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LEZIONE 1
Struttura della materia e
GHOO¶DWRPR
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Gli argomenti trattati
Composizione della materia
9 materia, sostanze e miscele, elementi e composti
9 Fondamenti di struttura atomica
9 Molecole: formula empirica, formula molecolare,
formula di struttura e formule tridimensionali
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Materia
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/¶universo e le trasformazioni che in esso
avvengono possono essere descritte in
termini di: materia ed energia
Materia è tutto ciò che ha una massa ed
occupa un volume
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IL 97,7%DELLA
MATERIA COSMICA (¶
COSTITUITO DA DUE
ELEMENTI: IDROGENO
E ELIO
SULLA DESTRA SONO
RIPORTATI
I CINQUE ELEMENTI
3,8¶',))86,'(//$
CROSTA TERRESTRE:
OSSIGENO, SILICIO,
ALLUMINIO, FERRO E
CALCIO
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Materia
Gli stati della materia sono:
SOLIDO
LIQUIDO
GASSOSO
9 La descrizione macroscopica della materia è
basata sui sensi
9 La descrizione microscopica è basata sulla
teoria atomica
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Sostanze
Le varie forme della materia sono dette sostanze
Una sostanza ha composizione fissa e costante ed
è caratterizzata da proprietà chimiche e fisiche
Sostanze: sostanze elementari (gas monoatomici o
aggregati di atomi uguali) o composti (aggregati
di atomi differenti)
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Sostanze elementari
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Cloro: gassoso a T ambiente; Bromo: liquido abbastanza Iodio: il vapore violetto
condensa sulla provetta
volatile da riempire la beuta dello iodio ricristallizza
fredda come liquido giallo
di vapori
sul pallone freddo
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Composti
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Miscele
Una miscela è formata da più sostanze. Le sostanze
che costituiscono una miscela possono essere separate
con metodi fisici.
Miscele omogenee: i componenti costituiscono
XQ¶XQLFD fase (es. aria, leghe, sale disciolto in acqua)
Miscele eterogenee: costituite da due o più fasi (es.
acqua\olio, soluzioni sovrassature, sangue ecc.)
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MISCELE
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..schematizzando..
Fondamenti di struttura atomica
9
9
9
9
9
Elettroni, protoni e neutroni
Numeri quantici
/¶RUELWDOH
Il numero atomico
Isotopi
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Atomi
¾ Gli atomi sono i costituenti fondamentali
della materia.
¾ Si conoscono 109 specie differenti di atomi
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67587785$'(//¶$7202
Per chiarire la struttura degli atomi e per
rappresentarla mediante un modello è necessario
conoscere:
le parti che formano gli atomi;
ODORURRUJDQL]]D]LRQHDOO¶LQWHUQRGHJOLDWRPL;
le forze che agiscono tra le varie parti e quindi la
loro energia.
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Atomi
¾ Un atomo è costituito
da
tre
tipi
di
particelle: protoni e
neutroni, localizzati
nel nucleo ed elettroni
che
si
muovono
intorno al nucleo
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ATOMO
Particella
carica
Neutrone
Protone
Elettrone
nessuna
positiva
negativa
1,6021x10-19C -1,6021x10-19C
massa
dimensioni
1,67x10-27kg
1 x 10-15
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1,67x10-27kg
1 x 10-15
9,11x10-31kg
1 x 10-19
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Studio del modello atomico
MILLIKAN misurò la carica elettrica GHOO¶HOHWWURQH
THOMSON
GHOO¶HOHWWURQH
misurò
il
rapporto
carica/massa
RUTHERFORD dimostrò che la massa di un atomo è
concentrata nel nucleo e che il suo volume è dato
essenzialmente dagli elettroni che girano attorno al
nucleo
,OUDJJLRGLXQDWRPRqDOO¶LQFLUFD-8 cm
Il nucleo ha un raggio di 10-13 cm
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Modello atomico di Bohr
PREVEDE PER GLI ATOMI
LA QUANTIZZAZIONE DEI LIVELLI ENERGETICI
Il singolo elettrone può occupare solo certe orbite o
livelli energetici.
