Chimica generale e inorganica

Chimica inorganica

Gli stati della materia

Ci sono diversi stati fisici della materia che sono solido, liquido e gassoso. Nello stato solido gli atomi occupano il minor spazio a disposizione e risultano essere rigidi. Nello stato liquido gli atomi occupano posizioni nel minor spazio possibile ma c'è un po' di spazio tra una molecola e l’altra e quindi risulta essere meno rigido. Nello stato gassoso le molecole hanno capacità di movimento nello spazio, si possono comprimere per ridurre lo spazio tra atomi e tendono ad occupare tutto lo spazio del recipiente che li contiene.

Nelle trasformazioni fisiche l’identità della sostanza non cambia ma cambia solo lo stato fisico, come l’evaporazione dell’acqua e questo è un processo reversibile. Quando l’acqua bolle, si trasforma in vapore, ma la sua identità chimica non cambia: le molecole di acqua sono le stesse sia allo stato liquido che allo stato gassoso. L’ebollizione è perciò una trasformazione fisica e il punto di ebollizione dell’acqua è una proprietà fisica. Nelle trasformazioni chimiche invece il processo è irreversibile e cambia l’identità della sostanza: ad esempio, quando il ferro si arrugginisce, gli atomi di ferro si combinano con gli atomi di ossigeno per formare una diversa sostanza chimica, ossia l’ossido di ferro. La formazione della ruggine è pertanto una trasformazione chimica, e la tendenza del ferro ad arrugginire è una proprietà chimica.

La materia: pura o miscela

La materia si classifica anche in pura o miscela: la sostanza pura è costituita da un elemento o da un composto (quindi l’unione di più elementi), le miscele invece possono essere omogenee (da uno stato fisico unico) o eterogenee (tanti stati fisici diversi). Una miscela omogenea si può separare con la distillazione: si fanno evaporare e la sostanza con un punto di ebollizione più bassa andrà in un condensatore dove verrà raffreddata. Una miscela eterogenea si può separare con la filtrazione: si fa passare la sostanza attraverso un imbuto con un filtro e la parte solida verrà bloccata da questo.

Unità di misura: temperatura

Si conoscono diverse scale di temperatura: Fahrenheit, Celsius e Kelvin. 0°C corrispondono a 32°F e a 273°K. Se metto a confronto queste 3 scale di temperatura: un grado Fahrenheit è pari a 5/9 di un grado Celsius e di un Kelvin. Il punto zero nella scala Kelvin è detto zero assoluto (in quanto è la temperatura più bassa teoricamente possibile), mentre zero della scala Celsius è il punto di solidificazione dell’acqua.

Cifre significative

Maggiore è il numero di cifre significative, minore è l’incertezza della misura. Ad esempio, il numero 23.5 ha tre cifre significative mentre il numero 23.56 ne ha quattro. Per determinare il numero di cifre significative in un numero che contiene zeri, è necessario distinguere tra gli zeri che sono significativi e quelli che indicano la posizione decimale. Per esempio, nel numero 0.0008 gli zeri iniziali (alla sinistra del primo numero diverso da zero) indicano la posizione decimale, ma non rendono la misura più certa e perciò non sono significativi. Infatti questo numero ha soltanto una cifra significativa. Al contrario, gli zeri finali nel numero 0.000800 aumentano la certezza della misura e perciò sono contati come significativi; questo numero ha quindi tre cifre significative.

Teoria atomica

Si sviluppò sulla base di tre leggi:

• Legge di conservazione della massa: nel 1789, Antoine Lavoisier formulò la legge di conservazione della massa, la quale afferma che in una reazione chimica, la materia né si crea né si distrugge. Il valore della massa dei reagenti è quindi uguale al valore della massa dei prodotti.
• Legge delle proporzioni definite (semplici): gli elementi che costituiscono un composto sono presenti sempre in proporzioni fisse (o definite) in tutti i campioni di quel composto indipendentemente dalla loro origine o da come sono preparati. I composti di una miscela invece possono essere presenti in qualunque proporzione.
• Legge delle proporzioni multiple: se due elementi possono combinarsi per formare più di un composto, le masse di un elemento che si combinano con le masse di un altro elemento sono esprimibili in rapporti di numeri interi e piccoli.

