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6. Gli atomi, i
legami e le
reazioni
6.1 L’atomo è
costituito da particelle
Particelle subatomiche • 1
•
•
Gli atomi sono formati da particelle:
–
Elettroni
–
Protoni
–
Neutroni
Ogni atomo contiene un nucleo, cioè
una zona piccola e densa in cui sono
confinati protoni e neutroni.
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4
Particelle subatomiche • 2
I nuclei di idrogeno, elio e litio.
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5
Particelle subatomiche • 3
Le particelle fondamentali che compongono l’atomo
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6
6.2 Il numero atomico
identifica l’elemento
chimico
La struttura dell’atomo • 1
1. Le particelle del nucleo (protoni e
neutroni) occupano uno spazio
enormenente ridotto rispetto al
volume totale dell’atomo.
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8
La struttura dell’atomo • 2
2. L’atomo ha una struttura
essenzialmente vuota, nella quale si
muovono gli elettroni, la cui massa è
praticamente trascurabile.
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9
La struttura dell’atomo • 3
Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si
chiama numero atomico (Z). Per un atomo neutro questo
numero è uguale a quello degli elettroni.
Questo numero è caratteristico di ogni elemento.
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La struttura dell’atomo • 4
L’idrogeno ha Z=1. La maggior parte degli atomi H non
contiene neutroni. In piccola percentuale, tuttavia,
troviamo anche atomi di idrogeno con uno o due neutroni.
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La struttura dell’atomo • 5
Atomi dello stesso elemento
con un numero di neutroni
diverso si chiamano isotopi.
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La struttura dell’atomo • 6
•
Il numero di neutroni presenti nel
nucleo non influenza le proprietà
chimiche dell’elemento.
•
Gli isotopi hanno invece proprietà
fisiche diverse, ad esempio la massa.
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La struttura dell’atomo • 7
Il numero di massa (A) è definito come:
A = numero protoni + numero neutroni = Z + n°
Quindi il numero dei neutroni è: n° = A - Z
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6.3 La regola
dell’ottetto aiuta a
capire perché si
formano i legami
Struttura elettronica • 1
Il modo in cui un atomo tende a
legarsi ad altri atomi dipende
dal numero e dalla disposizione
dei suoi elettroni.
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Struttura elettronica • 2
•
In un atomo solo alcuni valori di energia
(livelli energetici) sono permessi per
gli elettroni.
•
Quanto più è alta l’energia di un
elettrone, tanto maggiore è la sua
probabile distanza dal nucleo.
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Struttura elettronica • 3
•
Un atomo ha maggior stabilità quando i
suoi elettroni si trovano nei livelli
energetici più bassi. Perciò il primo
livello è riempito prima del secondo, il
secondo prima del terzo…
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Struttura elettronica • 4
•
Il primo livello può contenere al
massimo due elettroni, il secondo e il
terzo livello ne possono contenere
otto ciascuno.
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Struttura elettronica • 5
•
Lungo ogni gruppo della tavola
periodica si trova lo stesso numero di
elettroni nel livello più esterno
(strato di valenza).
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Struttura elettronica • 6
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Struttura elettronica • 7
•
Gli elementi del gruppo I hanno un
solo elettrone di valenza, quelli del
gruppo II ne hanno due, quelli del
gruppo III ne hanno tre, etc.
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Struttura elettronica • 8
•
Gli atomi del gruppo VIII (i gas
nobili) hanno otto elettroni di valenza
(eccetto l’elio che ne ha due) e sono
tutti chimicamente inerti.
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Struttura elettronica • 9
Regola dell’ottetto:
Un atomo è particolarmente
stabile quando ha otto elettroni
nello strato di valenza.
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Struttura elettronica • 10
L’idrogeno (con un solo elettrone) , il
litio (con tre elettroni) e il berillio (con
quattro elettroni) tendono invece ad
assumere la configurazione elettronica
dell’elio (che ha due elettroni)
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6.4 I principali legami
sono il covalente e lo
ionico
Il legame chimico
•
Formando un legame chimico
(covalente o ionico) gli atomi cercano
di raggiungere la configurazione
elettronica più stabile, mettendo in
comune, cedendo o acquistando
elettroni fino a completare un livello
elettronico.
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Il legame covalente • 1
•
Il legame covalente si forma quando
due atomi mettono in comune una
coppia di elettroni. Ciascun elettrone
proviene da uno dei due atomi.
•
Un insieme di atomi legati tra loro con
legami covalenti è una molecola.
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Il legame covalente • 2
Due atomi separati
si avvicinano e
formano il legame
covalente.
Nel legame covalente
due elettroni sono
condivisi e attratti dai
nuclei positivi di
entrambi gli atomi.
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Il legame covalente • 3
L’atomo di cloro ha sette elettroni nello strato più esterno
(indicati come puntini nella rappresentazione di Lewis).
Nella molecola due elettroni appartengono sia all’atomo di
destra sia a quello di sinistra, che hanno così otto elettroni
esterni ciascuno.
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Il legame covalente • 4
•
Se gli atomi appartengono allo stesso
elemento o a elementi che hanno
caratteristiche chimiche molto simili,
gli elettroni sono condivisi in modo
perfettamente equilibrato e si ha il
legame covalente puro.