/¶HPLVVLRQH o O¶DVVRUELPHQWR di radiazione da parte
GHOO¶HOHWWURQH comporta il salto da XQ¶RUELWD DOO¶DOWUD.
/¶HQHUJLD del fotone della radiazione emessa o
assorbita (hQ) corrisponde esattamente alla
differenza di energia tra O¶RUELWD di partenza e quella
di arrivo.
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Modello atomico di Bohr
E2-E1 = KȞ
E3
E2
E1
Ȟ = frequenza della radiazione emessa
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Principio di indeterminazione
di Heisenberg
1HOO¶LQILQLWDPHQWH piccolo vi è incertezza nella posizione ('x)
ed incertezza sulla quantità di moto ('p) di un elettrone.
Tanto più uno dei valori è determinato con accuratezza, tanto
più O¶DOWUR diviene incerto.
La moderna MECCANICA QUANTISTICA non
descrive in modo esatto la posizione o il moto di un
elettrone, ma considera la probabilità di ritrovarlo in
un certo punto di un atomo o di una molecola.
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/¶RUELWDOHFRPHSUREDELOLWj
La distribuzione di probabilità di un
elettrone O¶RUELWDOH é descritta da una
funzione matematica, EQUAZIONE
DI SCHRODINGER.
La funzione G¶RQGD ȥ che si ottiene
dalla soluzione GHOO¶HTXD]LRQH
è
caratterizzata da terne di numeri
interi (n, 1, m,) detti numeri quantici.
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Una IXQ]LRQHG¶RQGD ȥ con associati valori di n,
l, m si chiama orbitale.
¾
Il numero quantico principale (n) definisce il livello
energetico GHOO¶RUELWDOH
¾
Il numero quantico angolare (l) indica i sottolivelli possibili
per ogni livello energetico e definisce la forma GHOO¶RUELWDOH
¾
Il numero quantico magnetico (m) definisce O¶RULHQWDPHQWR
GHOO¶RUELWDOH
n ed l definiscono il contenuto energetico totale di un orbitale.
Orbitali con uguali valori di n ed l, che differiscono per il valore
di m, sono detti degeneri (hanno la stessa energia)
ȥ2 è la probabilità di trovare O¶HOHWWURQH in una determinata
regione di spazio.
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n: il numero quantico principale
/¶Hnergia che un elettrone di un
atomo può avere è quantizzata,
cioè limitata a certi valori
calcolabili con la formula:
E
k
2
n
n, dal punto di vista matematico può assume valori
interi da 1 a f, dal punto di vista fisico descrive
O¶HQHUJLDGHOO¶HOHWWURQH.
Se si rimuove un elettrone GDOO¶DWRPR (ionizzazione),
si dice che O¶HOHWWURQH è eccitato alla stato quantico n =
f. Se n tende DOO¶LQILQLWR E tende a zero.
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l: il numero quantico secondario
l dal punto di vista matematico può
assumere tutti i valori interi da 0 a
n-1, dal punto di vista fisico descrive
la IRUPDGHOO¶RUELWDOH.
Orbitali con l = 0 (s) hanno
simmetria sferica
Orbitali con l > 1 (p, d e f) hanno
simmetria lobata
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m: il numero quantico magnetico
m dal punto di vista matematico
può assumere i valori interi
compresi tra - l<m<+ l, dal
punto di vista fisico descrive
O¶RULHQWDPHQWRGHOO¶RUELWDOH
l = 1,
m = -1, 0,+1
3 orbitali p
l = 2,
m = -2, -1, 0, +1, +2
5 orbitali d
Numero quantico di spin
Dal punto di vista matematico ha due valori +½ o ± ½,
dal punto di vista fisico descrive il senso di rotazione
GHOO¶HOHWWURQHVXOSURSULRDVVH.
/¶HOHWWURQHSDUWLFHOODFDULFDUXRWDQGR
sul proprio asse (spin), genera un campo
magnetico la cui polarità dipende dal
verso di rotazione.
La rotazione oraria genera un campo
allineato con quello terrestre, condizione
di minore energia SHUO¶HOHWWURQHOD
rotazione antioraria genera una
condizione a più alta energia.
