Anteprima Estratta dall` Appunto di Chimica
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Anteprima Estratta dall' Appunto di Chimica Università : Università degli studi di Salerno Facoltà : Farmacia Indice di questo documento L' Appunto Le Domande d'esame ABCtribe.com e' un sito di knowledge sharing per facilitare lo scambio di materiali ed informazioni per lo studio e la formazione.Centinaia di migliaia di studenti usano ABCtribe quotidianamente per scambiare materiali, consigli e opportunità Più gli utenti ne diffondono l'utilizzo maggiore e' il vantaggio che ne si può trarre : 1. Migliora i tuoi voti ed il tempo di studio gestendo tutti i materiali e le risorse condivise 2. Costruisci un network che ti aiuti nei tuoi studi e nella tua professione 3. Ottimizza con il tuo libretto elettronico il percorso di studi facendo in anticipo le scelte migliori per ogni esame 4. 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Clicca qui per i grafici aggionati su Chimica >> ABCtribe.com - [Pagina 2] AB Ct rib e.c om Appunti Chimica Casadei Cristiano ABCtribe.com - [Pagina 3] Introduzione ........................................................................................................ 6 Struttura della Materia ............................................................................................................................. 6 Teoria atomica e sua evoluzione....................................................................... 7 Teorie Atomiche ...................................................................................................................................... 7 Determinazione dei Pesi Atomici............................................................................................................. 7 Determinazione delle Masse Atomiche Assolute..................................................................................... 7 Esperimento di Thomson ......................................................................................................................... 7 Camera di ionizzazione di Bainbridge ..................................................................................................... 8 Scala dei Pesi Atomici e u.m.a................................................................................................................. 8 Mole e numero di Avogadro .................................................................................................................... 8 Dimensione degli atomi ........................................................................................................................... 9 Struttura degli atomi: l'elettrone............................................................................................................... 9 Proprietà cinematiche dell'elettrone ......................................................................................................... 9 Formule relativistiche di un elettrone....................................................................................................... 9 Determinazione del rapporto e/m........................................................................................................... 10 Rapporto e/m negli atomi....................................................................................................................... 10 Modello atomico di Rutherford ............................................................................................................. 10 Geometria dell'urto di α-nuclei .............................................................................................................. 11 Rivelazione del protone (Rutherford, 1919) .......................................................................................... 11 Rivelazione del neutrone (Curie, 1932) ................................................................................................. 12 om Il nucleo dell'atomo .......................................................................................... 13 AB Ct rib e.c Protoni e Neutroni.................................................................................................................................. 13 Nuclidi stabili e nuclidi instabili ............................................................................................................ 13 La radioattività....................................................................................................................................... 13 Decadimento radioattivo........................................................................................................................ 13 Decadimento α (A,Z) ⇒ [(A-4),(Z-2)] .............................................................................................. 13 Decadimento β- (A,Z) ⇒ [A, (Z+1)] .................................................................................................. 14 Decadimento β+ (A,Z) ⇒ [A,(Z-1)] ..................................................................................................... 14 Cattura elettronica (cattura K) (A,Z) ⇒ [A,(Z-1)] + raggi X ............................................................... 14 Decadimento γ ....................................................................................................................................... 14 Legge cinetica del decadimento radioattivo........................................................................................... 14 Famiglie radioattive ............................................................................................................................... 15 Famiglie naturali .................................................................................................................................... 15 Famiglia artificiale ................................................................................................................................. 15 Difetto di massa ed energia nucleare ..................................................................................................... 15 Tipi diversi di reazioni nucleari a bassa energia (<100MeV) ................................................................ 