La tavola periodica
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La tavola periodica Dr. Fabiano Nart Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti “E. Fermi” www.gdsdolomiti.org [email protected] Belluno, 29/01/2011 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 1 / 29 Sommario 1 I primi tentativi 2 Nomenclatura della tavola periodica 3 Equazione di Schrödinger 4 Numeri quantici Numero quantico principale, n Numero quantico azimutale, l Numero quantico magnetico, ml Numero quantico di spin, ms 5 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Regola di Hund e principio dell’Aufbau Regola dell’ottetto 6 Andamento periodico delle proprietà Raggio atomico Energia di ionizzazione Affinità elettronica Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 2 / 29 Parte I Introduzione storica Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 3 / 29 I primi tentativi ∼ 1850 il numero degli elementi chimici aumentava (63 elementi allora noti); venivano riconosciute proprietà simili tra atomi diversi; come ordinarli? il chimico tedesco Johann Wolfgang Döbereiner1 descrisse triadi di elementi (massa atomica 2 dell’elemento centrale era la media dei due agli estremi). 1865 il chimico inglese John Alexander Reina Newlands propose la legge delle ottave. Si cominciava ad intravedere una sorta di organizzazione intrinseca della materia, ma nessuno riusciva a stabilirne un fondamento. . . 1 amico di Goethe il quale si ispirò al lavoro delle affinità chimiche per scrivere nel 1809 “Affinità elettive”. 2 massa atomica detta anche peso atomico, PA. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 4 / 29 I primi tentativi ∼ 1850 il numero degli elementi chimici aumentava (63 elementi allora noti); venivano riconosciute proprietà simili tra atomi diversi; come ordinarli? il chimico tedesco Johann Wolfgang Döbereiner1 descrisse triadi di elementi (massa atomica 2 dell’elemento centrale era la media dei due agli estremi). 1865 il chimico inglese John Alexander Reina Newlands propose la legge delle ottave. Si cominciava ad intravedere una sorta di organizzazione intrinseca della materia, ma nessuno riusciva a stabilirne un fondamento. . . 1 amico di Goethe il quale si ispirò al lavoro delle affinità chimiche per scrivere nel 1809 “Affinità elettive”. 2 massa atomica detta anche peso atomico, PA. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 4 / 29 I primi tentativi ∼ 1850 il numero degli elementi chimici aumentava (63 elementi allora noti); venivano riconosciute proprietà simili tra atomi diversi; come ordinarli? il chimico tedesco Johann Wolfgang Döbereiner1 descrisse triadi di elementi (massa atomica 2 dell’elemento centrale era la media dei due agli estremi). 1865 il chimico inglese John Alexander Reina Newlands propose la legge delle ottave. Si cominciava ad intravedere una sorta di organizzazione intrinseca della materia, ma nessuno riusciva a stabilirne un fondamento. . . 1 amico di Goethe il quale si ispirò al lavoro delle affinità chimiche per scrivere nel 1809 “Affinità elettive”. 2 massa atomica detta anche peso atomico, PA. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 4 / 29 I primi tentativi ∼ 1850 il numero degli elementi chimici aumentava (63 elementi allora noti); venivano riconosciute proprietà simili tra atomi diversi; come ordinarli? il chimico tedesco Johann Wolfgang Döbereiner1 descrisse triadi di elementi (massa atomica 2 dell’elemento centrale era la media dei due agli estremi). 1865 il chimico inglese John Alexander Reina Newlands propose la legge delle ottave. Si cominciava ad intravedere una sorta di organizzazione intrinseca della materia, ma nessuno riusciva a stabilirne un fondamento. . . 1 amico di Goethe il quale si ispirò al lavoro delle affinità chimiche per scrivere nel 1809 “Affinità elettive”. 2 massa atomica detta anche peso atomico, PA. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 4 / 29 I primi tentativi 1860, Congresso di Karlsruhe Principio di Avogadro Campioni di gas diversi contengono, a parità di volume, di pressione e di temperatura, lo stesso numero di molecole a . a N a = 6, 022 ∗ 1023 Il tedesco Julius Lotar Meyer 3 ed il russo Dmitri Ivanovič Mendeleev parteciparono al congresso e ripartirono con una copia dei lavori di Avogadro ... 