O- (g) e- O2- (g) 844 O(g) 2e- O2- (g) 703 Copyright © 2008 Zanichelli editore In generale l’affinità elettronica: • aumenta da sinistra a destra nel periodo • aumenta dal basso verso l’alto nel gruppo