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Numero atomico e numero di massa
¾ Numero atomico (Z): numero di protoni
¾ Numero di massa (A): numero totale di
protoni e neutroni
¾ Numero di neutroni (N) = A-Z
A
Z
Simbolo
1
35
4
H
He
17 Cl
1
2
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Cl
37
17
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ISOTOPI
Elementi che hanno uguale numero atomico
(Z) ma diverso numero di massa (A)
Z
20
20
20
20
20
20
20
N
20
22
23
24
25
26
28
A simbolo
40 40
Ca
20
42 42
Ca
20
43 43
Ca
20
44 44
20Ca
45 45
20Ca
46 46
20Ca
48 48
Ca
20
Gli isotopi del calcio hanno
20 protoni nel nucleo ma il
numero dei neutroni varia
da 20 a 28.
Z: numero atomico
N: numero di neutroni (A-Z)
A: numero di massa (N+Z)
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ISOTOPI
9 Tutti gli isotopi (= stesso posto) di un elemento
occupano lo stesso posto nella Tavola Periodica
9 Gli isotopi di uno stesso elemento hanno uguali
proprietà chimiche ma diverse proprietà fisiche.
9 Molti elementi sono presenti in natura come
miscela isotopica a composizione costante.
/¶RVVLJHQRFKHUHVSLULDPRqXQDPLVFHODLVRWRSLFD
O
16
8
O
17
8
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O
18
8
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Molecole
Numerose sostanze sono formate da atomi uguali o
diversi, legati a piccoli gruppi secondo rapporti di
combinazione definiti e costanti. Questi aggregati di
atomi sono detti molecole.
Le molecole possono essere biatomiche, se formate
da due atomi (O2, H2, CO), triatomiche (H2O, CO2) e
poliatomiche (P4, S8).
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Simboli chimici degli elementi
Fe ferro
N azoto
Al alluminio
Ca calcio
Cl cloro
C carbonio
K potassio
F fluoro
S zolfo
Na sodio
Mg magnesio Ba bario
C carbonio
P fosforo
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B boro
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Formule chimiche
H2O
Nella formula della molecola G¶DFTXD:
H è il simbolo GHOO¶LGURJHQR
O è il simbolo GHOO¶RVVLJHQR
i pedici indicano il numero di atomi di
ogni elemento presenti nella molecola (2
di H e 1 di O)
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Formule chimiche
Na2CO3
Nella formula del carbonato di sodio:
Na è il simbolo del sodio
C è il simbolo del carbonio
O è il simbolo GHOO¶RVVLJHQR
2, 1 e 3 sono, rispettivamente, gli
atomi di Na, C e O presenti nella
molecola.
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RAPPRESENTAZIONI DI UNA MOLECOLA
Formula empirica (o minima) - indica gli atomi
costituenti il composto ed il loro rapporto numerico
di combinazione.
Formula molecolare - Ci dice quanti atomi di
ciascun tipo sono presenti in una molecola della
sostanza.
Sostanza
Acqua
Ac. ossigenata
Formula
empirica
H20
HO
Formula
molecolare
H2 0
H2O2
CH3
C2H6
Etano
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Formula di struttura ± Ci dice come i vari atomi
sono legati (concatenati) tra di loro.
Formula tridimensionale ± indica la disposizione
spaziale degli atomi in una molecola
H
CH4
H
C
H
H
formula minima
Ł
formula molecolare formula di struttura
Formula tridimensionale
(rappresentazione a cuneo e modello a sfere e bastoncini)
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Struttura e proprietà
¾
Uno degli scopi della chimica moderna è quello di correlare
proprietà e struttura di una sostanza, intendendo per struttura
O¶RUJDQL]]D]LRQH spaziale degli atomi di una molecola
¾
Per esempio, GHOO¶HOHPHQWR carbonio (C) si conoscono più forme
allotropiche diverse, come il diamante e la grafite, che hanno
proprietà molto differenti.
GRAFITE
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DIAMANTE
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C
C
120°
109°
GRAFITE
DIAMANTE
Il carbonio forma una struttura 2D in
cui un doppio legame e due legami
semplici sono orientati secondo i vertici
di un triangolo equilatero
Il carbonio forma una struttura
3D con i suoi 4 legami orientati
secondo i vertici di un tetraedro
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