Come già detto, sulla base di queste tre leggi viene sviluppata la teoria atomica di Dalton nel 1808. Questa è composta da quattro assunti:

• Gli elementi sono costituiti da particelle estremamente piccole chiamate atomi.
• Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici, avendo stesse dimensioni, massa e proprietà chimiche. Gli atomi di un elemento sono diversi dagli atomi di tutti gli altri elementi.
• I composti sono formati da atomi di due o più elementi diversi. I rapporti tra gli atomi sono esprimibili mediante numeri interi o frazioni semplici.
• Una reazione chimica comporta solo la separazione, la combinazione o il riarrangiamento di atomi; essa non determina la creazione o la distruzione di atomi. Questa coincide con la legge di conservazione della massa (Lavoisier = la materia non può essere né creata né distrutta).

Dalton quindi immaginò l’atomo molto piccolo ed indivisibile costituito da una struttura interna, ossia particelle subatomiche che poi si è scoperto essere protoni, neutroni ed elettroni. Nel 1897, Thomson scoprì tramite esperimenti sul passaggio di corrente attraverso i gas, l’esistenza dei raggi catodici. Successivamente si dimostrò che fossero formati da particelle dette elettroni con massa inferiore agli atomi e dotati di carica negativa (misurata poi da Millikan).

Per quanto riguarda il modello atomico sviluppato da Thomson, riteneva che la carica positiva all’interno dell’atomo fosse distribuita nell’intero volume sferico. Millikan determinò la carica dell’elettrone con una serie di esperimenti a “gocce d’olio”. Gli ioni sono prodotti da radiazioni energetiche come raggi X. Alcuni di questi ioni si attaccano alle goccioline d’olio “caricandole”. La caduta della gocciolina in un campo elettrico tra i due piatti di un condensatore è accelerata o rallentata a seconda della grandezza e del segno della carica che porta. Millikan concluse che la grandezza della carica (q) sulla gocciolina è un multiplo intero della carica elettronica (e). E quindi, q = ne (dove n = 1, 2, 3,...).

Nel 1911 Rutherford bombardò una sottile lamina d’oro con particelle α. Le particelle passano nel 99% dei casi senza subire deviazioni. Solo in un caso su 8000 viene respinta indietro. Dopo questo esperimento Rutherford ipotizzò che poiché le particelle α superano senza problemi la lamina d’oro, allora significa che non incontrano nessun ostacolo durante il cammino: di conseguenza l’atomo doveva essere formato prevalentemente da spazio vuoto. Nel modello atomico di Rutherford si vede infatti che la maggior parte della massa e tutta la carica positiva di un atomo sono concentrate in una regione molto piccola detta nucleo. Il valore della carica positiva varia a seconda della natura degli atomi ed è approssimativamente uguale alla metà del peso atomico dell’elemento. Il numero di elettroni esterni al nucleo è uguale al numero di cariche positive nel nucleo, in seguito chiamati protoni. L’atomo deve essere elettricamente neutro. Se le dimensioni di un atomo fossero quelle di uno stadio, la grandezza del nucleo sarebbe quella di una biglia di vetro.

Chadwick, nel 1932, dimostrò che una radiazione ad elevato potere penetrante, consisteva di fasci di particelle neutre, dette neutroni, che provengono dai nuclei degli atomi. Da qui la teoria di Dalton divenne insostenibile in quanto venne scoperto che i costituenti dell’atomo sono i neutroni, i protoni e gli elettroni.

Tutti gli elementi aventi uguale numero di protoni/elettroni e quindi con le stesse proprietà chimiche ma con diverso numero di neutroni si dicono isotopi (si tratta dello stesso elemento, e hanno lo stesso simbolo). Si trovano mescolati in proporzioni fisse per formare un certo elemento. Ad esempio, il rame (Cu) è formato da una miscela di: cioè su 10.000 atomi di rame, ce ne sono 6.909 di ⁶³Cu e 3.091 di ⁶⁵Cu. Ci sono elementi, come ad esempio ¹²⁷I, formati da un solo isotopo stabile, mentre altri formati da molti. L’idrogeno ad esempio ha 3 isotopi: l’isotopo con numero di massa 1 è quello che chiamiamo idrogeno, l’isotopo con numero di massa due è il deuterio e l’isotopo con numero di massa 3 è il trizio. Se il numero di massa è 3 e il numero atomico è due, questo vuol dire che sono presenti due elettroni. Il nuclide è il nucleo unito ai suoi elettroni: ciascun nuclide corrisponde ad un elemento mentre ad un elemento corrispondono più nuclidi.