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Il legame covalente • 5
•
Se gli atomi appartengono a elementi
differenti e con caratteristiche
chimiche piuttosto diverse, gli
elettroni sono più vicini all’atomo che li
attrae con più forza. Si ha così il
legame covalente polare.
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Il legame covalente • 6
I legami covalenti sono disegnati con trattini che collegano
i simboli degli atomi coinvolti.
Un trattino significa che c’è un solo legame (legame
semplice), due trattini invece che vi è un doppio legame,
tre che vi è un triplo legame.
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Il legame ionico • 1
•
Se gli atomi che si legano hanno
caratteristiche nettamente diverse,
con uno dei due che attrae gli elettroni
molto più fortemente dell’altro, si avrà il
completo trasferimeto di elettroni da
un atomo all’altro.
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Il legame ionico • 2
•
L’atomo che perde gli elettroni di
legame diventa ione positivo, quello
che li acquista diventa ione negativo.
•
I due ioni sono legati da una intensa
forza di attrazione elettrostatica, detta
legame ionico.
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Il legame ionico • 3
La regola dell’ottetto viene rispettata nella formazione
del legame ionico.
Il sodio raggiunge la configurazione elettronica del gas
nobile che lo precede nella tavola periodica (Ne), il cloro
raggiunge quella del gas nobile che lo segue (Ar).
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6.5 Durante le
reazioni si rompono e
si formano legami
Le reazioni chimiche • 1
•
In una reazione chimica si rompono
uno o più legami che costituiscono i
reagenti e si formano nuovi legami per
formare i prodotti.
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Le reazioni chimiche • 2
reazione
Ad esempio se bruciamo idrogeno gassoso in presenza di
ossigeno, anch’esso gassoso, otteniamo l’acqua:
H2 (g) + O2 (g) → H2O (l)
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Le reazioni chimiche • 3
•
La rottura di legami nei reagenti e la
formazione di legami nei prodotti
avvengono attraverso scambi di
energia con l’ambiente.
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40
Le reazioni chimiche • 4
Perché la legge di conservazione della massa sia
rispettata, è necessario bilanciare la reazione,
introducendo i coefficienti stechiometrici. Gli indici numerici
delle formule devono invece restare inalterati.
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Le reazioni chimiche • 5
Durante una reazione chimica gli atomi si conservano.
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42
Le reazioni chimiche • 6
•
Nel bilanciare una reazione si devono
individuare i coefficienti minimi: ad
esempio i coefficienti 4 per H2 e 2 per
O2 e 4 per H2O garantiscono la
conservazione della massa ma non
sono i più piccoli possibile.
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43
Le reazioni chimiche • 7
•
Le tappe per scrivere correttamente
un’equazione di reazione sono:
1.
stabilire quali sono reagenti e prodotti;
2.
scrivere le loro formule corrette: gli indici
numerici non possono essere modificati;
3.
bilanciare lo schema di reazione introducendo i
coefficienti stechiometrici che mantengono
inalterato il numero di atomi di ogni specie.
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44
Le reazioni chimiche • 8
•
Esempio: i dati sperimentali dicono che
il mercurio a 300°C reagisce con
l’ossigeno gassoso per formare
l’ossido di mercurio(II), HgO, un
solido di colore rosso…
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Le reazioni chimiche • 9
1. I reagenti sono il mercurio liquido e
l’ossigeno gassoso, il prodotto è
l’ossido di mercurio.
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46
Le reazioni chimiche • 10
2. Il mercurio è un elemento e il suo
simbolo è Hg. L’ossigeno gassoso è
costituito da molecole biatomiche O2.
La formula dell’ossido di mercurio(II) è
HgO. Lo schema di reazione è:
Hg (l) + O2 (g) →HgO (s)
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47
Le reazioni chimiche • 11
3. Hg (l) + O2 (g) →HgO (s)
non è bilanciata.
Bilanciamento dell’ossigeno:
Hg (l) + O2 (g) → 2 HgO (s)
Bilanciamento del mercurio:
2 Hg (l) + O2 (g) → 2 HgO (s).
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Le reazioni chimiche • 12
•
Non è possibile dare istruzioni precise
per il bilanciamento di una reazione: i
coefficienti stechiometrici vanno
introdotti in successione fino a che il
numero di atomi di ogni specie coincide
da una parte e dall’altra della freccia.
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Le reazioni chimiche • 13
•
Possiamo seguire tre semplici regole:
1.
bilanciare per primi gli atomi dei metalli e dei
non metalli;
2.
se compaiono ioni poliatomici (ad es. SO42-)
bilanciarli come gruppo di atomi;
3.
bilanciare per ultimi gli atomi di idrogeno e di
ossigeno.
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Le reazioni chimiche • 14
•
Bilanciamento della reazione:
H3PO4 + Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + H2O
1.
Bilanciamo il calcio:
H3PO4 + 3 Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + H2O
2.
Bilanciamo lo ione PO43- :
2 H3PO4 + 3 Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + H2O
3.
Bilanciamo gli atomi di idrogeno e ossigeno:
2 H3PO4 + 3 Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 6 H2O
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