3 già nel 1864 classificò 28 elementi in 6 famiglie, propose inoltre la disposizione ad anello degli atomi di Carbonio nel benzene. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 5 / 29 I primi tentativi 1860, Congresso di Karlsruhe Principio di Avogadro Campioni di gas diversi contengono, a parità di volume, di pressione e di temperatura, lo stesso numero di molecole a . a N a = 6, 022 ∗ 1023 Il tedesco Julius Lotar Meyer 3 ed il russo Dmitri Ivanovič Mendeleev parteciparono al congresso e ripartirono con una copia dei lavori di Avogadro ... 3 già nel 1864 classificò 28 elementi in 6 famiglie, propose inoltre la disposizione ad anello degli atomi di Carbonio nel benzene. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 5 / 29 I primi tentativi (a) Dmitri Ivanovič Mendeleev. (b) Julius Lotar Meyer. Fig.: gli ideatori della tavola periodica. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 6 / 29 I primi tentativi 1869 . . . Mendeleev e Meyer scoprirono che . . . LEGGE PERIODICA . . . disponendo gli elementi in ordine di massa atomica si poteva osservare un andamento ripetitivo e regolare delle proprietà. Mendeleev cercò un giorno di organizzare in vari modi gli elementi chimici, secondo la legge periodica, ma non ci riuscı̀; vinto dal sonno si risvegliò con un nuovo progetto. . . TAVOLA PERIODICA Disporre gli elementi in righe per massa crescente, cominciando una nuova riga quando il ciclo delle proprietà si ripropone. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 7 / 29 I primi tentativi 1869 . . . Mendeleev e Meyer scoprirono che . . . LEGGE PERIODICA . . . disponendo gli elementi in ordine di massa atomica si poteva osservare un andamento ripetitivo e regolare delle proprietà. Mendeleev cercò un giorno di organizzare in vari modi gli elementi chimici, secondo la legge periodica, ma non ci riuscı̀; vinto dal sonno si risvegliò con un nuovo progetto. . . TAVOLA PERIODICA Disporre gli elementi in righe per massa crescente, cominciando una nuova riga quando il ciclo delle proprietà si ripropone. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 7 / 29 I primi tentativi 1869 . . . Mendeleev e Meyer scoprirono che . . . LEGGE PERIODICA . . . disponendo gli elementi in ordine di massa atomica si poteva osservare un andamento ripetitivo e regolare delle proprietà. Mendeleev cercò un giorno di organizzare in vari modi gli elementi chimici, secondo la legge periodica, ma non ci riuscı̀; vinto dal sonno si risvegliò con un nuovo progetto. . . TAVOLA PERIODICA Disporre gli elementi in righe per massa crescente, cominciando una nuova riga quando il ciclo delle proprietà si ripropone. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 7 / 29 I primi tentativi 1869 . . . Mendeleev e Meyer scoprirono che . . . LEGGE PERIODICA . . . disponendo gli elementi in ordine di massa atomica si poteva osservare un andamento ripetitivo e regolare delle proprietà. Mendeleev cercò un giorno di organizzare in vari modi gli elementi chimici, secondo la legge periodica, ma non ci riuscı̀; vinto dal sonno si risvegliò con un nuovo progetto. . . TAVOLA PERIODICA Disporre gli elementi in righe per massa crescente, cominciando una nuova riga quando il ciclo delle proprietà si ripropone. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 7 / 29 I primi tentativi Fig.: tavola periodica di Mendeelev. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 8 / 29 I primi tentativi seguendo scrupolosamente la legge periodica venivano a crearsi dei vuoti nella tavola (e.g. tra Ga e As); Mendeleev non ignorò il buco, ma ipotizzò un nuovo elemento chimico e le sue proprietà. Tab.: Confronto tra Ekasilicio e Germanio 4 . Proprietà massa molare (g/mol−1 ) densità (g/cm−3 ) punto di fusione (◦ C) aspetto ossido densità dell’ossido cloruro densità del cloruro 4 Ekasilicio (E) 72 5,5 elevato grigio bruno EO2 ; s. bianco; anf. 4,7g/cm−3 ECl4 1,9g/cm−3 Germanio (Ge) 72,59 5,32 937 grigio bianco GeO2 , s. bianco; anf. 4,23g/cm−3 GeCl4 1,84g/cm−3 Scoperto nel 1886 dal chimico tedesco Clemens Winkler. