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La chimica studia composizione e trasformazioni della materia Classificazione della materia Figura 1-7 Schema di classificazione della materia. Sodio, cloro e cloruro di sodio Due miscele Due allotropi del carbonio Figura 2-2 Modelli in scala approssimativa delle molecole diatomiche di alcuni elementi. Legge di Lavoisier In una trasformazione chimica la massa dei reagenti eguaglia la massa dei prodotti Alcuni aspetti della teoria atomica di Dalton 1. Elementi costituiti da minuscoli atomi 2. Gli atomi sono caratterizzati dalla loro massa; atomi di uno stesso elemento hanno stessa massa e stesse proprietà 3. In una reazione chimica nessun atomo si trasforma in un altro 4. I composti si formano dalla combinazione di 2 o più elementi La legge delle proporzioni multiple è una legge chimica ricavata sperimentalmente da John Dalton, secondo la quale quando due elementi si combinano per formare diversi composti, le masse di un elemento che si combinano con una data massa dell'altro stanno tra loro in un rapporto che si può esprimere con numeri interi piccoli Quindi ogni elemento non può entrare a fare parte un composto se non secondo multipli interi di una quantità piccola costante e indivisibile: l'ATOMO Studiando masse di molecole allo stato gassoso e i rapporti tra diverse masse molecolari è stato definito il peso atomico (PA): PA di un elemento è dato dalla più piccola quantità in peso con cui l’elemento si ritrova nei pesi molecolari dei suoi vari composti. Peso molecolare (PM)= somma pesi atomici dei diversi atomi della molecola Avogadro trova che volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di P e T contengono lo stesso numero di molecole Numero di avogadro N=6,022 .1023 Mole =quantità di sostanza contenente un numero di Avogadro di particelle (6,022. 1023) Massa molare= massa in g di una mole (PM per le molecola) Volume molare= volume occupato da una mole di gas (uguale per tutti nelle stesse condizioni di P e T) I pesi molecolari e atomici sono pesi relativi e quindi adimensionali, in passato riferiti al peso dell’H posto uguale ad 1 L'atomo di idrogeno ha soltanto un elettrone e le sue dimensioni sono di circa la metà di quelle dell'atomo di carbonio che comprende ben 12 elettroni. In generale il peso degli atomi è multiplo di quello dell'atomo di idrogeno. Per convenzione però l’unità di peso atomico è posta uguale a 1/12 del peso del C 12 (uma) Alla fine del XIX secolo le conoscenze nel campo della fisica e della chimica erano tali da permettere una conoscenza più approfondita della struttura dell’atomo. Le esperienze di Faraday (1791-1867) sull’elettrolisi avevano dimostrato la presenza di particelle cariche negativamente. Di conseguenza, essendo l’atomo neutro, esso doveva contenere una quantità uguale di particelle cariche positivamente Dopo la scoperta dell’elettrone, Thomson propose un modello atomico basato sul concetto di una sfera uniforme di cariche positive nella quale gli elettroni erano distribuiti uniformemente Teoria di Thompson • L´atomo è una sfera. In essa la carica positiva è distribuita uniformemente mentre gli elettroni si trovano dispersi all´interno della sfera come i semi in una anguria. La carica dell’atomo è globalmente neutra. Questo modello fu superato dagli esperimenti di Rutherford. Esperimento di Rutherford Una sorgente radioattiva sparava un fascio di particelle alfa (42He2+), contro una sottilissima lamina d'oro (le particelle alfa hanno una massa molto più piccola di un atomo d'oro). Attorno alla lamina d'oro era stato disposto uno schermo ricoperto di solfuro di zinco, in modo che le particelle alfa colpendo lo schermo, lasciassero tracce microscopiche nel solfuro di zinco. Secondo la teoria per cui gli atomi sono sfere permeabili neutre, ci si aspettava che le particelle alfa, dotate di alta energia, non avessero problemi a sfrecciare attraversando qualche atomo. Le particelle alfa avrebbero dovuto semplicemente passare dritte attraverso la lamina d'oro e lasciare delle tracce in una piccola regione dello schermo posto dietro la lamina. Rutherford scrisse nei suoi appunti di laboratorio: “era come se si sparasse con un cannone contro un foglio di carta e il proiettile rimbalzando colpisse lo sperimentatore” Anche se la maggior