Presentazione di PowerPoint

Chimica e laboratorio
L’atomo:
L’atomo:
configurazione
configurazione
elettronica
elettronica
Classi
Classi Terze
Terze –– Lic.
Lic. Sc.
Sc. Tecnologico
Tecnologico
Anno
Anno Scolastico
Scolastico 2007/2008
2007/2008
Prerequisiti
 Conoscere l’evoluzione delle conoscenze sulla
costituzione dell’atomo, da Democrito a
Rutherford
 Conoscere e saper interpretare, guidati, i fatti
sperimentali e i fenomeni quotidiani che
indicano la natura elettrica della materia
2
Obiettivi
Obiettivi
 Acquisire il concetto di energia di ionizzazione
e di affinità elettronica
 Capire che attorno al nucleo sono disposti gli
elettroni in livelli di energia crescente
 Conoscere e capire il significato di
quantizzazione dell’energia nell’atomo
 Riconoscere nelle prove sperimentali la
conferma del modello di Bohr e dell’esistenza
dei livelli elettronici
3
Le
onde

In fisica con il termine onda si indica una
perturbazione che nasce da una sorgente e si
propaga nel tempo e nello spazio,
trasportando energia (o quantità di moto
senza comportare un associato spostamento
della materia)
4
Parametri descrittivi
 Ampiezza (A)
•
Variazione massima della grandezza caratteristica
del tipo d’onda rispetto al valore di base
⃗
E
⃗
B
• Altezza (onde nei liquidi)
• Pressione (onde sonore)
• Intensità di E o di B (radiazioni elettromagnetiche)
 Frequenza ( ni)
•
Numero di onde che passa in un certo punto in un
secondo (Hz)(s-1)
 Lunghezza d’onda ( lambda)
•
Distanza tra due picchi (massimi) successivi
5
c


Relazioni
 È dimostrata la relazione tra frequenza e
lunghezza d’onda
•
Nel vuoto sono in relazione inversa a meno
della costante c (=velocità della luce)
 Relazione di Planck
•
•
Tale relazione permette di ottenere l’energia
trasportata dall’onda elettromagnetica
E=h
• dove h è la costante di Planck che vale 6,626 x 10-34
J.s
c = 299 792,458 km/s
E  h 
6
Spettro elettromagnetico
 Insieme ordinato (per lunghezza
d’onda/frequenza) delle radiazioni
elettromagnetiche
7
Spettri di assorbimento
 Spettro continuo derivato dalla luce bianca del sole
oppure da una lampadina (candela)
 Se si fa attraversare un campione opportunamente
preparato dalla luce bianca può capitare che la
sostanza interferisca con la radiazione e ne assorba
una parte
•
Si ottiene uno spettro “continuo” che presenta righe, bande
o fasce scure, si parla di spettro di assorbimento
8
Spettri di emissione
S
C
R
R
 Quando si fa attraversare un campione
opportunamente preparato dalla luce bianca è possibile
con opportuni strumenti registrare la radiazione
precedentemente assorbita come radiazione emessa
•
Si ottiene uno spettro nero che presenta righe, bande o fasce
colorate, si parla di spettro di emissione
9
L’atomo
L’atomo da
da Democrito
Democrito aa Rutherford
Rutherford
Democrito
nel IV
secolo
a. C.
