Appunti Chimica inorganica

Chimica generale ed inorganica

Il concetto di atomo

Teoria atomica di Dalton

Dalton elaborò la sua teoria atomica che si basava su osservazioni sperimentali.

Egli propose una teoria organica della materia, una teoria atomistica.

Secondo la sua teoria, ogni elemento è composto da atomi immaginati come sfere rigide (tornando all’idea di Democrito 2000 anni prima). Gli atomi di un dato elemento sono quindi uguali.

Enunciò anche il principio che derivava dalla legge delle proporzioni costanti. In una reazione chimica gli atomi non vengono alterati, i composti si formano quando atomi di due o più elementi si combinano in una reazione (o trasformazione).

La struttura degli atomi – Faraday

Faraday spiega con degli esperimenti di elettrolisi che la materia contiene particelle elettricamente cariche: gli atomi, quindi, sono costituiti da particelle con cariche negative e positive.

Faraday dimostra che gli atomi sono divisibili in particelle cariche elettricamente.

Gli atomi sono neutri quando il numero di particelle cariche positive sono uguali a quelle negative.

Faraday assegna ad un tipo di particelle il segno – e alle altre +, questa è convenzione. 1

J.J. Thomson – Esperimento, la scoperta dell’elettrone

L’esperimento fu eseguito attraverso l’utilizzo di uno strumento chiamato tubo a raggi catodici.

Lo strumento è costituito da un tubo di vetro sigillato contenente un gas X (può essere qualsiasi) a bassa pressione, dunque all’interno vi è il vuoto.

All’interno del tubo sono posti due elettrodi metallici/placche:

• Catodo (-): Emette i raggi catodici
• Anodo (+): Riceve i raggi

I due elettrodi sono collegati ad un generatore ad alta tensione.

Il fascio di particelle viene proiettato verso uno schermo fluorescente che si illumina quando colpito.

Osservando la direzione in cui questo raggio veniva deflesso, a causa dell’applicazione di un campo elettrico, Thomson dimostrò che i raggi catodici sono fasci di particelle dotate di carica negativa (elettroni) provenienti dall’interno degli atomi costituenti l’elettrodo di carica negativa, detto per l’appunto catodo.

Quindi Thomson capisce che il catodo emette elettroni, le particelle piccole colpiscono lo schermo. Ciò corrispondeva a quanto aveva detto Faraday anni prima.

L’anodo ha un buco e il raggio catodico raggiunge lo schermo fluorescente, che si illumina nel punto d'impatto.

• Applicando un campo elettrico attraverso l’utilizzo di due placche cariche poste sopra e sotto il fascio, se il raggio viene deviato verso la placca positiva, significa che è carico negativamente; dunque, i raggi catodici sono particelle cariche negativamente.
• Applicando un campo magnetico attraverso l’utilizzo di un magnete si può notare che il raggio compie una deviazione laterale, prova che il raggio è formato da particelle in movimento e non da onde.

Se i raggi catodici fossero stati onde elettromagnetiche, non si sarebbero deviati con l’applicazione dei campi elettrici o magnetici perché le onde non trasportano cariche; la loro deviazione dimostra invece che sono particelle cariche negativamente.

Thomson studiò le traiettorie degli elettroni sul campo elettrico del condensatore.

Quindi tramite lo studio delle traiettorie delle particelle, egli determinò il rapporto carica/massa (e/m) dell’elettrone.

Quando Thomson accendeva solo il campo elettrico (E) tra due piastre parallele, il fascio di elettroni veniva deviato verso la piastra positiva (perché gli elettroni hanno carica negativa).

Quando Thomson accendeva solo il campo magnetico (H) la deviazione risultava nella direzione opposta rispetto a quella causata dal campo elettrico. 2

Thomson regolò l’intensità dei due campi E e H fino a far sì che le due deviazioni si annullassero: il fascio tornava ad essere rettilineo. Dunque, in questo stato le forze si bilanciano: forza elettrica = forza magnetica (eE=evH)

Dopo aver trovato v, Thomson spense il campo elettrico e lasciò solo il campo magnetico. In questo caso gli elettroni descrivono una traiettoria circolare di raggio r.

La forza magnetica fornisce la forza centripeta necessaria al moto circolare: forza centripeta = (mv2)/r evH=(mv2)/r e/m=v(Hr) à à

Sostituendo la velocità trovata precedentemente: e/m = (E/H)/(Hr)=E/(H r) = 1,76*10 (C/Kg)2 11

L’esperimento della goccia d’olio

La carica di un elettrone – Millikan

La carica di un elettrone fu misurata in un famoso esperimento del 1911 da Millikan.