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 9 / 29 I primi tentativi seguendo scrupolosamente la legge periodica venivano a crearsi dei vuoti nella tavola (e.g. tra Ga e As); Mendeleev non ignorò il buco, ma ipotizzò un nuovo elemento chimico e le sue proprietà. Tab.: Confronto tra Ekasilicio e Germanio 4 . Proprietà massa molare (g/mol−1 ) densità (g/cm−3 ) punto di fusione (◦ C) aspetto ossido densità dell’ossido cloruro densità del cloruro 4 Ekasilicio (E) 72 5,5 elevato grigio bruno EO2 ; s. bianco; anf. 4,7g/cm−3 ECl4 1,9g/cm−3 Germanio (Ge) 72,59 5,32 937 grigio bianco GeO2 , s. bianco; anf. 4,23g/cm−3 GeCl4 1,84g/cm−3 Scoperto nel 1886 dal chimico tedesco Clemens Winkler. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 9 / 29 I primi tentativi la sua perspicacia fù premiata . . . Fig.: il Germanio. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 10 / 29 I primi tentativi Un piccolo problema. . . quando fu isolato l’Ar, sembrava non trovare posto nella tavola; PA(Ar) ' PA(Ca) ' 40; ma Ar è un gas inerte, Ca un metallo reattivo. Forse la massa atomica non era il criterio adeguato per la classificazione . . . Soluzione: 1913 Henry Mosely 5 analizzando gli spettri X, si rese conto che tutti gli atomi dello stesso elemento avevano la stessa carica nucleare (stesso numero di protoni), che identifica il numero atomico Z; si deve utilizzare Z per classificare gli elementi chimici e non PA! 5 allievo di Ernest Rutherford, morı̀ a 27 anni il 10 agosto 1915 nella Battaglia di Gallipoli. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 11 / 29 I primi tentativi Un piccolo problema. . . quando fu isolato l’Ar, sembrava non trovare posto nella tavola; PA(Ar) ' PA(Ca) ' 40; ma Ar è un gas inerte, Ca un metallo reattivo. Forse la massa atomica non era il criterio adeguato per la classificazione . . . Soluzione: 1913 Henry Mosely 5 analizzando gli spettri X, si rese conto che tutti gli atomi dello stesso elemento avevano la stessa carica nucleare (stesso numero di protoni), che identifica il numero atomico Z; si deve utilizzare Z per classificare gli elementi chimici e non PA! 5 allievo di Ernest Rutherford, morı̀ a 27 anni il 10 agosto 1915 nella Battaglia di Gallipoli. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 11 / 29 I primi tentativi Un piccolo problema. . . quando fu isolato l’Ar, sembrava non trovare posto nella tavola; PA(Ar) ' PA(Ca) ' 40; ma Ar è un gas inerte, Ca un metallo reattivo. Forse la massa atomica non era il criterio adeguato per la classificazione . . . Soluzione: 1913 Henry Mosely 5 analizzando gli spettri X, si rese conto che tutti gli atomi dello stesso elemento avevano la stessa carica nucleare (stesso numero di protoni), che identifica il numero atomico Z; si deve utilizzare Z per classificare gli elementi chimici e non PA! 5 allievo di Ernest Rutherford, morı̀ a 27 anni il 10 agosto 1915 nella Battaglia di Gallipoli. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 11 / 29 Parte II La tavola periodica moderna Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 12 / 29 Nomenclatura della tavola periodica Fig.: tavola periodica moderna. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 13 / 29 Nomenclatura della tavola periodica numero atomico: Z = n◦ (e− ) = n◦ (p+ ); numero di massa atomica: A = n◦ (n) + n◦ (p+ ). AX Z 19 F 9 → n◦ (n) = 19 − 9 = 10 periodo: riga. Il numero dipende dal livello energetico occupato dagli e− esterni, numero quantico principale, n; gruppo: colonna. Il numero corrisponde al n◦ (e− ) dell’orbitale esterno; blocco: insieme di più guppi che condividono l’orbitale esterno, numero quantico azimutale, l; elementi di transizione: elementi dei periodi lunghi contenuti tra il blocco s e p. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 14 / 29 Nomenclatura della tavola periodica numero atomico: Z = n◦ (e− ) = n◦ (p+ ); numero di massa atomica: A = n◦ (n) + n◦ (p+ ). AX Z 19 F 9 → n◦ (n) = 19 − 9 = 10 periodo: riga. Il numero dipende dal livello energetico occupato dagli e− esterni, numero quantico principale, n; gruppo: colonna. Il numero corrisponde al n◦ (e− ) dell’orbitale esterno; blocco: insieme di più guppi che condividono l’orbitale esterno, numero quantico azimutale, l; elementi di transizione: elementi dei periodi lunghi contenuti tra il blocco s e p. