La Teoria dell’Atomo di Bohr Modello di Bohr dell’atomo di idrogeno: Vedi documento “Atomo di Bohr.pdf” sul materiale didattico per la derivazione di queste equazioni Livelli Energetici dell’Atomo di Idrogeno Livelli Energetici dell’Atomo di Idrogeno n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 E(H) (J) -218.0 x 10-20 -54.5 x 10-20 -24.2 x 10-20 -13.6 x 10-20 -8.72 x 10-20 -6.06 x 10-20 -4.45 x 10-20 -3.41 x 10-20 -2.69 x 10-20 -2.18 x 10-20 E(H) (Ry) 1 Ry 1/4 Ry 1/9 Ry 1/16 Ry 1/25 Ry 1/36 Ry 1/49 Ry 1/64 Ry 1/81 Ry 1/100 Ry Livelli Energetici dell’Atomo di Idrogeno Confronto fra la serie di Lyman calcolata e osservata Transizione 21 31 41 51 61 71 81 91 10 1 ΔE (J) 1.64 x 10-18 1.94 x 10-18 2.04 x 10-18 2.09 x 10-18 2.12 x 10-18 2.14 x 10-18 2.15 x 10-18 2.15 x 10-18 2.16 x 10-18 Freq. (Hz) 2.47 x 10-15 2.92 x 10-15 3.08 x 10-15 3.16 x 10-15 3.20 x 10-15 3.22 x 10-15 3.24 x 10-15 3.25 x 10-15 3.26 x 10-15 L. onda calcolata (nm) 122 103 97.3 95.0 93.8 93.1 92.6 92.3 92.1 L. onda sperimentale (nm) 122 OK! 103 OK! 97.3 OK! 95.0 OK! 93.8 OK! 93.1 OK! 92.6 OK! 92.3 OK! 92.1 OK! Livelli Energetici dell’Atomo di Elio Confronto fra le bande di emissione dell’atomo di elio calcolate e sperimentali. Transizione 54 64 74 84 94 10 4 11 4 ΔE (J) 1.96 x 10-19 3.03 x 10-19 3.67 x 10-19 4.09 x 10-19 4.37 x 10-19 4.58 x 10-19 4.73 x 10-19 Freq. (Hz) 2.96 x 10-14 4.57 x 10-14 5.54 x 10-14 6.17 x 10-14 6.60 x 10-14 6.91 x 10-14 7.14 x 10-14 L. onda calcolata (nm) 1013 657 542 486 455 434 420 L. onda sperimentale (nm) 667 NO! 587 NO! 471 NO! 444 NO! 439 NO! 417 NO! La Teoria dell’Atomo di Bohr • Modello di Bohr vale anche per atomi idrogenoidi: 1 solo elettrone, numero di protoni >1 • Modello di Bohr non vale per atomi polielettronici (non riesce a tener conto delle interazioni fra elettroni). • Modello di Bohr-Sommerfeld: considera orbite ellittiche invece che circolari. Vale solo per atomo di elio (2p + 2e). La Teoria dell’Atomo di Bohr Attrazione nucleo - elettrone Idrogeno Repulsione elettrone - elettrone Elio Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg ∆ = incertezza sulla posizione ∆ = incertezza sulla velocità ∆ × ∆ ≥ / ( = 6,6 x 10-34 Kg m2 s-1) Mondo macroscopico: = 1 kg; ∆ = 1 m/s ∆ = / × ∆ ≅ m Mondo microscopico: ≅ 10-30 kg; ∆ = 1 m/s ∆ ≅ m ∆ ca. 106 volte la dimensione atomica!!! Non è possibile conoscere la traiettoria dell’elettrone. Schroedinger... La Teoria Probabilistica dell’Atomo • Concetto di probabilità (P) • Probabilità che l’elettrone si trovi in una certa regione di spazio (orbitale) • Si definisce una funzione matematica, ψ, che descrive gli orbitali, tale per cui: ψ2 = densità di probabilità = P / dV La Teoria Probabilistica dell’Atomo 1) ψ(x,y,z) deve essere continua per ogni punto (x,y,z); 2) ψ(x,y,z) deve avere un valore singolo per ogni punto (x,y,z); 3) ψ(x,y,z) deve avere un valore finito per ogni punto (x,y,z); 4) La probabilità di trovare l’elettrone nello spazio totale = 1 (l’integrale di ψ(x,y,z) in tutto il volume = 1); 5) Ad ogni orbitale ψ è associata una certa energia E; 6) L’energia deve essere quantizzata. L’Equazione di Schroedinger