parte delle particelle alfa era deviata solo di poco rispetto alla traiettoria iniziale, alcune erano molto deviate e pochissime addirittura rimbalzavano indietro, nella direzione da cui provenivano. Era noto che cariche elettriche dello stesso tipo provocavano una significativa deviazione di ''proiettili " molto più pesanti. Secondo Rutherford l’atomo era come un sistema planetario con il nucleo al posto del sole e gli elettroni al posto dei pianeti. Un tale modello, tuttavia, costituiva un atomo instabile. Infatti, il modello di nucleo centrale ed elettroni ruotanti su orbite esterne non poteva essere spiegato con le leggi della fisica classica in quanto l’elettrone, nella sua rotazione intorno al nucleo, dovrebbe perdere energia e quindi cadere sul nucleo. La materia è costituita da atomi. Un atomo è composto da un nucleo elettricamente carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno. Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica. La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone (1,67 10-24g) ed entrambi sono circa 2000 volte più pesanti di un elettrone (9,1 10-28g). E' per questo che sono gli elettroni che si muovono attorno al nucleo (molto più pesante) e non viceversa. Il nucleo è molto pesante e "concentrato" mentre gli elettroni sono molto leggeri e mobili. Raggio atomico~10-10m = 1 Å ; raggio nucleare ~10-14-10-15m Quindi l’atomo è come un volume vuoto con un nucleo ad altissima densità (1014g/ml) La materia, anche se appare densa e "dura", è in effetti praticamente vuota. Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni che costituiscono il nucleo. Essendo dette cariche di valore uguale (a parte il segno), un atomo è normalmente elettricamente neutro. Se, facendo le proporzioni, consideriamo il nucleo grande come una mela, gli elettroni si muovono attorno ad una distanza pari a circa un chilometro. Questo fatto è di estrema importanza e se, in qualche modo, eliminassimo tutto questo spazio, riusciremmo a "compattare" tutta la massa in uno spazio molto piccolo raggiungendo densità enormi. Questo è ciò che succede nei buchi neri e nelle stelle di neutroni in cui tutta la enorme massa di una stella viene compattata in uno spazio di pochi chilometri cubi. Un atomo è quindi composto da un nucleo formato da nucleoni (protoni e neutroni) e da elettroni (in egual numero dei protoni, quando l'atomo è elettricamente neutro) che gli ruotano attorno. Ogni atomo è indicato da una sigla e da due numeri : il numero atomico (il numero dei protoni identico al numero degli elettroni) indicato in basso vicino al simbolo dell’elemento ed il numero di massa (il numero dei nucleoni, ovvero dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo) indicato in alto. Un atomo può esistere in natura con un ugual numero atomico ma diverso numero di massa. Simili atomi sono detti isotopi ed hanno le stesse proprietà chimiche (cioè di creare composti, molecole, dalle stesse proprietà). Esistono isotopi stabili e radioattivi, le diverse quantità sono espresse come abbondanza % Un modello di nucleo centrale ed elettroni ruotanti su orbite esterne non poteva essere spiegato con le leggi della fisica classica. Quando una sostanza viene eccitata (per esempio per riscaldamento) essa emette delle radiazioni producendo uno spettro di emissione. Se invece una sostanza viene fatta attraversare da un fascio di luce bianca, parte delle radiazioni viene assorbita e le rimanenti radiazioni danno luogo ad uno spettro di assorbimento. L’ esistenza degli spettri atomici a righe non era spiegabile tramite i modelli atomici di Thomson e Rutherford. Nel 1913 Niels Bohr, adattando il concetto della quantizzazione dell’energia al modello classico di Rutherford, propose un nuovo modello atomico che permise di ricavare esattamente i dati spettrali dell’atomo d H Ogni linea spettrale corrisponde alla l relativa alla energia emessa, e lo spettro è l’impronta digitale dei vari elementi. Bohr scrisse equazioni del moto dell’e- per H secondo orbite circolari a raggi discreti ed E quantizzate (ogni orbita corrispondeva a un preciso livello energetico dell’elettrone). Gli elettroni potevano passare solo da un’orbita all’altra, ma le leggi della fisica classica non spiegavano la stabilità dell’atomo anche dopo il miglioramento con le