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 14 / 29 Parte III Struttura elettronica e proprietà atomiche Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 15 / 29 Equazione di Schrödinger 2 ~ − 2m ∇2 + V ψ = i~ ∂ψ ∂t equazione di Schrödinger Schrödinger stabilı̀ che ogni atomo è contraddistinto da tre numeri detti numeri quantici: numero quantico principale, n; numero quantico azimutale, l; numero quantico magnetico, ml . Schrödinger risolse esattamente l’equazione per l’atomo di H 6 : E = − h< n2 n=1,2,3,. . . h = Costante di Planck = 6, 62 ∗ 10−34 J ∗ s < = Costante di Rydberg = 3, 29 ∗ 1015 Hz (0) (0) (0) (1) (1) (0) per atomi più pesanti: (H (0) − Ek )ψk + λ[(H (0) − Ek )ψk + (V − Ek ψk ] + (0) (2) (1) (1) (2) (0) λ [(H (0) − Ek )ψk ] + (V − Ek ψk − Ek ψk ) + . . . = 0 6 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 16 / 29 Equazione di Schrödinger 2 ~ − 2m ∇2 + V ψ = i~ ∂ψ ∂t equazione di Schrödinger Schrödinger stabilı̀ che ogni atomo è contraddistinto da tre numeri detti numeri quantici: numero quantico principale, n; numero quantico azimutale, l; numero quantico magnetico, ml . Schrödinger risolse esattamente l’equazione per l’atomo di H 6 : E = − h< n2 n=1,2,3,. . . h = Costante di Planck = 6, 62 ∗ 10−34 J ∗ s < = Costante di Rydberg = 3, 29 ∗ 1015 Hz (0) (0) (0) (1) (1) (0) per atomi più pesanti: (H (0) − Ek )ψk + λ[(H (0) − Ek )ψk + (V − Ek ψk ] + (0) (2) (1) (1) (2) (0) λ [(H (0) − Ek )ψk ] + (V − Ek ψk − Ek ψk ) + . . . = 0 6 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 16 / 29 Equazione di Schrödinger 2 ~ − 2m ∇2 + V ψ = i~ ∂ψ ∂t equazione di Schrödinger Schrödinger stabilı̀ che ogni atomo è contraddistinto da tre numeri detti numeri quantici: numero quantico principale, n; numero quantico azimutale, l; numero quantico magnetico, ml . Schrödinger risolse esattamente l’equazione per l’atomo di H 6 : E = − h< n2 n=1,2,3,. . . h = Costante di Planck = 6, 62 ∗ 10−34 J ∗ s < = Costante di Rydberg = 3, 29 ∗ 1015 Hz (0) (0) (0) (1) (1) (0) per atomi più pesanti: (H (0) − Ek )ψk + λ[(H (0) − Ek )ψk + (V − Ek ψk ] + (0) (2) (1) (1) (2) (0) λ [(H (0) − Ek )ψk ] + (V − Ek ψk − Ek ψk ) + . . . = 0 6 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 16 / 29 Equazione di Schrödinger 2 ~ − 2m ∇2 + V ψ = i~ ∂ψ ∂t equazione di Schrödinger Schrödinger stabilı̀ che ogni atomo è contraddistinto da tre numeri detti numeri quantici: numero quantico principale, n; numero quantico azimutale, l; numero quantico magnetico, ml . Schrödinger risolse esattamente l’equazione per l’atomo di H 6 : E = − h< n2 n=1,2,3,. . . h = Costante di Planck = 6, 62 ∗ 10−34 J ∗ s < = Costante di Rydberg = 3, 29 ∗ 1015 Hz (0) (0) (0) (1) (1) (0) per atomi più pesanti: (H (0) − Ek )ψk + λ[(H (0) − Ek )ψk + (V − Ek ψk ] + (0) (2) (1) (1) (2) (0) λ [(H (0) − Ek )ψk ] + (V − Ek ψk − Ek ψk ) + . . . = 0 6 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 16 / 29 Equazione di Schrödinger 2 ~ − 2m ∇2 + V ψ = i~ ∂ψ ∂t equazione di Schrödinger Schrödinger stabilı̀ che ogni atomo è contraddistinto da tre numeri detti numeri quantici: numero quantico principale, n; numero quantico azimutale, l; numero quantico magnetico, ml . Schrödinger risolse esattamente l’equazione per l’atomo di H 6 : E = − h< n2 n=1,2,3,. . . h = Costante di Planck = 6, 62 ∗ 10−34 J ∗ s < = Costante di Rydberg = 3, 29 ∗ 1015 Hz (0) (0) (0) (1) (1) (0) per atomi più pesanti: (H (0) − Ek )ψk + λ[(H (0) − Ek )ψk + (V − Ek ψk ] + (0) (2) (1) (1) (2) (0) λ [(H (0) − Ek )ψk ] + (V − Ek ψk − Ek ψk ) + . . . = 0 6 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 16 / 29 Numeri quantici Numero quantico principale, n Numero quantico principale, n E = − h< n2 n=1,2,3,. . . n specifica l’energia dell’e− , quindi il livello occupato; maggiore n, meno negativa E!!!; e− più lontano dal nucleo, più libero; n → ∞, raggiunto il continuo, e− libero. Fig.: livelli atomici (H). Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 17 / 29 Numeri quantici Numero quantico principale, n Numero quantico principale, n E = − h< n2 n=1,2,3,. . . n specifica l’energia dell’e− , quindi il livello occupato; maggiore n, meno negativa E!!!; e− più lontano dal nucleo, più libero; n → ∞, raggiunto il continuo, e− libero. Fig.: livelli atomici (H). Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 17 / 29 Numeri quantici Numero quantico principale, n Numero quantico principale, n E = − h< n2 n=1,2,3,. . . n specifica l’energia dell’e− , quindi il livello occupato; maggiore n, meno negativa E!!!; e− più lontano dal nucleo, più libero; n → ∞, raggiunto il continuo, e− libero. Fig.: livelli atomici (H). Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 17 / 29 Numeri quantici Numero quantico principale, n Numero quantico principale, n E = − h< n2 n=1,2,3,. . . n specifica l’energia dell’e− , quindi il livello occupato; maggiore n, meno negativa E!!!; e− più lontano dal nucleo, più libero; n → ∞, raggiunto il continuo, e− libero. Fig.: livelli atomici (H). Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 17 / 29 Numeri quantici Numero quantico azimutale, l Numero quantico azimutale, l definisce il sottolivello corrispondente ad un dato n; l governa il tipo di orbitale, la forma. 0<l<n−1 Tab.: Tipologia di orbitali. Numero quantico azimutale, l 0 1 2 3 4 5 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Tipo di orbitale s p d f g h Belluno, 29/01/2011 18 / 29 Numeri quantici Numero quantico azimutale, l Numero quantico azimutale, l definisce il sottolivello corrispondente ad un dato n; l governa il tipo di orbitale, la forma. 0<l<n−1 Tab.: Tipologia di orbitali. Numero quantico azimutale, l 0 1 2 3 4 5 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Tipo di orbitale s p d f g h Belluno, 29/01/2011 18 / 29 Numeri quantici Numero quantico azimutale, l Numero quantico azimutale, l definisce il sottolivello corrispondente ad un dato n; l governa il tipo di orbitale, la forma. 0<l<n−1 Tab.: Tipologia di orbitali. Numero quantico azimutale, l 0 1 2 3 4 5 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Tipo di orbitale s p d f g h Belluno, 29/01/2011 18 / 29 Numeri quantici Numero quantico azimutale, l Numero quantico azimutale, l definisce il sottolivello corrispondente ad un dato n; l governa il tipo di orbitale, la forma. 0<l<n−1 Tab.: Tipologia di orbitali. Numero quantico azimutale, l 0 1 2 3 4 5 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Tipo di orbitale s p d f g h Belluno, 29/01/2011 18 / 29 Numeri quantici Numero quantico magnetico, ml Numero quantico magnetico, ml ml , distingue l’orientazione dell’orbitale definito dal sottolivello l. −l < ml < l Tab.: Orientazione degli orbitali. l 0 1 2 ml 0 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) Orientazione dell’orbitale nessuna orientazione, anisotropo ; sfera orientazione lungo x, y, z orientazione lungo xy, xz, yz, z2 , x2 − y2 La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 19 / 29 Numeri quantici Numero quantico magnetico, ml Numero quantico magnetico, ml ml , distingue l’orientazione dell’orbitale definito dal sottolivello l. −l < ml < l Tab.: Orientazione degli orbitali. l 0 1 2 ml 0 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) Orientazione dell’orbitale nessuna orientazione, anisotropo ; sfera orientazione lungo x, y, z orientazione lungo xy, xz, yz, z2 , x2 − y2 La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 19 / 29 Numeri quantici Numero quantico magnetico, ml Numero quantico magnetico, ml ml , distingue l’orientazione dell’orbitale definito dal sottolivello l. −l < ml < l Tab.: Orientazione degli orbitali. l 0 1 2 ml 0 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) Orientazione dell’orbitale nessuna orientazione, anisotropo ; sfera orientazione lungo x, y, z orientazione lungo xy, xz, yz, z2 , x2 − y2 La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 19 / 29 Numeri quantici Numero quantico magnetico, ml Fig.: orbitali s, p e d. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 20 / 29 Numeri quantici Numero quantico di spin, ms Esiste anche un quarto numero quantico, numero quantico magnetico di spin, ms : definisce l’orientazione (“sù ↑” o “giù↓”) dell’e− all’interno di un orbitale (spin). ms = + 21 (↑); − 12 (↓) Fig.: i due possibili spin dell’e− . Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 21 / 29 Numeri quantici Numero quantico di spin, ms Esiste anche un quarto numero quantico, numero quantico magnetico di spin, ms : definisce l’orientazione (“sù ↑” o “giù↓”) dell’e− all’interno di un orbitale (spin). ms = + 12 (↑); − 12 (↓) Fig.: i due possibili spin dell’e− . Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 21 / 29 Numeri quantici Numero quantico di spin, ms Esiste anche un quarto numero quantico, numero quantico magnetico di spin, ms : definisce l’orientazione (“sù ↑” o “giù↓”) dell’e− all’interno di un orbitale (spin). ms = + 12 (↑); − 12 (↓) Fig.: i due possibili spin dell’e− . Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 21 / 29 Numeri quantici Numero quantico di spin, ms Esiste anche un quarto numero quantico, numero quantico magnetico di spin, ms : definisce l’orientazione (“sù ↑” o “giù↓”) dell’e− all’interno di un orbitale (spin). ms = + 12 (↑); − 12 (↓) Fig.: i due possibili spin dell’e− . Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 21 / 29 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Come si costruisce l’atomo? PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI a a 1925, Wolfgang Pauli. Nessun orbitale può contenere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici. → 1e− H si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 4 He → 2e− (uno in più di H) 2 He si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 1H 1 −→ i due elettroni si trovano sullo stesso orbitale e con gli stessi numeri quantici n, l e ml , quindi devono avere diverso numero quantico di spin, ms (↑↓ 7 ). 7 Accoppiamento spin-spin. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 22 / 29 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Come si costruisce l’atomo? PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI a a 1925, Wolfgang Pauli. Nessun orbitale può contenere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici. → 1e− H si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 4 He → 2e− (uno in più di H) 2 He si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 1H 1 −→ i due elettroni si trovano sullo stesso orbitale e con gli stessi numeri quantici n, l e ml , quindi devono avere diverso numero quantico di spin, ms (↑↓ 7 ). 7 Accoppiamento spin-spin. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 22 / 29 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Come si costruisce l’atomo? PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI a a 1925, Wolfgang Pauli. Nessun orbitale può contenere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici. → 1e− H si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 4 He → 2e− (uno in più di H) 2 He si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 1H 1 −→ i due elettroni si trovano sullo stesso orbitale e con gli stessi numeri quantici n, l e ml , quindi devono avere diverso numero quantico di spin, ms (↑↓ 7 ). 7 Accoppiamento spin-spin. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 22 / 29 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Come si costruisce l’atomo? PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI a a 1925, Wolfgang Pauli. Nessun orbitale può contenere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici. → 1e− H si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 4 He → 2e− (uno in più di H) 2 He si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 1H 1 −→ i due elettroni si trovano sullo stesso orbitale e con gli stessi numeri quantici n, l e ml , quindi devono avere diverso numero quantico di spin, ms (↑↓ 7 ). 7 Accoppiamento spin-spin. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 22 / 29 La costruzione dell’atomo Principio di esclusione di Pauli Come si costruisce l’atomo? PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI a a 1925, Wolfgang Pauli. Nessun orbitale può contenere due elettroni con gli stessi quattro numeri quantici. → 1e− H si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 4 He → 2e− (uno in più di H) 2 He si trova nel primo periodo → n = 1 → l = n − 1 = 1 − 1 = 0 → −l < ml < l, ml = 0 orbitale s 1H 1 −→ i due elettroni si trovano sullo stesso orbitale e con gli stessi numeri quantici n, l e ml , quindi devono avere diverso numero quantico di spin, ms (↑↓ 7 ). 7 Accoppiamento spin-spin. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 22 / 29 La costruzione dell’atomo Regola di Hund e principio dell’Aufbau REGOLA DI HUND a a 1925, Fritz Hund. La configurazione elettronica dello stato fondamentale dell’atomo di un elemento di numero atomico Z, si realizza aggiungendo gli e− negli orbitali disponibili in modo da assicurare la minima energia totale. 