Vale la relazione: = Qualsiasi funzione ψ(x,y,z) tale per cui: descrive un orbitale. è un operatore matematico (Hamiltoniano) ψ è una funzione matematica è l’energia associata a ciascun orbitale ψ = !", $, %& 2 ' = ' 2( * * * = *" *$ *% ", $, % ' = )' La Teoria Quantistica dell’Atomo Le ψ(x,y,z) che soddisfano l’equazione di Schroedinger e le condizioni sopra descritte dipendono matematicamente da una serie di quattro numeri interi detti numeri quantici: n = 1, 2, …, ∞ l = 0, 1, …, (n-1) m = (-l), (-l+1), (-l+2), …, 0, …, (+l) s = +½, -½ n = numero quantico principale, indica l’energia; l = numero quantico secondario, descrive la forma dell’orbitale; m = numero quantico magnetico, descrive la orientazione dell’orbitale; s = numero quantico di spin, indica il senso di rotazione dell’elettrone. Lo Spin dell’Elettrone La Teoria Quantistica dell’Atomo • n = 1; l = 0; m = 0 orbitale 1s • n = 2; l = 0; m = 0 orbitale 2s • n = 2; l = 1; m = -1 orbitale 2px • n = 2; l = 1; m = 0 orbitale 2py • n = 2; l = 1; m = +1 orbitale 2pz La Teoria Quantistica dell’Atomo • n = 3; l = 0; m = 0 orbitale 3s • n = 3; l = 1; m = -1 orbitale 3px • n = 3; l = 1; m = 0 orbitale 3py • n = 3; l = 1; m = +1 orbitale 3pz • • • • • n = 3; l = 2; m = -2 n = 3; l = 2; m = -1 n = 3; l = 2; m = 0 n = 3; l = 2; m = +1 n = 3; l = 2; m = +2 orbitale 3dz2 orbitale 3dx2-y2 orbitale 3dxy orbitale 3dyz orbitale 3dxz La Teoria Quantistica dell’Atomo La Teoria Quantistica dell’Atomo • Densità di probabilità per un orbitale 1s La Teoria Quantistica dell’Atomo La Teoria Quantistica dell’Atomo La Teoria Quantistica dell’Atomo La Teoria Quantistica dell’Atomo La Teoria Quantistica dell’Atomo Un piano nodale (o regione nodale) è una regione dello spazio in cui ψ(x,y,z) = 0 Passando per un piano nodale ψ(x,y,z) cambia di segno. La Teoria Quantistica dell’Atomo Piani Nodali negli Orbitali s La Teoria Quantistica dell’Atomo 1s 4s 2s 4p 2p 4d 3s 4f 3p 5s 3d 5p Gli Orbitali 4f Orbital Viewer http://www.orbitals.com/orb/ov.htm App per Android App per Android La Teoria Quantistica dell’Atomo La funzione ψ(x,y,z,n,l,m) può essere scritta in coordinate sferiche ψ(r,ϑ,ϕ,n,l,m): La Teoria Quantistica dell’Atomo Per l’atomo di idrogeno è possibile dimostrare che ψ(r,ϑ,ϕ,n,l,m) è divisibile in due componenti: ψ(r,ϑ,ϕ,n,l,m) = R(r,n,l) · Θ(ϑ,l,m) · Φ(ϕ,m) · Τ(ϑ,ϕ,l,m) Componente radiale Componente angolare La Teoria Quantistica dell’Atomo R(r, n, l) = componente radiale n l ψ 1 0 1s 2 0 2s 2 1 2p 3 0 3s 3 1 3p 3 2 3d La Funzione d’Onda 1s Per gli orbitali s (l = 0) la densità di probabilità di trovare l’elettrone è massima vicino al nucleo e decresce esponenzialmente allontanandosi dal nucleo «Probabilità» dalla «Densità di Probabilità» Volume del guscio sferico di spessore in funzione del raggio +: «Probabilità» dalla «Densità di Probabilità» Per ottenere la probabilità (P) di trovare l’elettrone ad ogni distanza r dal nucleo, dobbiamo moltiplicare la densità di probabilità ψ2 per il volume di un guscio sferico di spessore infinitamente piccolo, ,- : dV(h) = 4πr2 + 8πhr + 4πh2 Per uno spessore infinitamente piccolo, vale che La Funzione