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CAPITOLO Gli elettroni nell’atomo e il sistema periodico 6 Indice 1. La luce come onda 2. Gli spettri di emissione degli atomi 3. Il modello di Bohr dell’atomo d’idrogeno 4. Il modello atomico a strati 5. Elettroni nei sottolivelli (il modello a orbitali) 6. Configurazione elettronica con il modello a orbitali 7. La tavola periodica di Mendeleev 8. La tavola periodica moderna 9. Energia di ionizzazione 10. I gruppi della tavola periodica 11. I periodi © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 1 1 La luce come onda CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO La luce, secondo la teoria classica, è un movimento ondulatorio di un campo elettrico e di un campo magnetico che si propagano nello spazio. La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2 CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO 1 La luce come onda E IL SISTEMA PERIODICO I parametri che caratterizzano un’onda elettromagnetica sono: La lunghezza d’onda () si misura in nm. La frequenza () si misura in secondi1 o in hertz (hz). L’ampiezza (A). La velocità (c) nel vuoto è pari a 3,0 108 m/s. c= = c da cui = c Pertanto e sono grandezze inversamente proporzionali. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 3 1 La luce come onda CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO I colori che costituiscono i componenti della luce visibile sono evidenziati con il fenomeno noto come “dispersione della luce”. Dispersione della luce bianca: si ha formazione di uno spettro continuo. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 4 1 La luce come onda CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO La luce visibile rappresenta solo una piccola porzione dello spettro elettromagnetico. Lunghezza d’onda e frequenza dello spettro elettromagnetico. Il visibile costituisce una piccola parte compresa tra 400 nm e 750 nm. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 5 2 CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO Gli spettri di emissione degli atomi E IL SISTEMA PERIODICO Gli atomi delle sostanze gassose emettono radiazioni di lunghezza d’onda definita e costante. Gli atomi d’idrogeno emettono uno spettro caratteristico a righe nella zona del visibile. 800 700 600 550 500 450 400 Spettro a righe di emissione dell’atomo di idrogeno su una lastra fotografica delle righe di Balmer, le sole visibili a occhio nudo. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 6 3 Il modello di Bohr dell’atomo d’idrogeno CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Le linee nere rappresentano i salti elettronici che si possono verificare in un insieme di atomi d’idrogeno in seguito ad assorbimento di energia. Le linee colorate rappresentano le radiazioni luminose che un insieme di atomi d’idrogeno può emettere nel visibile (righe di Balmer). Bohr, nel 1913, postulò che: nell’atomo d’idrogeno l’elettrone si muove attorno al nucleo in orbite circolari di determinata energia (energia quantizzata); finché l’elettrone si muove in un’orbita permessa non emette energia; quando un elettrone assorbe energia passa da un’orbita ad un’altra ad energia maggiore; segue © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 7 3 Il modello di Bohr dell’atomo d’idrogeno CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO l’elettrone può passare da un’orbita ad un’altra ad energia minore emettendo un fotone di definita energia; l’energia di un fotone, emesso o assorbito, corrisponde alla differenza di energia tra due orbite. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 8 4 Il modello atomico a strati CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO L’energia per strappare da un atomo il primo elettrone è detta energia di 1a ionizzazione. Nel SI l’energia di ionizzazione si indica con EI ed è misurata in kJ/mol. In figura è mostrato il processo di ionizzazione del litio che presenta tre protoni e tre elettroni. ENERGIA DI IONIZZAZIONE. L’energia di 1a ionizzazione è l’energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo allo stato gassoso. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 9 4 Il modello atomico a strati CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO È possibile allontanare più di un elettrone da un atomo, ma ciò richiede una grande quantità di energia, maggiore rispetto a quella che serve per allontanare il primo elettrone. Nel caso del litio si hanno i seguenti valori: Li EI1 520 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Li+ EI2 7295 Li2+ EI3 11815 kJ/mol 10 4 Il modello atomico a strati CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Energie di ionizzazione dell’atomo di sodio Le energie di ionizzazione ci permettono di rappresentare un primo modello atomico, detto a gusci elettronici o strati, dove gli elettroni sono raggruppati in livelli di energia. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Numero di ionizzazione EI √ EI 1a 496 22,3 2a 4562 67,5 3a 6912 83,1 4a 9540 97,7 5a 13300 115 6a 16606 129 7a 20110 142 8a 25493 160 9a 28933 170 10a 141135 376 11a 159069 399 11 4 Il modello atomico a strati CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Disposizione degli elettroni nell’atomo di sodio secondo Bohr. Grafico della radice quadrata di ciascuna delle 11 energie di ionizzazione del sodio in funzione del numero di elettroni rimossi. Nell’atomo di sodio gli elettroni sono così distribuiti: 2 elettroni formano il primo livello, quello più vicino al nucleo, n = 1. 8 elettroni sono nel livello intermedio, n = 2. 1 elettrone, con la più bassa energia di ionizzazione, e pertanto più facile da allontanare, si trova nel terzo livello, n = 3. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 12 4 Il modello atomico a strati CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Disposizione degli elettroni secondo Bohr per gli atomi degli elementi aventi numero atomico tra 1 e 18. I livelli di energia, a loro volta, sono suddivisi in sottolivelli. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 13 5 Elettroni nei sottolivelli (il modello a orbitali) CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Un orbitale definisce lo spazio attorno al nucleo di un atomo in cui vi è una elevata probabilità di trovare un elettrone. Esistono 4 tipi di orbitale: s, p, d, f. Gli orbitali vengono rappresentati con dei box. Le frecce all’interno rappresentano gli elettroni. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 14 6 Configurazione elettronica con il modello a orbitali CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO La disposizione degli elettroni negli orbitali di un atomo prende il nome di configurazione elettronica. Negli atomi con più di un elettrone il riempimento degli orbitali atomici procede secondo tre regole. Regola della costruzione successiva: gli elettroni occupano prima l’orbitale s a più bassa energia e, quindi, gli orbitali che seguono ad energia crescente. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 15 6 Configurazione elettronica con il modello a orbitali CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Le frecce indicano l’ordine di riempimento degli orbitali. Si inizia dall’orbitale 1s e poi si procede seguendo le frecce verso l’alto. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 16 6 Configurazione elettronica con il modello a orbitali CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Regola del principio di esclusione di Pauli: nessun orbitale atomico può contenere più di due elettroni; questi devono avere spin opposti. Ad esempio, la configurazione elettronica dell’atomo di elio si può raffigurare con due diverse notazioni: notazione box orbitale notazione standard © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2 numero di elettroni 1s tipo di orbitale numero quantico principale 17 CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO 6 Configurazione elettronica con il modello a orbitali E IL SISTEMA PERIODICO Regola di Hund: se sono disponibili più orbitali aventi la stessa energia (orbitali diversi dello stesso sottolivello), detti orbitali degeneri, gli elettroni si dispongono uno per ciascun orbitale con la stessa direzione di spin. Configurazione elettronica dell’azoto 7N: 3s AZOTO N (Z = 7) I tre elettroni dell’orbitale 2p si dispongono secondo la regola di Hund. 2p 2s 1s © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 18 7 La tavola periodica di Mendeleev CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO La tavola periodica fu una delle grandi conquiste della chimica perché razionalizzò le numerose informazioni già note sugli elementi chimici e sui loro composti. Spetta al chimico russo Dmitrij Mendeleev il merito di aver stabilito che esiste una relazione tra le proprietà degli elementi e le masse atomiche. Disponendo gli elementi in ordine di massa atomica crescente, Mendeleev notò che si presentavano proprietà fisiche e chimiche simili ogni otto o diciotto elementi. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 19 7 La tavola periodica di Mendeleev CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Per rispettare tale periodicità, il chimico dispose gli elementi con proprietà simili in colonne verticali. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 20 8 La tavola periodica moderna CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO La tavola periodica moderna è stata preparata disponendo gli elementi secondo il numero atomico crescente e, quindi, in base al numero di elettroni dell’ultimo livello. Il nome periodico deriva dal fatto che, periodicamente, s’incontrano elementi con proprietà simili. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 21 8 La tavola periodica moderna CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Una linea di demarcazione a “gradini” (linea rossa) permette di classificare gli elementi in tre categorie: metalli, non metalli e semimetalli. Ogni riga orizzontale è detta periodo e contiene elementi le cui proprietà variano con continuità. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Ogni colonna verticale della tavola è detta gruppo e contiene elementi con proprietà simili. 22 9 Energia di ionizzazione CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Il carattere periodico di alcune proprietà fisiche degli elementi riguarda l’energia di 1a ionizzazione, l’affinità elettronica e il raggio atomico. In ogni periodo della tavola periodica si riscontra un comportamento crescente dell’energia di prima ionizzazione. Grafico dell’energia di 1a ionizzazione in funzione del numero atomico per i primi 38 elementi. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 23 10 I gruppi della tavola periodica CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO In ciascun gruppo gli elementi hanno proprietà simili perché hanno lo stesso numero di elettroni nel livello più esterno. Infatti sono gli elettroni del livello esterno, chiamati elettroni di valenza, che partecipano ad una reazione con altri atomi. Come esempio consideriamo gli elementi del gruppo 1A, i metalli alcalini. Le configurazioni elettroniche per Li, Na e K sono: 3Li © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 1s2 2s1 11Na 1s2 2s2 2p6 3s1 19K 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 24 10 I gruppi della tavola periodica CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Gli elementi del gruppo 1A tendono a perdere facilmente l’elettrone più esterno trasformandosi in uno ione con una carica positiva. Ad esempio: © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 25 10 I gruppi della tavola periodica CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO E IL SISTEMA PERIODICO Gli elementi del gruppo 7A, gli alogeni (non metalli), hanno sette elettroni nel livello più esterno del tipo ns2 np5. Questi elementi tendono ad acquistare elettrone trasformandosi in ioni negativi. un Atomi o ioni che presentano la stessa configurazione elettronica sono detti isoelettronici. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 26 CAPITOLO 6. GLI ELETTRONI NELL’ATOMO 11 I periodi E IL SISTEMA PERIODICO Nella tavola periodica si individuano sette periodi. In ciascun periodo ogni elemento ha un elettrone in più rispetto a quello che lo precede, per cui si ha una modificazione delle proprietà che passano con gradualità da un carattere metallico (1A) ad uno non metallico (7A). Na Mg Al Si P S Cl In figura sono rappresentati gli elementi del 3° periodo. Tali elementi mostrano una modificazione delle proprietà. © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 27