16 O 8 → 8e− , si trova nel secondo periodo Tab.: Regola di Hund. n 1 2 0<l<n−1 l=0 l=0 l=1 −l < ml < l ml = 0 ml = 0 ml = −1 ml = 0 ml = +1 Orbitale 1s 2s 2px 2py 2pz n◦ e− 2 2 1+1 1 1 Fig.: principio dell’Aufbau.a a Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) Costruzione progressiva. La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 23 / 29 La costruzione dell’atomo Regola dell’ottetto Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel secondo periodo? Risposta: 8. Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel terzo periodo? Risposta: 8. REGOLA DELL’OTTETTO a a Regola empirica. Quando l’atomo ha raggiunto la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (con 8e− ) il livello esterno è completato e l’atomo è stabile a . a in prima approssimazione il principio è valido per interpretare le reazioni chimiche. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 24 / 29 La costruzione dell’atomo Regola dell’ottetto Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel secondo periodo? Risposta: 8. Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel terzo periodo? Risposta: 8. REGOLA DELL’OTTETTO a a Regola empirica. Quando l’atomo ha raggiunto la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (con 8e− ) il livello esterno è completato e l’atomo è stabile a . a in prima approssimazione il principio è valido per interpretare le reazioni chimiche. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 24 / 29 La costruzione dell’atomo Regola dell’ottetto Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel secondo periodo? Risposta: 8. Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel terzo periodo? Risposta: 8. REGOLA DELL’OTTETTO a a Regola empirica. Quando l’atomo ha raggiunto la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (con 8e− ) il livello esterno è completato e l’atomo è stabile a . a in prima approssimazione il principio è valido per interpretare le reazioni chimiche. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 24 / 29 La costruzione dell’atomo Regola dell’ottetto Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel secondo periodo? Risposta: 8. Domanda: quanti e− al massimo possono starci nel terzo periodo? Risposta: 8. REGOLA DELL’OTTETTO a a Regola empirica. Quando l’atomo ha raggiunto la configurazione elettronica del gas nobile più vicino (con 8e− ) il livello esterno è completato e l’atomo è stabile a . a in prima approssimazione il principio è valido per interpretare le reazioni chimiche. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 24 / 29 Andamento periodico delle proprietà Raggio atomico Raggio atomico il raggio atomico di un elemento è definito come la metà della distanza che separa i centri di atomi contigui (A − A). Il raggio atomico aumenta generalmente discendendo lungo un gruppo e diminuisce procedendo da sinistra verso destra lungo un periodo. Fig.: andamento raggio atomico. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 25 / 29 Andamento periodico delle proprietà Energia di ionizzazione Energia di ionizzazione è l’energia necessaria per allontanare l’e− esterno da un atomo in fase gas (Xg → Xg+ + e− ). L’energia di ionizzazione diminuisce generalmente scendendo lungo il gruppo ed aumenta procedendo da sinistra verso destra lungo un periodo. Fig.: andamento energia di ionizzazione. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 26 / 29 Andamento periodico delle proprietà Affinità elettronica Affinità elettronica è l’energia che si libera quando l’atomo in fase gas cattura un e− (Xg + e− → Xg− ). L’affinità elettronica risulta massima per gli atomi vicini all’O. Fig.: andamento affinità elettronica. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 27 / 29 Bibliografia Chimica generale. P. Atkins, L. Jones. Zanichelli, 1998. Appunti di chimica generale. F. Nart, 2000. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 28 / 29 Al gran ballo degli scienziati Mendeleev non partecipò. . . . . . non gli andava di stare a tavola con certi elementi . . . Documento scritto in LATEX. Dr. Fabiano Nart (GDS Dolomiti “E. Fermi”) La tavola periodica Belluno, 29/01/2011 29 / 29