d’Onda 1s Moltiplicando il quadrato della funzione per 4πr2 otteniamo la probabilità di trovare l’elettrone in un guscio sferico di raggio dr La Funzione d’Onda 2s l numero dei piani nodali è uguale a (n – 1). Nell’orbitale 2s esiste una superficie nodale costituito da una sfera a distanza ca. 2a0 dove la funzione cambia segno. La Funzione d’Onda 2p Per gli orbitali p (l = 1) la probabilità di trovare l’elettrone è zero sul nucleo ed ha un andamento simmetrico nelle due direzioni dell’asse, cambiando segno. Il Segno della Funzione d’Onda Il numero dei piani nodali è: (n - 1). In corrispondenza di un piano nodale la funzione R(r, n, l) cambia segno. Energie degli Orbitali negli Atomi Idrogenoidi 3s 3px 3py 3pz 3dxy 3dxz 3dyz 3dz2 3dx2-y2 2s 2px 2py 2pz 1s La Struttura Elettronica dell’Atomo • Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla posizione e dall’energia degli elettroni (struttura elettronica) • Per comprendere la struttura elettronica, dovremo illustrare i concetti di: 1. Energia 2. Radiazione elettromagnetica 3. Teoria quantistica 4. L’atomo di idrogeno 5. Gli atomi polielettronici L’Atomo di Elio Consideriamo un atomo con due elettroni e carica nucleare Z. Il caso più semplice è l’atomo di Elio (Z = 2). In questo caso non possiamo trascurare la repulsione elettronica. Ne possiamo tenere conto assumendo che gli elettroni “schermino” parzialmente la carica nucleare. Effetto Schermo degli Elettroni Carica Nucleare Effettiva • La carica nucleare netta sentita da un elettrone è definita carica nucleare effettiva, Zeff. • .// = . 0 • 0 è la costante di schermo: • Energia atomi idrogenoidi • Energia atomi non idrogenoidi Energie degli Orbitali • A causa dell’effetto schermo, sottogusci elettronici caratterizzati dallo stesso numero quantico principale (ma diverso numero quantico secondario) hanno energie diverse: 1 < 3 < 4 < !/& • L’energia dipende non solo da n ma anche da l. • L’energia di un orbitale con lo stesso n ed l dipende dal numero di cariche sul nucleo. Energie degli Orbitali Energie degli Orbitali Struttura Elettronica degli Atomi Polielettronici • La configurazione elettronica di un atomo mostra il numero di elettroni in ogni orbitale atomico. • Principio di minima energia. • Il Principio di esclusione di Pauli stabilisce che: “Due elettroni in un atomo non possono avere gli stessi quattro numeri quantici”. • La conseguenza è che ogni orbitale può essere occupato da un massimo di due elettroni. • Regola di Hund: “quando due o più elettroni occupano orbitali degeneri, essi si dispongono nel numero massimo possibile di orbitali mantenendo gli spin paralleli”. Energie degli Elettroni Configurazioni Elettroniche H: 1s1 Configurazioni Elettroniche He: 1s2 Configurazioni Elettroniche Li: 1s22s1 = [He]2s1 Configurazioni Elettroniche Be: 1s22s2 = [He]2s2 Configurazioni Elettroniche B: 1s22s22p1 = [He]2s22p1 Configurazioni Elettroniche C: 1s22s22p2 = [He]2s22p2 Configurazioni Elettroniche N: 1s22s22p3 = [He]2s22p3 Configurazioni Elettroniche O: 1s22s22p4 = [He]2s22p4 Configurazioni Elettroniche F: 1s22s22p5 = [He]2s22p5 Configurazioni Elettroniche Ne: 1s22s22p6