Egli utilizzò un condensatore, formato quindi da due piastre metalliche parallele (su quella superiore c’era un piccolo buco) tra le quali si poteva applicare una differenza di potenziale, un campo elettrico E uniforme.

Le goccioline di olio furono nebulizzate nella camera superiore, caricandosi elettricamente per attrito/strofinio o per ionizzazione con raggi X.

Inizialmente, con campo elettrico spento, Millikan osserva con un microscopio la caduta delle goccioline per effetto della gravità, e grazie a questo può misurare la velocità e calcolare il raggio r della goccia.

Ricava la massa utilizzando la legge di Stokes: F = 6π (viscosità dell’aria) (raggio) (velocità costante) attrito

Per cui si ricava il raggio r e da questo la massa m perché m = 4/3 (π) (r ) (densità olio)3

Successivamente raggiungono una velocità costante in quanto la forza di gravità tira la gocciolina verso il basso, la resistenza dell’aria la frena verso l’alto e quando le due forze si equilibrano, la goccia non accelera più.

(F = F ) Forza gravitazionale = Forza elettrica à gravitazionale attrito

Grazie alla placca positiva del condensatore la gocciolina può rimanere sospesa.

Mg= E(Ze) (M=massa della goccia, misurabile)

Ze= è il numero di cariche presente su una gocciolina di olio

e= -1.6 x 10^-19 C

Più o meno negli stessi anni si scopre l’esistenza di protoni e neutroni. 3

Simboli atomici

• Il numero atomico (Z) di un elemento è il numero di protoni in un atomo.
• Gli isotopi hanno numero uguale di protoni ma numero diverso di neutroni.
• Numero di massa (A) è la somma di protoni e neutroni.

Una specie chimica è una miscela naturale di isotopi, ovvero vari campioni di un elemento avranno rapporti isotopici diversi ma alla fine si mediano tutti i campionamenti fatti.

Un atomo neutro ha lo stesso numero di elettroni e di protoni.

Un atomo carico si dice ione ed ha numero diverso di elettroni e di protoni.

Un atomo che ha un eccesso di elettroni (p<e) è carico negativamente: anione.

Un atomo che ha un difetto di elettroni (p>e) è carico positivamente: catione.

Struttura atomica

Per comprendere la struttura dell’atomo abbiamo bisogno di elementari fondamenti della fisica. Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dalla posizione e dall’energia (capacità di un sistema di compiere un lavoro) degli elettroni all’interno di un atomo.

Energia

• Cinetica = ½ mv2
• Potenziale = mgh

Posizione degli elettroni

Per capire la sua tendenza di combinarsi o meno con un certo numero tipo di atomi a lui uguali o diversi si deve sapere dove sono gli elettroni.

Si deve utilizzare la luce.

La luce approfondimento

Secondo Newton la luce è costituita da un fascio di particelle (capaci, ad esempio, di rimbalzare sulla superficie di uno specchio) e quindi ha natura corpuscolare.

Poi, secondo Maxwell e Boltzmann ed in seguito ad esperimenti di ottica, la luce è una radiazione elettromagnetica, e ha quindi natura ondulatoria.

La luce è quindi costituita da un campo magnetico e uno elettrico che oscillano perpendicolarmente tra di loro.

La radiazione elettromagnetica definita da frequenza, periodo, lunghezza d’onda.

Velocità della luce nel vuoto = c = 3 x 10⁸ m/s

c = λ (lunghezza d’onda) / T (periodo) = 3 x 10⁸ m/s

Lo spettro elettromagnetico

La porzione dello spettro elettromagnetico che va da 10^-6 a 10^-10 è captabile dall’occhio umano (colore).

Teoria dei quanti: Risultato del lavoro di più scienziati: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schrödinger, Heisenberg.

La radiazione del corpo nero

È un oggetto metallico nero, supponiamo sferico, una palla vuota dentro. Questa palla ha un buco. Si inizia a scaldare, aumentando la temperatura del metallo. Man mano che si scalda, dal buco di questa palla inizia a fuoriuscire della luce, della radiazione elettromagnetica.

I fotoni sono onde luminose che emettono colori, ovvero tutto lo spettro elettromagnetico.

Man mano che si scalda cambia sia l’intensità della luce che viene emesso un insieme di lunghezze d’onda.