16 Schema delle reazioni a bassa energia ................................................................................................... 16 Reazioni prodotte da neutroni................................................................................................................ 16 Fissione nucleare.................................................................................................................................... 16 Modello di fissione basato sul modello a "goccia" ................................................................................ 17 Soglia di fissione.................................................................................................................................... 17 Principi di funzionamento dei reattori nucleari...................................................................................... 17 Le scorie ................................................................................................................................................ 18 La fusione nucleare ................................................................................................................................ 18 Fusione termonucleare ........................................................................................................................... 18 Bilancio energetico ................................................................................................................................ 18 Criterio di Lawson ................................................................................................................................. 19 Processo di nucleosintesi degli elementi nei corpi stellari ..................................................................... 19 La struttura elettronica degli elementi e la loro classificazione periodica.. 20 La nascita della teoria dei quanti............................................................................................................ 20 Effetto Fotoelettrico............................................................................................................................... 21 Leggi dell'effetto fotoelettrico................................................................................................................ 21 Spettri di emissione caratteristici degli atomi ........................................................................................ 22 Spettri caratteristici dell'atomo di idrogeno ........................................................................................... 22 Spettri dei sistemi idrogenoidi ............................................................................................................... 23 2 ABCtribe.com - [Pagina 4] Principio di combinazione di Rydberg e Ritz .........................................................................................23 I raggi X ed il loro spettro ......................................................................................................................24 Modello di Bohr dell'atomo di idrogeno.................................................................................................24 L'interpretazione degli spettri di raggi X secondo Bohr-Sommerfield ...................................................26 Funzionamento dei L.A.S.E.R. ...............................................................................................................26 Lo spin dell'elettrone ..............................................................................................................................28 Principio di esclusione di Pauli ..............................................................................................................28 Meccanica Ondulatoria .....................................................................................29 e.c om Principio di indeterminazione.................................................................................................................29 Onde di de Broglie e la meccanica ondulatoria ......................................................................................30 Equazione di Schrödinger.......................................................................................................................30 L'atomo di idrogeno nella descrizione della meccanica ondulatoria.......................................................31 Orbitali s .................................................................................................................................................32 Orbitali p ................................................................................................................................................32 Orbitali d ................................................................................................................................................33 Le funzioni d'onda degli orbitali atomici ................................................................................................33 Gli atomi con più elettroni nella descrizione della meccanica ondulatoria.............................................33 Principio di Pauli e regola di Hund ........................................................................................................34 La struttura degli atomi nello stato fondamentale...................................................................................34 La classificazione periodica degli elementi ............................................................................................36 Carica nucleare efficace..........................................................................................................................38 Dimensioni Atomiche .............................................................................................................................38 Energia di ionizzazione ..........................................................................................................................38 Affinità elettronica..................................................................................................................................39 Elettronegatività .....................................................................................................................................39 