orbite ellittiche di Sommerfield. Il modello di Bohr invece applicava la meccanica classica all´elettrone come se si trattasse di una pallina da tennis in moto. Si dovette passare alla meccanica quantistica per spiegare e descrivere meglio il moto degli elettroni. DUALISMO ONDA PARTICELLA Nel 1924 il fisico francese De Broglie ipotizzò che anche le particelle materiali potessero avere un comportamento dualistico, cioè potevano comportarsi come corpuscoli o come onde a seconda delle condizioni sperimentali Anche gli elettroni come le radiazioni elettromagnetiche hanno natura corpuscolare e ondulatoria Ad ogni particella di massa m in movimento a velocità v è associata un´onda l= h/mv Relazione di De Broglie Tale relazione vale per tutta la materia ma è evidenziabile solo per le particelle microscopiche. Per descrivere il moto di una particella occorre conoscere i valori della sua posizione e della sua velocità in qualsiasi istante Nel 1927 Heisenberg dimostrò che non è possibile determinare con sufficiente precisione la posizione ela velocità di una particella enunciando il suo famoso principio. Principio di indeterminazione di Heisenberg È impossibile determinare esattamente, ad un dato istante, la posizione di una particella avente massa della ordine di grandezza di un elettrone e la sua velocità, in quanto la relazione che lega le incertezze sulla posizione e sul prodotto velocità x massa (quantità di moto p) della particella è: DxDp= h/4p con h = costante di Planck = 6,6252 * 10-27 erg s = 6,6257*10-34J*s. I risultati di Heisenberg e De Broglie: Sanciscono che il metodo con il quale sino ad allora era stato studiato l’ atomo era inappropriato, ed aprono pertanto la strada alla meccanica ondulatoria. L’equazione ondulatoria: di Schroedinger basata sulla meccanica È una funzione matematica il cui quadrato indica la probabilità che l´elettrone ha di trovarsi in un determinato volume unitario dello spazio. Essa deve rispondere ai 3 seguenti requisiti : normalizzazione la probabilità totale (estesa a tutto lo spazio) di trovare un elettrone è massima 100% . univocità in ogni punto dello spazio è plausibile un solo valore della funzione d´onda. limitatezza in nessun punto la densità di probabilità può essere infinita. Soluzione di Schroedinger del tipo n,l,m (funzione d’onda) con tre numeri correlati tra loro detti numeri quantici. Soluzione precisa solo per l’atomo di H il n° quantico n (1,2,3…): Identifica una distanza dal nucleo detta raggio di Bohr per la quale l´energia dell’elettrone assume un determinato valore. Per n = 1 l´energia è minima, negativa ed è lo stato a cui tutti gli elettroni tendono, essendo il più stabile. Per n = ∞ l´energia è massima e pari a 0 in quanto l´elettrone si trova a distanza infinita dal nucleo. Il n° quantico l (0,…..n-1): È in relazione con energia e forma della regione di spazio occupata dall’elettrone Il n° quantico m (-l, 0,+l): Influenza gli orientamenti spaziali delle superfici limitanti le regioni di spazio a maggiori probabilità di trovare e-. ORBITALE È una funzione d´onda che rispetta le 3 restrizioni ed alla quale sono stati assegnati valori plausibili per i 3 numeri quantici. Ogni orbitale è indicato con numero (corrispondente ad n) e una lettera (dipendente da l) e rappresenta la regione di spazio che racchiude 90-95% di probabilità di trovare e-. GUSCIO o STRATO È l´insieme degli orbitali aventi lo stesso numero quantico principale. Gli orbitali s e p. Esempi di orbitali per l'atomo di idrogeno dove maggiore luminosità significa maggiore probabilità di trovare l'elettrone (in sezione) : Orbitale s Orbitale dxy orbitali p orbitaledyz Orbitale dxz Orbitale dx2y2 Orbitale dz2 Nel complesso l'atomo dovrebbe apparire in questo modo Negli atomi polielettronici si applica una soluzione approssimata dell’equazione di Schrodinger. L’atomo viene descritto con gli stessi orbitali indicati come ns, np, nd e all’aumentare della carica nucleare Z diminuisce la distanza dell’elettrone dal nucleo e diminuisce l’energia dell’orbitale. Negli atomi polielettronici superfici limite degli orbitali + contratte perchè disposte più vicine al nucleo All’aumentare del numero di elettroni si abbassano i corrispondenti livelli energetici in modo differente per i diversi orbitali in funzione della carica