Chimica generale e inorganica

Struttura dell'atomo

Intorno al 1900 una serie di esperimenti eseguiti in Inghilterra da scienziati come Sir Joseph John Thomson ed Ernest Rutherford definirono un modello dell'atomo che rimane ancora alla base della moderna teoria atomica.

Particelle subatomiche

Tutti gli atomi sono formati da tre tipi di particelle subatomiche:

• I protoni, dotati di carica positiva
• I neutroni, elettricamente neutri
• Gli elettroni, dotati di una carica negativa che in valore assoluto è uguale a quella del protone.

Il modello prevede che le particelle di massa maggiore, i protoni e i neutroni, si trovino in un nucleo molto piccolo, che contiene tutte le cariche positive e praticamente la massa dell'atomo. Gli elettroni, con una massa di gran lunga minore di quella dei protoni e dei neutroni, circondano il nucleo e occupano la maggior parte del volume dell'atomo. Le proprietà chimiche degli elementi e delle molecole dipendono in gran parte dagli elettroni.

L'elettrone è più piccolo di un protone di circa 10³, la massa di un elettrone è di 1000 volte minore di quella di un protone. Stessa cosa vale per il neutrone, che ha circa la stessa massa di un protone. La massa di un atomo è, inoltre, concentrata tutta nel nucleo.

Numero atomico

Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo. L'idrogeno è l'elemento più semplice, con un solo protone nel nucleo. Tutti gli atomi di elio hanno due protoni, tutti quelli di litio ne hanno tre, mentre quelli di berillio ne hanno quattro. Il numero di protoni in un elemento rappresenta il numero atomico, il cui simbolo è Z.

Numero di massa

Poiché i protoni e i neutroni hanno una massa molto vicina a 1 u e l'elettrone ha una massa che è solo circa 1/2000 di questo valore, conoscendo il numero dei protoni e dei neutroni si può stimare la massa approssimata di un atomo. La somma del numero dei protoni più quello dei neutroni viene chiamata numero di massa ed è indicata con il simbolo A. A = numero di massa = numero dei protoni + numero dei neutroni.

Isotopi

Gli atomi con lo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa, sono chiamati isotopi. Solo in pochi casi (es. l'alluminio, il fluoro e il fosforo) tutti gli atomi di un campione di un certo elemento presente in natura hanno la stessa massa. La maggior parte degli elementi è formata da atomi con diversi numeri di massa.

Per esempio, esistono due tipi di atomi di boro, uno con una massa di circa 10 u (¹⁰B) e un altro con una massa di circa 11 u (¹¹B). Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni – cinque, nel caso del boro. Questo significa che, per avere masse differenti, gli isotopi devono avere un differente numero di neutroni. Il nucleo di un atomo di ¹⁰B (Z = 5) contiene cinque protoni e cinque neutroni, mentre il nucleo di un atomo di ¹¹B contiene cinque protoni e sei neutroni.

Gli isotopi dell'idrogeno sono così importanti che possiedono nomi e simboli specifici. Tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone; quando questa è l'unica particella nel nucleo, l'isotopo è chiamato prozio. L'isotopo dell'idrogeno con un neutrone è chiamato deuterio. Il nucleo dell'isotopo radioattivo trizio contiene un protone e due neutroni. In un composto, la sostituzione di un isotopo di un elemento con un altro isotopo dello stesso elemento ha, talvolta, delle conseguenze sulle proprietà chimiche e fisiche.

Abbondanza isotopica

La maggior parte degli elementi chimici si presenta come miscela di 2 o più isotopi: conviene allora, per precisare la costituzione isotopica di un elemento, introdurre la cosiddetta abbondanza isotopica relativa definita, per ogni isotopo, come la percentuale in massa con cui esso è presente nell’elemento. Se sono note abbondanza e massa dell’isotopo, il peso atomico di un elemento può essere calcolato usando l’equazione:

Unità di massa atomica

L'unità di massa atomica è un’unità di misura della massa che non appartiene al sistema internazionale, e che per definizione corrisponde alla 12ª parte della massa dell'atomo di carbonio-12. Un'unità di massa atomica equivale a circa 1,66054 x 10^-24 grammi. L'acronimo dell'unità di massa atomica è uma, e nelle formule viene indicata con il simbolo u.