Carattere Metallico .................................................................................................................................39 Previsioni sul tipo di legami ...................................................................................................................39 Altre proprietà ........................................................................................................................................39 rib Il legame chimico e la formazione delle molecole e dei cristalli...................40 AB Ct Introduzione............................................................................................................................................40 Concetto generale di legame chimico: l'energia di legame .....................................................................40 Il legame ionico ......................................................................................................................................40 Cloruro di sodio......................................................................................................................................40 Energia reticolare....................................................................................................................................41 Valenza ionica ........................................................................................................................................42 Raggi ionici e geometria dei reticoli cristallini ionici.............................................................................42 Proprietà generali dei composti ionici ....................................................................................................43 Il legame covalente.................................................................................................................................43 Legami σ e π...........................................................................................................................................45 Struttura degli aggregati poliatomici con legami covalenti: molecole, cristalli molecolari, cristalli covalenti Radicali liberi .........................................................................................................................................46 Legami covalenti polari ..........................................................................................................................46 Legami covalenti polari ed elettronegatività degli atomi........................................................................47 Legame covalente di coordinazione ( legame dativo )............................................................................47 Stati di valenza degli atomi.....................................................................................................................48 Numero di ossidazione ...........................................................................................................................48 Regole per derivare i n.o. .......................................................................................................................48 Stati di ossidazione degli elementi e classificazione periodica...............................................................49 La teoria dei legami di valenza (Heitler-London)...................................................................................49 Risonanza fra due strutture di legame.....................................................................................................50 Orbitali ibridi e geometria molecolare....................................................................................................50 Le funzioni d'onda degli orbitali ibridi ...................................................................................................50 Ibridazione sp3 ........................................................................................................................................51 Ibridazione sp2 ........................................................................................................................................51 Ibridazione sp .........................................................................................................................................51 Ibridazione sp3d2.....................................................................................................................................51 Teoria degli orbitali molecolari ..............................................................................................................51 La molecola d'idrogeno nella teoria degli orbitali molecolari ................................................................53 46 3 ABCtribe.com - [Pagina 5] Confronto tra le due teorie ..................................................................................................................... 53 Molecole biatomiche omonucleari......................................................................................................... 53 Molecole biatomiche eteronucleari........................................................................................................ 54 Strutture tipiche di composti .................................................................................................................. 55 Il legame metallico................................................................................................................................. 56 Reticoli cristallini tipici dei metalli........................................................................................................ 57 La teoria degli orbitali di Bloch ............................................................................................................. 58 Silicio, semiconduttori ........................................................................................................................... 59 Drogaggio .............................................................................................................................................. 59 Legami con interazioni di Van Der Waals ............................................................................................. 