I fisici non capivano.

Viene prevista la ‘catastrofe ultravioletta’: nelle equazioni precedenti a quella di Planck, senza la sua costante, si ha che l’intensità della luce è inversamente proporzionale alla quarta lunghezza d’onda: se aumento l’intensità d’onda, aumenta anche l’intensità della luce, ma questo non accade.

Planck: con una nuova costante, h, capisce che la luce emessa dal corpo nero riscaldato, l’energia non era emessa in modo continuo ma in modo discontinuo, con dei pacchetti di energia molto piccoli ma discontinui.

L’effetto fotoelettrico

Si voleva dimostrare la quantizzazione dell’energia/ che l’energia è quantizzata: secondo Maxwell e Boltzmann (che consideravano la luce una radiazione elettromagnetica) se si aumentava l’intensità, si aumentava anche l’energia dei fotoelettroni, cosa che non succedeva, perché aumentava solo il numero dei fotoelettroni.

Un circuito nel quale c’è un condensatore (condensatore all’interno di un tubo in cui c’è il vuoto), con due armature (una con polo positivo, l’altro negativo) su quella del polo negativo si applica una placca metallica (cosicché gli e- vanno al polo positivo).

Cosa succede? Si prende una luce, dall’alto, si spara sulla placca metallica.

Energia aumenta all’aumentare della frequenza (quindi diminuisce la lunghezza d’onda), ma ciò succede solo ad un certo valore soglia (che varia in base al metallo).

Nel circuito circola quindi corrente, anche se è aperto.

Il numero di quanti fotoelettroni vengono emessi dipende dall’intensità.

Intensità della radiazione = numero di fotoni presenti.

Quantizzazione dell’energia: l’energia aumenta nel singolo elettrone, non nel numero di elettroni.

Il problema era che se veniva diminuita la lunghezza d’onda i fotoelettroni non uscivano più.

Se si va al di sopra di una certa frequenza (quindi diminuendo la lunghezza d’onda) loro iniziano ad uscire, i fotoelettroni che escono sono sempre più veloci.

Ma perché escono questi fotoelettroni e perché la loro energia cinetica aumenta sempre? 5

Secondo la teoria ondulatoria, che tutti consideravano valida fino al fotoelettrico: questa teoria non spiegava l’effetto fotoelettrico: secondo Maxwell e Boltzmann la doveva dipendere dalla intensità della luce, dunque dall’oscillazione dei campi elettromagnetici.

Arriva Einstein.

Riprende in mano l’idea di Newton che, diceva che la luce è composta da particelle (modello corpuscolare) e le chiama “fotoni”, ovvero pacchetti di energia che trasportano piccoli segmenti d’onda, che possiedono una determinata energia, lunghezza d’onda e frequenza.

Ruba la equazione di Planck, dicendo che: E=hν

La luce ha quindi 2 nature, una macroscopica e una microscopica:

• Macroscopica, Si comporta come un’onda
• Microscopica, Si comporta come una particella

Quindi si arriva alla conclusione che la luce sia costituita da fotoni (pacchetti di luce privi di massa ma sono corpuscoli di energia) che trasportano dei piccoli segmenti di onda.

Dovettero quindi accettare un dato sperimentale, ovvero la luce incidente su una superficie metallica provoca l’emissione di elettroni dalla superficie stessa (fotoelettroni).

L’emissione di fotoelettroni dalla superficie avviene solo se la frequenza della luce incidente è superiore ad un certo valore soglia che dipende dal tipo di superficie.

Il numero die fotoelettroni emessi è proporzionale alla intensità della luce.

Riprendendo anche il modello quantizzato dell’energia precedentemente proposto da Planck, Einstein propose che l’energia dei fotoelettroni emessi fosse quantizzata, in pacchetti di energia pari a hv (eq. di Planck-Einstein) : E=hv

Più fotoni si hanno più elettroni escono dalla superficie. La velocità con cui gli elettroni escono dalla superiore dipendono dalla frequenza – la frequenza di soglia.

La luce ha quindi una natura dualistica (onda-particella) in funzione dell’esperimento utilizzato per studiarne la natura. Ci sono due modelli, entrambi provati essere validi per descrivere il comportamento della luce con la materia (spettroscopia: interazione materia-luce).

Quanto è h? h è un numero con unità di misura [J ] x [s]

La costante di Planck misurata vale 6.626 x 10 ^-34 J x s.