Massa atomica e peso atomico

Quando la massa di un atomo di un elemento si esprime in unità di massa atomica si parla di massa atomica (MA), da non confondere con la massa atomica relativa o peso atomico (PA). La massa atomica, o massa atomica assoluta, è una grandezza che esprime la massa di un atomo di un elemento in unità di massa atomica. Il peso atomico, o massa atomica relativa, è una grandezza adimensionale che esprime la massa atomica rispetto all'unità di massa atomica.

La radioattività

La radioattività è l’emissione spontanea di radiazioni da una sostanza.

• I raggi-X e i raggi γ sono fasci di luce ad alta energia.
• Le particelle α sono un flusso di nuclei di elio, He²⁺.
• Le particelle β sono un flusso di elettroni ad alta velocità che sono originati nel nucleo.

Al momento sono di nostro interesse le particelle α. L’elio privo di elettroni si chiama particella α. L’elio si trova nel primo periodo e ha 2 elettroni e 2 protoni. Se togliamo i due elettroni rimane solo il nucleo, che è 10 volte più piccolo dell’atomo. Quindi sono piccoli proiettili, con una densità notevole e, quando arrivano, possiedono una notevole energia cinetica.

Esperienza di Rutherford

Sebbene fosse noto che gli atomi fossero costituiti da particelle più piccole, non era chiaro come queste particelle si combinassero insieme. Gli esperimenti di Rutherford condussero al modello accettato.

Vi è una sorgente radioattiva che emette particelle α, attorno a cui vi è un anello ricoperto da una pellicola fluorescente, per cui quando arrivano le particelle α (ad alta energia cinetica) lo schermo si illumina.

Rutherford introduce tra la sorgente (fatta da piombo, all’interno di cui vi è un elemento radioattivo che, quando decade, ovvero si spezza il nucleo, emette le particelle α) e lo schermo fluorescente una lamina d’oro (gli atomi d’oro hanno un nucleo molto piccolo, intorno al quale vi sono gli elettroni piccoli e distanti tra loro).

Ci si aspettava che le particelle rimbalzassero. La maggior parte delle particelle attraversarono il bersaglio come se fosse vuoto. Tuttavia, alcune particelle vennero deflesse o, addirittura, respinte indietro.

• Le particelle vengono deflesse perché, essendo cariche positivamente, sfiorano il nucleo positivo e vengono leggermente deviate.
• Le particelle tornano indietro se vanno a colpire il nucleo che è carico positivamente.
• Se la particella α passa non troppo vicina al nucleo incontra gli elettroni, che sono piccoli e distanti tra loro. Di conseguenza, la probabilità di urtare un elettrone è davvero bassa. Per questo le particelle attraversano il bersaglio.
• Se la particella α urta un elettrone, la particella α continua dritto attraversando il bersaglio. Ciò a causa delle differenti masse delle due particelle.

In base all’esperienza di Rutherford si è potuto definire il rapporto tra il diametro atomico e il diametro nucleare, la massa del protone e la massa dell’elettrone. Ha, inoltre, dedotto la struttura atomica, quindi un nucleo, molto piccolo rispetto alle dimensioni generali dell’atomo, in cui è concentrata la massa. Per questo motivo prende il nome di “Modello a densità concentrata”. Prima di questo modello, Thomson aveva proposto un modello opposto a quello di Rutherford, il cosiddetto “Modello a panettone” (plum pudding model)/“Modello a densità dispersa”, quindi a densità sviluppata in maniera uniforme.

Radiazione elettromagnetica

Intorno al 1860 Maxwell sviluppò la teoria, oggi da tutti accettata, che tutte le radiazioni si propagano attraverso lo spazio sotto forma di campi elettrici e magnetici che oscillano su piani ortogonali (non devono essere più di due, in quanto l’uno annullerebbe l’altro). Ogni campo è descritto da un’onda sinusoidale (la funzione seno è la funzione matematica che descrive un’onda). Per questo, radiazioni come la luce, le microonde, i segnali radio e televisivi e i raggi X sono indicate nel loro insieme con il nome di radiazioni elettromagnetiche.