60 Legame ad idrogeno............................................................................................................................... 60 I tre stati di aggregazione della materia ......................................................... 61 Introduzione........................................................................................................................................... 61 Lo stato gassoso ..................................................................................................................................... 61 Lo stato solido........................................................................................................................................ 62 Lo stato liquido ...................................................................................................................................... 63 Pressione di vapore di un liquido........................................................................................................... 63 Soluzioni ................................................................................................................................................ 64 Solubilità................................................................................................................................................ 64 Soluzioni ideali ...................................................................................................................................... 65 Soluzioni non ideali ............................................................................................................................... 65 Elettrolisi e processi agli elettrodi.......................................................................................................... 65 om Dinamica chimica ............................................................................................. 67 rib e.c Reazione chimica ed equazione stechiometrica ..................................................................................... 67 Redox..................................................................................................................................................... 67 Redox in forma ionica............................................................................................................................ 67 Rendimento di una reazione................................................................................................................... 67 Peso equivalente .................................................................................................................................... 68 I fondamenti della termodinamica chimica .................................................... 69 AB Ct Definizioni e concetti generali: i sistemi termodinamici ed il loro stato ................................................ 69 Lavoro in una trasformazione termodinamica........................................................................................ 70 Energia interna di un sistema termodinamico ........................................................................................ 70 Il calore come forma di energia: l’equivalenza tra calore ed energia meccanica ................................... 71 La formulazione del primo principio della termodinamica .................................................................... 71 Entalpia.................................................................................................................................................. 71 Termochimica ................................................................................................... 71 Calore di reazione .................................................................................................................................. 71 Calore standard di reazione.................................................................................................................... 72 Calore standard di formazione ............................................................................................................... 72 Calore standard di combustione............................................................................................................. 72 Calore latente di fusione, di vaporizzazione, di sublimazione ............................................................... 72 Calore di soluzione ................................................................................................................................ 73 Legge di Hess......................................................................................................................................... 73 Equazione di Kirchoff............................................................................................................................ 73 Il secondo principio della termodinamica .............................................................................................. 73 Rendimento della conversione di calore in lavoro: teorema di Carnot .................................................. 74 Il teorema di Clausius e la formulazione del secondo principio della termodinamica: l’entropia.......... 75 Il principio dell’incremento dell’entropia .............................................................................................. 76 Entropia e probabilità termodinamica di stato ....................................................................................... 76 Il terzo principio della termodinamica e l’entropia allo zero assoluto ................................................... 77 Energia libera......................................................................................................................................... 77 Energia libera e lavoro utile................................................................................................................... 77 Applicazioni chimiche dei risultati fondamentali del secondo principio termodinamica .................................................................................................. 