Dalton
nel
1803
Thomson
nel
1900
nel
1911
Rutherford
Bohr
nel
1913
10
Da Rutherford a Bohr
 Il modello di Rutherford fallisce
•
Gli elettroni sono particelle cariche molto
veloci che emetterebbero in brevissimo
tempo tutta l’energia posseduta collassando
sul nucleo
 Le orbite “planetarie” non sono adatte a
descrivere lo stato degli elettroni in un
atomo
 Il concetto rivoluzionario venne da Bohr
11
L’atomo di Bohr
 Si scopre il neutrone che viene collocato nel
nucleo dell’atomo
 Ma la rivoluzione più importante è stata quella
di attribuire valori energetici stabili e
quantizzati (ben precisi) a tutte le orbite
elettroniche
 L’idea era stata presa dal Fisico Max Plank che
ipotizzò che l’energia fosse quantizzata
 Bohr applicò questo concetto alle orbite
elettroniche
 Il modello di Bohr funzionava molto bene per
spiegare il comportamento dell’atomo di
idrogeno ma aveva problemi con atomi più
complessi
12
Uno
Uno scaffale
scaffale per
per gli
gli elettroni
elettroni
 Un elettrone che si trova in una certa orbita
possiede l’energia associata a quel livello
 I livelli più vicini al nucleo hanno meno
energia, quelli più lontani ne hanno di più
 Le orbite e quindi le energie permesse sono
poche e ben precise
 Come in uno scaffale: i libri possono trovare
posto solo ad altezze ben precise, in
corrispondenza di un ripiano
13





La
La quantizzazione
quantizzazione dell’energia
dell’energia
Gli elettroni possono
occupare solo i livelli a
atomo
distanze ed energie ben
precise
I livelli intermedi sono
da considerarsi
ee“proibiti”
Tra due livelli c’è una
differenza di energia
ecorrispondente ad un
“pacchetto” di precise
edimensioni
eeSe si fornisce una
e
confezione di energia
eadatta…
…è possibile
E5 E4
E3
E2
E1
nucleo
promuovere un
elettrone dal livello
 Pacchetti d’energia diversi non sono assorbiti
fondamentale a quello
dall’atomo e gli elettroni non si spostano verso
eccitato
livelli che risultano proibiti
14
Gli
Gli stati
stati dell’atomo
dell’atomo
 Definizione: lo stato dell’atomo quanto
in condizioni di stabilità ed
energia minima si definisce
fondamentale
 Definizione: l’atomo che ha
assorbito un pacchetto di energia
opportuno raggiunge lo stato
eccitato
e Definizione: quando l’atomo
eassorbe un pacchetto d’energia e
l’elettrone utilizza questa energia
eper raggiungere un livello più
nucleo
L1
alto, l’elettrone si definisce
promosso
atomo
e-
luce
L
L
2
3
15
Approfondisci:
Approfondisci:
energia associata ai livelli
 Un libro posizionato in un ripiano acquista
energia in relazione all’altezza del ripiano
 L’energia acquisita dal libro caratterizza il
ripiano o meglio la sua altezza
 Il libro è sempre lo stesso ma se si trova
vicino a terra quando cade non provoca
danni
 Se lo stesso libro ci cade in testa da un
ripiano molto alto può farci molto male
poiché possiede molta energia
16
Approfondisci:
Approfondisci: livelli permessi
 I libri dello scaffale possono
essere posizionati ad altezze
ben precise
 Poche altezze sono consentite
(5 piani solo 5 altezze)
 Moltissime altezze sono proibite
(i libri cadrebbero a terra)
 Per gli elettroni si parla di
distanze dal nucleo e di energia
permessa
17
La
La ionizzazione:
ionizzazione: cationi
 Quando si fornisce il pacchetto
d’energia giusto l’atomo può
E
perdere un elettrone
 Si deve fornire energia all’atomo
per allontanare l’elettrone
 Il primo elettrone perso è
sempre il più lontano dal nucleo
 Quando un atomo neutro perde
un elettrone si carica
positivamente
 Si è formato uno ione, un catione
N+
e-
18
La
La ionizzazione:
ionizzazione: anioni
 Alcuni elementi hanno la capacità
di acquistare elettroni
 Quando uno di tali atomi
acquista un elettrone emette un
pacchetto di energia
 Il primo elettrone acquistato
occupa il livello più lontano dal
nucleo
 Quando un atomo neutro