Gli elementi naturali sono costituiti da una miscela di isotopi (naturali e/o artificiali), pochi elementi hanno un solo isotopo. Ci sono oltre 90 elementi, cioè famiglie di nuclidi, ciascuna con un valore di Z da 1 a oltre 90. Quindi:

• Gli isotopi sono i nuclidi di uno stesso elemento chimico, che hanno per definizione il medesimo numero di protoni (Z), ma diverso numero di massa (A) per il diverso numero di neutroni nel nucleo. Nonostante le differenze di peso dovute al diverso numero di neutroni nel nucleo, due isotopi hanno le stesse proprietà chimiche poiché hanno lo stesso numero di protoni.
• Gli isobari sono atomi di elementi chimici diversi che hanno medesimo numero di massa (A), ma diverso numero di protoni (Z), accompagnato da un diverso numero di neutroni. Un esempio è quello del Berillio e del Litio, i quali hanno 7 nucleoni, ma, se il Litio ha 3 protoni e 4 neutroni, il Berillio ha 4 protoni e 3 neutroni.
• Gli isotoni sono atomi di elementi chimici diversi che hanno medesimo numero di neutroni ma diverso numero di protoni (Z), diverso numero di massa (A) e proprietà chimiche distinte.
• Gli isomeri sono nuclidi con lo stesso numero di neutroni e protoni nel nucleo, ma diverse energie. Sono isomeri due nuclidi, di cui uno allo stato eccitato (metastabile) e l’altro in condizioni di stabilità.

Il termine nuclide è utilizzato correntemente per indicare qualunque atomo.

Difetto di massa

La massa del nucleo dell’atomo è sempre inferiore a quella delle singole particelle che lo costituiscono; la differenza di massa corrisponde all’energia di legame delle particelle tra di loro in accordo con la relazione di Einstein: E = mc² (dove E è l’energia, m la massa e c la velocità della luce). Tale energia nucleare può essere liberata originando delle radiazioni, cioè emissione e propagazione di energia; è in pratica quella energia necessaria per trattenere nel nucleo i diversi protoni nel nucleo stesso, superando la forza di repulsione, dovuta al fatto di possedere tutti una carica positiva. L’energia di legame del nucleo è quindi quella che impedisce la frammentazione del nucleo.

Il difetto di massa cresce via via che il numero di nucleoni aumente anche se il Δm è una quantità che cresce passando da nucleoni più leggeri sino a ⁵⁶Fe, poi diminuisce costantemente passando ai nuclei più pesanti. Il valore Δm definito come energia di legame media per singolo nucleone o anche frazione di impacchettamento, viene spesso diagrammato.

Radioattività

Se si considera la struttura del nucleo, esistono 274 nuclidi stabili (con un rapporto equilibrato tra numero di protoni e di neutroni); 51 nuclidi instabili naturali e oltre 1000 nuclidi instabili artificiali (per un eccesso di nucleoni, di neutroni, di protoni o di energia). I nuclei instabili degli elementi radioattivi (radionuclidi) sono tali in quanto possiedono un numero di nucleoni in eccesso rispetto a quelli che caratterizzano lo stato stabile. I radionuclidi tendono al raggiungimento di una composizione nucleare stabile attraverso il processo di disintegrazione. Il tipo di decadimento dipende dall’eccesso di protoni o di neutroni nel nucleo e comporta comunque l’emissione di energia sottoforma di radiazione elettromagnetiche (γ) e/o corpuscolate (α, β-, β+).

Tra gli elementi a basso numero atomico, protoni e neutroni sono in numero pressoché equivalente nel nucleo, ma con l’aumentare del numero atomico il rapporto neutroni/protoni (N/P) aumenta. Un rapporto N/P elevato è la causa d’instabilità dei nuclidi più pesanti. Gli elementi che possiedono dei neutroni in eccesso tendono a raggiungere un valore del rapporto N/P inferiore a quello del radionuclide d’origine. Viceversa gli elementi che possiedono dei protoni in eccesso tendono a raggiungere un valore del rapporto N/P superiore a quello del radionuclide d’origine. Riportando in un diagramma i nuclei stabiliti in funzione del numero di protoni (Z) e di neutroni (N) in ordinata vediamo che essi risultano raccolti in una stretta “valle” detta valle di stabilità. Tale valle per i nuclei più leggeri è raccolta attorno alla bisettrice del grafico (N=Z) ma dalla bisettrice si allontana per i nuclei più pesanti che hanno bisogno di crescente numero di neutroni per essere stabili. I nuclidi fuori dalla valle di stabilità tendono a rientrare attraverso uno dei possibili decadimenti radioattivi: emetteranno per abbassare il rapporto N/P e per innalzarlo, α per abbassare la massa e la carica.