79 4 ABCtribe.com - [Pagina 6] della Condizioni termodinamiche di spontaneità di una reazione ...................................................................79 Dipendenza dell’energia libera dalla temperatura e dalla pressione .......................................................80 Reazione chimiche ed equilibrio.............................................................................................................80 Legge dell’equilibrio chimico.................................................................................................................81 Reazioni termodinamiche favorite e non favorite: posizione dell’equilibrio ..........................................81 Espressione della costante di equilibrio per diversi tipi di reazione .......................................................82 Spostamento dell’equilibrio....................................................................................................................83 Equazione di Van’t Hoff.........................................................................................................................84 Equilibri ionici in soluzione....................................................................................................................85 La ionizzazione dell’acqua .....................................................................................................................85 Soluzioni neutre, acide e basiche: pH e pOH .........................................................................................86 Acidi e basi.............................................................................................................................................86 Ionizzazione di un acido o di una base in soluzione acquosa .................................................................87 Acidi e basi monoprotici.........................................................................................................................88 Processi idrolitici....................................................................................................................................88 Soluzione tampone .................................................................................................................................89 Concetto di acido e base secondo Lewis ................................................................................................89 Equilibri di solubilità di composti ionici ................................................................................................90 Equilibri tra fasi diverse .........................................................................................................................90 La regola delle fasi .................................................................................................................................90 Sistemi ad un solo componente ..............................................................................................................91 Diagrammi di stato dei sistemi ad un solo componente..........................................................................92 Termodinamica Elettrochimica ........................................................................93 rib e.c om Considerazioni introduttive ....................................................................................................................93 Generalità sui potenziali elettrodici ........................................................................................................93 Tipi di semielementi galvanici................................................................................................................94 Forza elettromotrice di una cella chimica...............................................................................................94 Potenziale di un semielemento. Serie elettrochimica dei potenziali standard o normali.........................95 Interpretazione dei fenomeni elettrolitici................................................................................................95 Celle chimiche di uso comune e di interesse tecnico. .............................................................................96 Celle di concentrazione ..........................................................................................................................96 Ct Cinetica chimica................................................................................................97 AB Considerazioni introduttive ....................................................................................................................97 Velocità di reazione................................................................................................................................97 Velocità di reazione e concentrazione delle specie reagenti: equazioni cinetiche ..................................97 Determinazione sperimentale dell'equazione cinetica.............................................................................98 Meccanismi di reazione. Il complesso attivato .......................................................................................98 Meccanismi di reazione ed equazioni cinetiche......................................................................................99 L'equilibrio chimico dal punto di vista cinetico......................................................................................99 Velocità di reazione e temperatura: teoria delle collisioni molecolari per le reazioni tra gas...............100 Catalisi .............................................................................................................102 Generalità .............................................................................................................................................102 Catalisi omogenea.................................................................................................................................102 Catalisi eterogenea................................................................................................................................102 5 ABCtribe.com - [Pagina 7] Introduzione Struttura della Materia AB Ct rib e.c om Consideriamo un sistema chimico come quello in riportato in figura. Le quattro componenti sono separate da superfici precise: si