acquisisce un elettrone si carica
negativamente
 Si è formato uno ione, un anione
Cl
-
E
e-
19
Gli ioni: definizioni
AE +
- +3
-
-
-
EI
- +
-
+3
-
-
+
+3
-
+ -
-
 Uno ione è un atomo o un gruppo atomico
che ha acquisito o perso uno o più elettroni
(anioni, cationi)
 L’energia di ionizzazione è l’energia
necessaria a estrarre un elettrone da un
atomo neutro
 L’affinità elettronica è l’energia emessa da un
atomo neutro per addizione di un elettrone
20
Il diagramma delle EI
21
Domanda 1
 Obiettivo dell’esperienza
•
Verificare l’esistenza dei livelli elettronici e
le caratteristiche
• Quantizzazione dell’energia
•
Dimostrare la peculiarità delle
configurazioni elettroniche
• Riconoscimento qualitativo
22
Spettri di assorbimento e emissione
 Si ottiene uno spettro di assorbimento
•
•
Misurando il pacchetto assorbito dall’atomo
Otteniamo uno spettro continuo costellato
di righe nere
 Si ottiene uno spettro di emissione
•
•
Misurando il pacchetto emesso dall’atomo
Otteniamo uno spettro nero costellato di
righe di emissione
23
Promuovere l’elettrone
 Fornire l’energia necessaria per farlo
“saltare” al livello elettronico superiore
•
Il salto può essere sul livello contiguo o sui
successivi
24
Spettro visibile
 È costituito da onde elettromagnetiche
che il nostro occhio può percepire
•
•
Il rosso è la radiazione visibile a minore
frequenza, quindi è la meno energetica
Il violetto è la radiazione a maggiore
frequenza, quindi trasporta i pacchetti
energetici più elevati
25
Livelli permessi e non
 Perché l’energia dei livelli elettronici è
quantizzata
 Tutti i livelli caratterizzati da valori
energetici
26
La prima tavola periodica
 Il primo scienziato che ordinò gli elementi in
una tavola (tabella) fu Mendeleev
•
•
gli elementi conosciuti allora (1869) vennero
disposti in base al peso atomico
Attualmente si utilizza il numero atomico (Z)
 Mendeleev ebbe una grande intuizione:
•
•
Incolonnò gli elementi che, secondo lui,
presentavano comportamento chimico simile
Il ripresentarsi periodico delle proprietà ha dato il
nome alla tavola e ha permesso di individuare e
caratterizzare le famiglie chimiche
27
Tavola periodica
 Le righe della tavola periodica corrispondono
ai livelli elettronici
•
•
Infatti in ciascuna riga troviamo un numero di
caselle (elementi) corrispondente al numero
massimo di elettroni ospitabili
Le righe sono chiamate periodi
 Le colonne della tavola sono denominate
gruppi
•
Altro nome è “famiglie” chimiche
28
Le famiglie chimiche
 Tutti gli elementi ordinati lungo un gruppo
(colonna) presentano
•
•
Una certa somiglianza chimica (reattività)
Possiedono il guscio più esterno con una
disposizione elettronica simile
• Gli elettroni più esterni si chiamano di valenza
•
La somiglianza chimica è più spiccata per i gruppi
che si trovano agli estremi della tavola periodica
•
•
•
•
Gruppo
Gruppo
Gruppo
Gruppo
I – Metalli alcalini
II – Metalli alcalino-terrosi
VII – Alogeni
VIII – Gas nobili o inerti
29
P
Z=15
Elettroni di valenza = 5
Elettroni di Valenza
 Perché certi elementi hanno un
comportamento chimico simile?
 Mendeleev non dava nessuna spiegazione
della sua tavola
 Gli elementi che si comportano in modo simile
lo fanno perché mostrano una configurazione
elettronica esterna simile
•
•
•
Situazione elettronica nello strato più esterno
Gli elettroni più esterni sono detti “di valenza”
Lo strato più esterno è detto “di valenza”
30
Periodicità delle proprietà
 Lungo un periodo (riga) le proprietà
chimiche variano in modo costante
 Lungo un gruppo (colonna) si riscontra
una somiglianza chimica
31
Energia di prima ionizzazione
 Energia necessaria per estrarre un
elettrone da un atomo gassoso e
portarlo alla distanza infinita
 Ci sono elementi che perdono
facilmente l’elettrone e altri che
richiedono molta energia
•
A + EI  A+ + 1e32