nucleare, cioè del numero atomico. Principi che regolano il riempimento degli orbitali atomici : a) Il principio di esclusione di Pauli secondo il quale gli elettroni di un atomo non possono essere caratterizzati dagli stessi numeri quantici, pertanto ogni orbitale può accogliere al massimo 2 elettroni con spin antiparalleli. b) il principio della massima molteplicità di Hund secondo il quale gli elettroni tendono a collocarsi con spin paralleli nel massimo di orbitali disponibili piuttosto che disporsi a 2 a 2 nel minimo numero di orbitali, il motivo è dovuto alla repulsione elettrostatica che rende la 1ª configurazione fattibile con energia minore. Questo naturalmente ha senso laddove si è in presenza di orbitali degeneri cioè con lo stesso livello energetico. Aufbau Inserimento a uno a uno degli e- negli orbitali di E via via crescente tenendo conto dei due principi precedenti Si realizza così un sistema di minima energia chiamato stato fondamentale di un atomo Disposizione dei sottolivelli di energia degli elettroni secondo l’ordine crescente di energia Fino al numero atomico 18 (argon) si riempiono gli orbitali 3s e 3p. Per il K (Z=19) e il Ca (Z=20) dopo il 3p6 si riempie il 4s. Poi inizia la prima serie di transizione caratterizzata dal riempimento ritardato degli orbitali 3d. Ad esempio, per il Cr (Z= 24) si ha 3d54s1 e non 3d44s2 in quanto si rivelano stabili le configurazioni contenenti orbitali pieni e semipieni. •Le energie degli elettroni 4s sono minori di quelle dei 3d nella fase iniziale del riempimento, a causa della loro maggiore penetrazione verso il nucleo rispetto ai 3d. •Con l’aumentare di Z (da Z=21) che esercita un effetto di contrazione maggiore sugli orbitali esterni 3d che non sull’orbitale 4s, le capacità penetranti di quest’ultimo diminuiscono e aumenta l’influenza di n nel determinare l’energia del sistema. I dieci elementi più abbondanti sulla crosta terrestre: Ossigeno, Silicio, Alluminio, Idrogeno, Sodio, Ferro, Magnesio, Calcio, Zolfo, Potassio, Titanio. Silicio, ossigeno e alluminio sono i costituenti fondamentali della crosta terrestre formando composti detti silicati Elementi nel corpo umano: Idrogeno, Ossigeno, Carbonio, Azoto, Calcio, Zolfo, Fosforo, Sodio, Potassio, Cloro, Magnesio, Ferro, Zinco, Rame, Stagno, Manganese, Iodio, Molibdeno, Cobalto, Vanadio. Gli esseri viventi, uomo compreso, sono formati da composti del carbonio: proteine, zuccheri, grassi, acidi nucleici. La tavola periodica degli elementi è stata ideata dal chimico russo nel 1869, e, in modo indipendente, dal chimico tedesco Meyer (1830-1895).La tavola presentava in principio numerosi spazi vuoti, previsti per gli elementi che sarebbero stati scoperti in futuro, alcuni dei quali nella seconda metà del Novecento. Elementi dei gruppi rappresentativi Elementi di transizione La linea rossa divide i metalli (in basso a sinistra) da i non metalli (in alto a destra) Elementi biologicamente importanti ed elementi altamente tossici Elementi molecolari e loro stati fisici a T ambiente Aumenta Z Aumenta n Energia di ionizzazione (I)= energia da somministrare perché un atomo gassoso isolato perda un elettrone esterno dando uno ione positivo Può esistere una prima (I1) ed una seconda (I2) energia di ionizzazione, dove I2> I1 I valori + alti di I li hanno i gas nobili, i più bassi i metalli del gruppo 1, che colpiti da radiazioni luminose possono emettere eAffinità elettronica = energia liberata da un atomo neutro gassoso isolato quando acquista un elettrone dando uno ione negativo Aumenta la carica Nell’ambito dei periodi, l’affinità nucleare e diminuisce cresce per raggiungere il ilelettronica raggio atomico massimo per gli alogeni. Nell’ambito dei gruppi, l’affinità elettronica diminuisce dall’alto verso il basso perché gli elettroni vengono addizionati a distanze sempre maggiori dal nucleo per cui l’attrazione diminuisce Gli elementi che hanno tendenza a perdere elettroni di valenza per dare ioni positivi (elementi elettropositivi) cioè hanno basse energie di ionizzazione sono metalli. Gli elementi elettronegativi con alta affinità elettronica sono non metalli. Gli elementi con carattere intermedio sono semimetalli Elettronegatività Tendenza di un atomo ad attirare verso se gli elettroni che condivide con un altro atomo a cui è legato