tratta di un sistema polifasico. Misurando la densità in ogni punto, otterrò valori caratteristici per i diversi componenti. Ogni porzione è omogenea dal punto di vista fisico e costituisce una fase diversa. Una fase è una parte del sistema chimico fisicamente omogenea: anche se il concetto qui espresso di fase è impreciso, è in ogni caso valido perché non si riuscirà mai a misurare grandezze come i pesi atomici o i volumi atomici. Si ha una fase sola se i componenti si mescolano fino ad un livello molecolare (come gas oppure l'acqua con l'alcool etilico). Una specie chimica può essere uno degli elementi della tavola periodica o uno dei loro composti. I composti obbediscono a leggi fisse e costanti. Consideriamo l'ossido di mercurio HgO: è di colore rosso. Se è portato a 400° C, si scinde in Hg e O. Allora un composto è tale se si può scindere nelle sue componenti tramite i metodi ordinari della chimica: mediante innalzamento della temperatura (fino a 1000°-2000°C), attraverso irraggiamento da radiazioni (purché non nucleari) o tramite elettricità (non troppo forte). 6 ABCtribe.com - [Pagina 8] Teoria atomica e sua evoluzione Teorie Atomiche L'ipotesi atomica fece il suo ingresso nella scienza dopo la scoperta delle leggi fondamentali ponderali che regolano le combinazioni chimiche. 1) Legge della conservazione di massa (Lavoisier): la massa totale dei reagenti è uguale a quella dei prodotti in ogni reazione chimica. Dopo Einstein si esprime affermando che la somma di massa ed energia si conserva. 2) Legge delle proporzioni definite (Proust): in ogni composto i singoli componenti sono presenti in quantità ben definite. Per esempio, dato 1 gr. di H2, ho bisogno di 8 gr. di O per formare H2O. Ci sono tuttavia delle eccezioni dette reazioni non stechiometriche, come l'ossido di silicio, che invece di essere SiO, spesso lo si trova nella forma SiO. 3) Legge delle proporzioni multiple (Dalton): se due elementi combinandosi possono dare dei composti diversi, tenendo fissa la quantità di uno dei due reagenti, allora la quantità dell'altro varia da composto a composto. Vale a dire che quando due elementi possono combinarsi insieme in rapporti ponderali diversi, per dare composti diversi, le quantità di uno di loro che nei vari casi si combinano con la medesima quantità dell'altro, stanno fra loro in rapporti espressi da numeri interi generalmente piccoli. Ad esempio l'azoto (N) e l'ossigeno (O) si possono combinare in: ( 1 gr. N + (0,57x1) gr. O ) N2O ( 1 gr. N + (0,57x2) gr. O ) NO2 N2O3 ( 1 gr. N + (0,57x3) gr. O ). Si usano atomi interi, non divisibili. La teoria di Dalton muove dal postulato che la materia sia formata da particelle discrete, chiamate atomi perché non ulteriormente divisibili. om Determinazione dei Pesi Atomici AB Ct rib e.c Abbiamo visto che nella teoria atomica di Dalton, il principale attributo che caratterizza le varie specie d'atomi è la loro massa. Per ragioni di comodità pratica, si preferì utilizzare, piuttosto che i valori assoluti, estremamente piccoli, i valori relativi definiti dal rapporto tra le masse atomiche e la massa di un elemento preso convenzionalmente come campione di riferimento. Tali valori relativi vennero chiamati pesi atomici. Il criterio per la determinazione univoca dei pesi atomici si deve agli studi di Avogadro e Cannizzaro. Interpretando un'osservazione di Gay-Lussac, si formulò la nota Legge di Avogadro: volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, contengono lo stesso numero di particelle. Alla base dell'opera di Avogadro sta il nuovo concetto di molecola, cioè un raggruppamento di atomi fra loro stabilmente legati. Per la determinazione del peso atomico, Avogadro indicò la proporzione: g M g = ⇒ M = Mr * = Mr * p gr Mr gr Cannizzaro, invece, indicò il seguente metodo: per determinare il peso atomico di un elemento basta considerare un gran numero di suoi composti, determinare di ciascuno il peso molecolare e dedurre la quantità dell'elemento considerato contenuta in una quantità di esso uguale al suo peso molecolare: il peso atomico dell'elemento è così definito dal valore più basso che si trova. Determinazione delle Masse Atomiche Assolute La determinazione dei valori delle masse atomiche assolute è stata resa possibile dalle tecniche della spettrometria di massa il cui padre fu Thomson. Con l'esperienza di Thomson venne a cadere la convinzione che ogni elemento fosse composto di atomi tutti uguali: le diverse specie di atomi di uno stesso elemento vennero dette isotopi. Esperimento di Thomson L'esperimento di Thomson prevede l'uso di un tubo contenente gas neon in condizioni di vuoto spinto. Sotto l'azione di sonde elettriche prodotte da un'alta differenza di potenziale, (applicata a due elettrodi metallici), viene provocata la ionizzazione di un gran numero di atomi del gas, in modo da generare uno sciame di ioni positivi ed elettroni. Gli ioni positivi sono attratti dal catodo (negativo) ed accelerati dal campo elettrico. Il catodo si presenta come una superficie che presenta un piccolo foro, dal quale gli ioni passano per inerzia. Gli ioni che passano, subiscono poi l'influsso di un campo elettrico ed uno magnetico tra loro paralleli e perpendicolari alla direzione di propagazione dello sciame di particelle. Sotto l'azione contemporanea dei due campi, gli ioni vengono deviati dal loro cammino a seconda della velocità, carica e massa che possiedono. Alla fine si trova che le particelle caratterizzate da uno 7 ABCtribe.com - [Pagina 9] stesso valore M/q, ma aventi velocità diverse, si distribuiscono lungo un ramo di parabola, il cui asse è parallelo alle linee di forza dei due campi. Gli atomi di neon ionizzati, sotto l'azione combinata dei due campi, si distribuiscono in rami di parabole che possono essere tracciate solamente da particelle di massa diversa, cioè i diversi rami di parabola corrispondo a diversi valori del rapporto M/q. Tuttavia il metodo di Thomson non è di elevata sensibilità e la precisione della misura non è molto alta. Camera di ionizzazione di Bainbridge Gli atomi di un determinato elemento vengono trasformati in ioni sotto il bombardamento di un fascio di elettroni ad alta energia, emessi per effetto termoionico da un filamento metallico