Per descrivere una radiazione elettromagnetica facciamo riferimento a:

• Lunghezza d'onda (λ): è la distanza tra due punti dell’onda (due creste o due nodi) che sono in fase. Unità di misura: il metro, con i suoi multipli e sottomultipli.
• Ampiezza: misura l’intensità dell’onda. È fondamentale per la capacità dell’onda di non esaurirsi incontrando mezzi diversi.
• Frequenza (v): indica il numero di volte in cui l’onda ritorna in fase nell’unità di tempo, che in questo caso è il secondo. L’unità di misura della frequenza espressa sia come s^-1 o 1/s, rappresenta un’oscillazione al secondo ed è detta Hertz.

λ e v sono inversamente proporzionali. Infatti, più lunga è la lunghezza e meno volte l’onda ritornerà in fase nell’unità di tempo.

• E = hv: ne deduciamo che l’energia (E) è direttamente proporzionale alla frequenza (v). Di conseguenza, aumentando la frequenza dell’onda, aumenta l’energia ad essa associata. (h= costante di Planck)
• v = c/λ: v e λ sono inversamente proporzionali. Di conseguenza, aumentando la lunghezza d’onda, diminuisce la frequenza. (c= velocità di propagazione della luce nel vuoto, è di circa 300000 chilometri al secondo)

Da queste due uguaglianze ne deriva che aumentando la lunghezza d’onda diminuisce l’energia. Le lunghezze d’onda lunghe hanno energia e frequenza bassa. Osservando il grafico sopra riportato notiamo come l’energia aumenta man mano che la lunghezza d’onda diminuisce. Ad esempio, partendo da destra (Long radio waves= onde radio lunghe, che sono quelle che servono per trasmettere nell’universo) e prendendo una lunghezza d’onda di 10⁶ metri (1000km), l’energia è 10², quindi un’energia molto bassa. Invece, partendo da sinistra nella zona dei raggi-X la lunghezza d’onda è 10^-10 metri (1 Å) e l’energia è altissima.

Tra la lunghezza d’onda di 10⁶ e 10^-10 vi è una differenza di 10¹⁶.

Lo spettro elettromagnetico (abbreviato spettro EM) è l'insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica. La luce visibile è soltanto una piccola porzione dell’intero spettro elettromagnetico. La radiazione ultravioletta (UV), quella che può provocare le scottature solari, ha una lunghezza d’onda minore della luce visibile; i raggi X e i raggi gamma (questi ultimi sono emessi in seguito ai processi di disintegrazione radioattiva di alcuni atomi) hanno lunghezza d’onda ancora più piccola. A lunghezza d’onda più elevata di quella della luce visibile si incontra dapprima la radiazione infrarossa (IR), quella che viene percepita come calore; ancora più elevata è la lunghezza d’onda della radiazione, usata nei forni a microonde, e di quella usata nelle trasmissioni radiotelevisive, negli strumenti di risonanza magnetica nucleare e nei telefoni cellulari.

Nello spettro elettromagnetico da sinistra verso destra vi è una diminuzione dell’energia e della frequenza e un aumento della lunghezza d‘onda.

• I raggi γ che sono quelli con la frequenza più grande, perché la lunghezza d’onda è molto piccola. Di conseguenza l’energia è grande. I raggi γ sono i raggi cosmici, che hanno un’energia elevata e sono molto dannosi, ma vengono filtrati dall’ozono superiore nell’atmosfera e per questo non arrivano. (questi sono emessi in seguito ai processi di disintegrazione radioattiva di alcuni atomi)
• I raggi-X
• Raggi UV (UVA: quelle con cui ci si fa le lampade) (UVB: quelle che provocano eritemi) hanno una lunghezza d’onda minore della luce visibile
• Spettro visibile: tutte quelle onde che hanno una frequenza tale da essere percepite da noi. Campo di lunghezza d’onda che va da 400 a 700 nm
• Raggi infrarossi, quelli che vengono percepiti come calore
• Microonde
• Onde radio
• Onde AM

Quelli che ci interessano dal punto di vista chimico sono spettro visibile, ultravioletti e infrarossi.

Plank e la teoria della distribuzione dell’energia in uno spettro normale

Quando è riscaldato, un corpo (un metallo) emette delle radiazioni elettromagnetiche, con lunghezze d’onda che dipendono dalla temperatura. Nel grafico osserviamo come la distribuzione dell’intensità della luce emessa dipende dalla temperatura. Cosa succede quando passiamo da 4000 K fino a 8000 K? Man mano che si sale con la temperatura, vengono emesse sempre di più tutte le lunghezze d’onda. A 4000 K la parte del blu è insignificante e si vede solo quella del rosso.