Spettroscopia ottica

Gli esperimenti sulla spettroscopia ottica furono effettuati con una sorgente luminosa che spara questa radiazione su una prima lastra dove è presente un foro rettangolare in cui passa la radiazione e poi va ad incidere su un prisma. In uscita dal prisma questa radiazione viene scomposta in tutte quelle radiazioni che caratterizzano da un punto di vista energetico la radiazione iniziale. In questo caso la radiazione viene scomposta in due raggi che avranno un contenuto energetico diverso e che possono essere identificate perché vengono fatte collidere sulla superficie di una lastra fotografica ed andranno ad imprimere un’immagine che corrisponde al foro. Per cui se si vedono due rettangolini vuol dire che la radiazione luminosa è stata scomposta in due raggi. Dissero che la radiazione luminosa è costituita da particelle chiamate fotoni ed ognuno di questi fotoni ha un valore energetico preciso.

Il valore dell’energia viene dato dall’equazione E = hν dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza. Successivamente de Broglie ipotizzò che: se le onde luminose si comportano come un insieme di particelle, allora gli elettroni (particelle) possono avere proprietà ondulatorie e quindi si comportano come radiazioni luminose. λ = h/ mv analoga a λ = h/mc Ad ognuna di esse è associata un’onda che è calcolabile come la costante di Planck diviso la massa per la velocità della luce, mentre con ν ci si riferisce sempre alla velocità delle particelle come gli elettroni. Quindi questa equazione può essere associata agli elettroni perché vengono considerati particelle con proprietà ondulatorie.

Questo è importante per capire i modelli atomici, come quello di Rutherford, in cui l’elettrone che ruota attorno al nucleo ma lo faceva su delle orbite che inizialmente si pensava potessero portare al collasso del nucleo perché queste particelle se accelerate, perdono la loro energia, decelerando e collassando sul nucleo. In realtà questi elettroni viaggiano su delle orbite stazionarie: un’onda stazionaria è un’onda dove lungo la quale non viene emessa alcun tipo di energia, quindi vuol dire che l’elettrone che ruota su questa onda stazionaria rimarrà su questa senza collassare sul nucleo. Se la circonferenza di un’orbita è uguale ad un multiplo intero di λ allora questa orbita è permessa. Se invece la circonferenza di un’orbita è diversa da un multiplo intero di λ allora questa orbita non sarà permessa. Per calcolare l’equazione d’onda si usa la formula 2πr = nλ, dove 2πr serve al calcolo della circonferenza. In caso contrario, l’onda si distrugge per interferenza e non è più stazionaria. Sono possibili infinite onde stazionarie, quanti sono i numeri interi (numero intero n = 1, 2, 3, 4 …).

Modello ondulatorio di Bohr dell’atomo di idrogeno

• L’elettrone si muove su orbite sferiche attorno al nucleo dette stazionarie, in quanto gli elettroni che vi risiedono non emettono radiazioni elettromagnetiche.
• L’energia dell’elettrone può assumere solo alcuni valori cioè è quantizzata: in pratica tali elettroni su queste orbite mantengono costante la loro energia cinetica e la distanza dal nucleo, conferendo così una condizione di stabilità energetica che può perdurare all’infinito.
• L’elettrone può assorbire e/o cedere energia solo spostandosi da un’orbita permessa all’altra.

In che modo l’elettrone ruotante sull’orbita circolare definita dal modello di Bohr potrebbe essere descritta in termini di meccanica ondulatoria? L’onda associata all’elettrone deve essere stazionaria e la massima probabilità di trovare l’elettrone deve riscontrarsi ad una certa distanza dal nucleo che corrisponde al raggio r₀ dell’orbita di Bohr. Si tratta quindi di un’onda elettronica circolare e per essere stazionaria la sua λ dovrà soddisfare la condizione di stabilità λ = 2πr/n. Se questa condizione non fosse soddisfatta allora l’onda non potrebbe essere stazionaria perché distrutta da fenomeni di interferenza. Secondo De Broglie λ = h/mv, combinata con la formula di condizione di stabilità, diventa: mvr = nh/2π.