incandescente. Gli ioni positivi, accelerati da una d.d.p., entrano attraverso una sottile fenditura dentro un selettore di velocità, dove sono sottoposti all'azione contemporanea di un campo elettrico ( definito come Fe = q * E ) e di un campo magnetico ( Fb = q * B * v ). A questo punto, passano attraverso la fenditura seguente solo gli ioni con velocità tale da rendere uguali e contrarie ( e quindi inefficaci ) le forze Fe ed Fb. E Fb = Fe ⇒ q * B * v = q * E ⇒ v = B Quindi gli ioni con velocità v=E/B passano attraverso l'ultima fenditura, mentre gli altri (deviati perché le forze non si elidono nel loro caso), andranno ad infrangersi contro la parete. Nell'ultima camera, gli ioni sono sottoposti ad un campo magnetico B' costante ed uniforme, in modo tale che essi seguiranno una traiettoria circolare (a causa della forza di Lorentz). Tale traiettoria varierà di raggio a seconda del valore M/q dello ione. Infatti, applicando il 2° principio della dinamica e considerando che l'accelerazione centripeta è data da ac=v2/r, trovo che, equivalendo la forza di Lorentz con la forza centripeta: v2 M v M E * * ⇒r= = r q B′ q B * B′ (Ho ricordato che v = E ) B om Fb′ = q * v * B ′ = M * e.c Quindi gli ioni deviati dal campo B' vengono raccolti sulla superficie fluorescente a distanza diversa dalla fenditura a seconda del rapporto M/q, e quindi dal valore di M (visto che q è uguale alla carica elettrica elementare). Tutta l'apparecchiatura è mantenuta sotto vuoto spinto. rib Scala dei Pesi Atomici e u.m.a. AB Ct Visto l'ordine di grandezza, non è comodo utilizzare i valori assoluti delle masse atomiche, ma è più comodo fare riferimento a dei valori relativi ad unità di misura convenzionale, chiamata unità di massa atomica o u.m.a. Tale concetto ha portato alla definizione dei pesi atomici degli elementi. All'inizio venne preso come riferimento l'idrogeno, il più leggero degli elementi, e si pose il suo peso atomico pari ad 1. Poi, constatando che l'ossigeno era presente più spesso nei componenti chimici, si prese quest’ultimo come riferimento e si pose il suo peso atomico pari a 16. Questa scelta entrò in crisi con la scoperta degli isotopi dell'ossigeno. Allora si propose di porre uguale a 16 il peso atomico della specie più leggera degli isotopi di ossigeno. Infine, per risolvere il dualismo delle scale che ne risultò, venne definita come unità di peso atomico la dodicesima parte dell'isotopo più leggero del carbonio. Da cui 1 u.m.a. = 1,66*10-24 gr. Mole e numero di Avogadro Si definisce grammo-atomo la quantità di un elemento, espressa in grammi, uguale al suo peso atomico e si definisce grammomolecola la quantità di una specie chimica, semplice o composta, espressa in grammi, uguale al suo peso molecolare (si noti che per le specie chimiche che non hanno struttura molecolare, come i composti ionici o i cristalli a struttura covalente, si utilizza il peso-formula che ne specifica la composizione, e la grammo-formula, cioè la quantità in grammi uguale al peso formula). Allora il medesimo numero di atomi è contenuto in un grammo-atomo di un qualunque elemento ed il medesimo numero di molecole è contenuto in una grammo-molecola di una qualunque specie chimica. Tale numero è detto numero di Avogadro ed il suo valore è pari all'inverso dell'unità di massa atomica: N= 1 1 = = 6,023 * 10 23 u . m . a . 1,66 * 10 −24 Un numero di particelle unitarie di una data specie uguale al numero di Avogadro viene chiamato mole. La mole è l'unità di riferimento per esprimere la quantità di una specie materiale qualsiasi. Riassumendo otteniamo: • Peso atomico = Peso dell'atomo / Peso unità pesi atomici (u.p.a. = • Peso molecolare = Peso molecola / u.p.a. 8 ABCtribe.com - [Pagina 10] 1 C) 12 Dimensione degli atomi Consideriamo un elemento metallico di massa atomica media, ad esempio il ferro, il cui peso atomico è 55,847 u.p.a. Conoscendo la sua densità (7,86 gr./cm3) possiamo determinare il volume di un grammo-atomo (V=7,1 cm3). Tale volume contiene un numero di atomi pari al numero di Avogadro, per cui il volume di un atomo lo si ottiene dividendo il volume di un grammoatomo per il numero di Avogadro (Va=11,5 *10-24 cm3). Considerando l'atomo come una sfera, il suo raggio è quindi dell'ordine di 10-8 cm, cioè di un Amstrong (Å). Struttura degli atomi: l'elettrone Abbiamo visto che, in quanto a proprietà chimiche, l'atomo è la più piccola unità che le mantiene inalterate. Tuttavia esistono anche particelle subatomiche. La scoperta che gli atomi non sono particelle elementari, ma sistemi composti, venne fatta da Hittorf che, studiando il passaggio dell'elettricità attraverso gas rarefatti sotto elevate differenze di potenziale, scoprì i raggi catodici, costituiti da particelle materiali portatrici di una carica elettrica negativa ed estremamente piccole, molto più piccole di un atomo. Tali particelle vennero nominate elettroni. L'elettrone è definito in base alle sue proprietà fisiche: carica (e) e massa (m). La carica di un elettrone è universale ed immodificabile. Dunque qualsiasi altra carica è un suo multiplo. Ma quanto vale tale carica ? Tra i due elettrodi, nel sistema in figura, c'è una d.d.p. V. Avviene una dissociazione elettrolitica per cui: AgNO3 ⇒ Ag+ + NO3L'argento si è visto strappare via un elettrone (ed è diventato uno ione positivo). Ora Ag+ migra sull'elettrodo negativo, dove si deposita formando un patina d'argento. Calcolando la quantità di energia da far passare tra gli elettrodi per far depositare una mole di un qualsiasi ione monovalente, si è visto che tale quantità è costante e vale 96500 Coulomb. Considerato che in una mole di ioni ci sono Na ioni ognuno dei quali ha perso un elettrone, ottengo la carica dell'elettrone dividendo l'energia spesa per il numero di Avogadro: 96500 = 1,6*10-19 Coulomb Na om |e|= Ct rib e.c • Effetto termoionico: un filamento, portato ad alta temperatura tramite un passaggio di corrente, emette degli elettroni. • Effetto fotoelettrico: espulsione di elettroni dalla superficie di un corpo tramite un bombardamento di radiazioni elettromagnetiche. • Scarica nei gas: facendo il vuoto in un cilindro, si riescono a provocare scariche elettriche e quando la pressione diviene dell'ordine di 10-4 Torr, dal