Quindi cosa succede se si scalda un corpo a temperature sempre più alte? Inizialmente, a temperature ancora basse, il colore del metallo è rosso opaco. A temperature più elevate, il colore rosso si fa più luminoso e, a temperature ancora più alte, il rosso si trasforma in un bianco brillante (il cosiddetto calor bianco). L’occhio umano percepisce le radiazioni emesse nella regione visibile dello spettro elettromagnetico. Significa che la sollecitazione termica fa sì che tutta la materia emetta radiazioni di tutti i tipi. Questo è importante perché Plank intuì che ogni corpo, in funzione della sua composizione, emette radiazioni (anche in stato di quiete emette radiazioni che, però, sono molto basse). Ne deriva l’equazione di Plank per cui l’energia è direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda. Se scendiamo al di sotto dei 4000 K vediamo che non emette più radiazioni di tipo visibile e quindi il corpo lo vediamo nero. La teoria del corpo nero ci porta al discorso che un corpo è fatto di materia, di particelle ma è associato anche ad onde (dualismo onda-particella). Quindi non dobbiamo vedere più la materia solo come particella e l’onda come onda, ma dobbiamo pensare alla materia come onda e un’onda come una particella.

Corpo nero e il quanto di energia

Alla fine del XIX secolo, gli scienziati cercarono di spiegare la relazione esistente tra l’intensità e la lunghezza d’onda della radiazione emessa da un corpo incandescente (corpo nero). Le teorie disponibili all’epoca prevedevano che l’intensità della radiazione aumentasse progressivamente al diminuire della lunghezza d’onda, invece di raggiungere un massimo e poi diminuire al diminuire della lunghezza d’onda, come osservato sperimentalmente. Questa situazione divenne nota come catastrofe ultravioletta, poiché la predizione falliva nella regione ultravioletta. Si giungeva ad un risultato assurdo, ovvero che la potenza aumentasse illimitatamente al diminuire di λ.

Nel 1900, il fisico tedesco Max Planck propose una spiegazione. Egli ipotizzò che fossero gli atomi (oscillatori) dell’oggetto incandescente a originare, vibrando, la radiazione elettromagnetica emessa. Secondo la teoria classica si pensava che gli oscillatori irraggiassero con continuità. Planck suggerì invece che ognuna delle cariche elettriche emettesse e assorbisse solo multipli di una quantità minima di energia ΔE, chiamata quanto. Ciascun oscillatore ha una frequenza fondamentale di oscillazione (ν) e la radiazione emessa ha solo valori discreti di energia in accordo con la seguente equazione:

dove n è un intero positivo. In pratica, Planck propose che l’energia è quantizzata. Quantizzazione significa che sono permesse solo certe vibrazioni, con specifiche frequenze. La costante di proporzionalità, h, è detta costante di Planck, in suo onore. Il suo valore sperimentale è 6.6260693 × 10^-34 J · s. L’unità della frequenza è 1/s, così ché l’energia calcolata mediante questa equazione è espressa in joule (J).

Se un oscillatore passa da un’energia alta ad una più bassa, si ha l’emissione di una radiazione elettromagnetica, dove la differenza di energia tra il maggiore ed il minore stato energetico è data da:

Se il valore di Δn è 1, che corrisponde al passaggio da un livello energetico a quello successivamente più basso, allora il cambiamento di energia dell’oscillatore e la corrispondente radiazione elettromagnetica emessa avrebbe energia pari a E = hν. Questa equazione è detta equazione di Planck.

Relazione fra radiazione elettromagnetica ed eccitazione della materia

Esperimento: Facciamo passare una luce bianca, che può essere, ad esempio, la luce di una lampadina così come la luce del sole, prima attraverso una stretta fenditura, che isola un fascio sottile di luce (di solito chiamato riga). Questo fascio viene fatto successivamente passare attraverso un sistema che separa le radiazioni, in questo caso il prisma (in natura, ad esempio, un sistema in grado di separare le radiazioni è il vapore d’acqua, che è un prisma naturale). Contenendo il fascio di luce bianca tutte le onde di lunghezza d’onda differente, ciascuna delle quali...