La costante di Planck ha le stesse unita di misura del ‘momento angolare’ (se un corpo di massa m si muove di velocità uniforme v, la quantità di moto è m x v. Ma se il moto è circolare è dotato anche di momento angolare).

Bohr - Strutture atomiche

Niels Bohr estese l’idea di quantizzazione della luce alla descrizione dell’energia meccanica degli elettroni all’interno di un atomo: l’energia interna dell’atomo doveva essere anch’essa quantizzata. 6

Thomson, modello a panettone, spettro - Struttura atomica

Thomson propose il ‘modello a panettone’, ovvero che l’atomo fosse un corpo unico costituito da:

• Un insieme di protoni distribuiti in modo uniforme
• Nello spazio dei protoni si collocavano gli elettroni, anch’essi distribuiti in modo da minimizzare le repulsioni reciproche

Ma i calcoli teorici effettuati sulla base di questo modello non erano concordi con dati sperimentali di lunghezze d’onda emesse da atomi portati ad altra temperatura, che erano questi:

• Scaldando del gas ad alta temperatura il gas emette luce, emettendo non uno spettro continuo di frequenze (con intensità diverse) bensì solo lunghezze d’onda singole e ben definite
• Oppure, se colpito con una luce bianca, si ottengono le linee di assorbimento

Non teneva conto dell’effetto fotoelettrico.

Le lunghezze d’onda erano state misurate dagli spettro scopisti.

Il modello di Thomson non funzionava. Qualunque modello atomico avrebbe dovuto riprodurre esattamente quel dato sperimentale.

Bohr proponeva che anche l’energia degli elettroni all’interno di un atomo fosse quantizzata, in contrasto con le idee classiche su cui si poggiava il modello di Thomson.

Bohr si unisce al gruppo di Rutherford, che studiava la struttura interna degli atomi ed egli propone un nuovo modello atomico.

Rutherford, l’esperimento della foglia d’oro – Struttura atomica

Una sorgente radioattiva (posta in un blocco di piombo) emette particelle alfa, cioè nuclei di elio-4 costituiti da 2 protoni e 2 neutroni, con carica positiva 2+ e massa elevata.

Il fascio di particelle alfa viene diretto contro una sottile lamina d’oro (scelta perché il materiale è molto malleabile e può essere ridotto in spessori di pochi atomi).

Intorno alla lamina è posto uno schermo fluorescente, che si illumina nel punto in cui viene colpito da una particella alfa.

La lamina è collocata esattamente tra la sorgente di particelle e lo schermo, in modo che si possa osservare la direzione in cui le particelle vengono deviate.

Secondo il modello di Thomson (a “panettone”), la carica positiva era distribuita uniformemente in tutto l’atomo; quindi, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare la lamina quasi senza deviazioni, poiché non c’era nulla di sufficientemente concentrato da respingerle.

Ma, i risultati furono inaspettati:

• La maggior parte delle particelle passa dritta (questo era previsto)
• Alcune particelle vengono deviate leggermente
• Pochissime particelle rimbalzano indietro. Questo accade in quanto le particelle alfa, essendo positive, vengono respinte se si avvicinano troppo a qualcosa di altamente positivo, ovvero il nucleo. Ciò avviene raramente in quando il nucleo è piccolissimo rispetto all’intero atomo

Si elaborò quindi un nuovo modello di atomo

• La gran parte della massa dell’atomo è in una parte confinata in un piccolissimo volume chiamata nucleo, che contiene tutta la carica positiva.
• Intorno a questo nucleo c’è un’ampia regione di vuoto, in cui si trovano gli elettroni.

Vennero successivamente calcolate le distanze internucleari e le dimensioni dell’atomo.

• Le dimensioni dell’atomo erano di circa 1,5 Armstrong (150 picometri (10 ))^-12
• Le dimensioni del nucleo erano 0.01 picometri

Problema

Secondo la fisica classica, un elettrone che ruota attorno al nucleo è una carica elettrica negativa in movimento circolare attorno a una carica positiva.

Dal punto di vista elettromagnetico, questo modello presenta un problema fondamentale.

Un elettrone in moto circolare rappresenta un dipolo elettrico oscillante:

• Quando l’elettrone si trova a destra del nucleo, il dipolo è orientato verso destra;
• Quando è a sinistra, è orientato verso sinistra;
• Quindi, mentre l’elettrone ruota, il dipolo oscilla continuamente.

Ora, un dipolo elettrico oscillante (sistema elettrone nucleo): genera un campo elettromagnetico variabile