catodo (polo negativo) partono raggi catodici, composti da elettroni. Proprietà cinematiche dell'elettrone AB L'apparecchiatura è mantenuta in uno stato di vuoto spinto. Volendo studiare la traiettoria dell'elettrone emesso dal filamento, se non ci fosse il vuoto l'elettrone urterebbe contro le molecole dell'aria, e sullo schermo non riuscirebbe ad apparire niente. Per comodità, consideriamo solo gli elettroni che si propagano parallelamente lungo l'asse del tubo cilindrico. Dopo che il fascio è passato per il collimatore, se non è disturbato, arriva a colpire lo schermo fluorescente, illuminando un punto (spot) indicato con O. Dunque, se l'elettrone non è soggetto a campi di forza, si propaga rettilinearmente. Per interrompere il fascio elettronico possiamo porre davanti ad esso un mulinello e vedremo che esso si muoverà. Ciò ci dice che l'elettrone possiede quantità di moto. Inoltre se poniamo il fascio in vicinanza di un campo elettrico o magnetico vedremo che esso verrà deflesso. Riassumendo possiamo dire che l'elettrone possiede le seguenti proprietà meccaniche: • Propagazione rettilinea • Quantità di moto • Deflessione in campo elettrico/magnetico L'energia cinetica dell'elettrone, infine, vale: Ec= ½ * mv2 = eV L'unità di misura usata è l'elettronvolt che rappresenta l'energia cinetica acquisita da un elettrone accelerato da una d.d.p. di 1 Volt. Formule relativistiche di un elettrone La massa di un elettrone non è costante. Chiamiamo m0 la massa a riposo e mv la massa alla velocità v, allora abbiamo: m0 mv = v2 1− 2 c 9 ABCtribe.com - [Pagina 11] Questo ci dice che la massa dell'elettrone dipende dalla sua velocità: mv = m 0 + Ec c2 Da Einstein ho che l'energia intrinseca dell'elettrone vale: E0 = m0 * c2 = 0,51MeV 2 Etot = E0 + Ec = m 0 * c = c * p2 + m 2 c 2 1− v2 c2 dove p è la quantità di moto dell'elettrone e c la velocità della luce. Cerchiamo ora la massa dell'elettrone. Per ottenerla determiniamo il rapporto e/m. Determinazione del rapporto e/m Indichiamo con B l'intensità del campo magnetico e con E quella del campo elettrico e con Fb ed Fe le rispettive forze esercitate dai due campi sulle particelle che finiscono nel loro raggio d'azione. Le forze esercitate sull'elettrone sono Fe=e * E ed Fb=e * B * v (forza di Lorentz) Campo elettrico, campo magnetico e direzione di propagazione dell'elettrone formano una terna di assi ortogonali nello spazio. Se un elettrone giunge in O, significa che non ci sono interferenze, oppure che campo magnetico e campo elettrico si equilibrano: Fe=Fb ⇒ e * E = e * B * v ⇒ v = E B E2 E ) ⇒ ½ m * 2 = eV B B e.c ½ m * v2 = eV ⇒ (ricordo che v= om Ricordando che l'energia cinetica è ½ mv2, posso ricavare il rapporto e/m che cercavo: rib e E2 = m 2 * B2 * V AB Rapporto e/m negli atomi Ct Sperimentalmente si trova quindi che m = 9*10-28 = 10-27 gr. Infine, un'ultima proprietà dell'elettrone è che esso si comporta come una trottola (spin), cioè ha una proprietà di rotazione su se stesso. Mendelev voleva, come vedremo, classificare gli elementi noti con il seguente criterio: • orizzontalmente secondo il peso atomico crescente • verticalmente secondo proprietà chimiche affini C'erano però tre coppie d'eccezione che fra l'altro comprendevano potassio, cobalto e nichel. Ritornando ora alla struttura degli atomi, la scoperta dell'elettrone portò Thomson a formulare il primo modello della struttura dell'atomo (modello a panettone) concependolo come una sfera omogeneamente caricata positivamente in cui sono immersigli elettroni dotati di carica negativa. Le posizioni che gli elettroni occupano all'interno dell'atomo sono determinate dall'equilibrio tra le forze di attrazione verso il baricentro delle cariche positive e le forze intermolecolari di repulsione. La particella positiva avente una carica in valore assoluto uguale a quella dell'elettrone è chiamata protone (la cui massa è 1822 volte maggiore di quella dell'elettrone). Tale ultimo fatto indicò però che il corpo positivo degli atomi non potesse essere composto di soli protoni. Modello atomico di Rutherford L'analisi delle radiazioni emesse da elementi radioattivi, mostrarono che esse sono costituite da tre diverse componenti: 1. le radiazioni α, di natura corpuscolare e formate da particelle positive con cariche pari a 2e e massa quattro volte superiore all'idrogeno; 2. radiazioni β, di natura corpuscolare, formate da elettroni; 3. radiazioni γ, di natura elettromagnetica. Nel suo esperimento Rutherford indirizzò dei fasci di particelle α, emesse ad altissima velocità da sostanze radioattive, contro dei fogli metallici molto sottili e vide che, mentre la maggior parte delle particelle non veniva deviata dalla traiettoria, una piccola parte 10 ABCtribe.com - [Pagina 12] Questo documento e' un frammento dell'intero appunto utile come anteprima. Se desideri l'appunto completo clicca questo link. ABCtribe.com - [Pagina 13] Preparati con le domande di ABCtribe su Chimica. 1. Il grado di dissociazione di un acido monoprotico in sua soluzione acquosa di 1,15 M è 0,100. Trovare il suo Risposta: HA <--- ---> H+ + A1.15_____________ 1.15-x______x___x_ so che x/1.15 = 0.100 ==> x = 0.100 * 1.15 = 0.115 => Ka = x^2 / (1.15 - x) = 0.115 [Clicca qui >> per continuare a leggere]. 2. Determinare quanti grammi di HCl sono necessari per r Risposta: 2HCl + CaCO3 --------> CaCl2 + H2O + CO2 [Clicca qui >> per continuare a leggere]. * Carica Appunti,Domande,Suggerimenti su : Chimica e guadagna punti >> * Lezioni Private per Chimica >> Avvertenze: La maggior parte del materiale di ABCtribe.com è offerto/prodotto direttamente dagli studenti (appunti, riassunti, dispense, esercitazioni, domande ecc.) ed è quindi da intendersi ad integrazione dei tradizionali metodi di studio e non vuole sostituire o prevaricare le indicazioni istituzionali fornite dai docenti. Il presente file può essere utilizzato in base alle tue necessità ma non deve essere modificato in alcuna sua parte, conservando in particolare tutti i riferimenti all’autore ed a ABCtribe.com; non potrà essere in alcun modo pubblicato tramite alcun mezzo, senza diverso accordo scritto con l’autore ed i responsabili del progetto ABCtribe.com. 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