Chimica inorganica – Introduzione, meccanica quantistica e orbitali atomici

Introduzione e ripasso

La chimica inorganica studia le proprietà di tutti gli elementi della tavola periodica e dei loro composti. Anche se questo ambito è caratterizzato

da una grande varietà e diversità, non è caotico: esistono infatti modelli e tendenze comuni che ci permettono di dare ordine e signi cato a ciò

che osserviamo.

Queste tendenze riguardano soprattutto:

• la reattività degli elementi,

• le loro strutture,

• le proprietà chimiche e siche,

• i composti che formano.

Grazie a tali regolarità, la tavola periodica ci guida nella comprensione della chimica degli elementi e dei loro composti.

La chimica inorganica ha un ruolo fondamentale non solo nello sviluppo scienti co, ma anche nella vita quotidiana. La sua importanza si ri ette

sia sul piano industriale, sia su quello ambientale, biologico e medico.

In campo industriale, molte tecnologie moderne dipendono da composti e materiali inorganici:

• catalizzatori, essenziali per accelerare e rendere più e cienti numerose reazioni

• materiali per l accumulo di energia, cruciali nelle batterie e nelle nuove fonti energetiche

• semiconduttori e materiali optoelettronici, alla base di elettronica e fotonica

• superconduttori e ceramici avanzati, impiegati in dispositivi ad alte prestazioni.

Gli e etti si vedono anche nella vita di tutti i giorni. Alcuni esempi:

• Pd, Ir, Os, Rh trovano applicazioni in prodotti parafarmaceutici;

• Pt, Rh sono usati in formulazioni cosmetiche, come oli per il corpo, ma persino in trattamenti particolari per tessuti (ad esempio nei jeans);

• Ru, Pr, Nd sono studiati per lo sviluppo di sistemi di energia alternativa, ad esempio nell ambito delle pale eoliche e di altre tecnologie

innovative.

• ecc.

ff fi ffi fi

Questa tavola periodica è colorata in base alla concentrazione in ppm degli elementi che si

trovano comunemente in un circuito elettronico stampato.

• Più il colore tende al rosso scuro, più l elemento è abbondante in quel contesto.

• Si nota che rame (Cu), stagno (Sn), piombo (Pb), oro (Au), argento (Ag) e alcuni altri metalli

sono fondamentali perché garantiscono conduzione elettrica, saldatura e stabilità dei

circuiti.

Questo ci fa vedere come la chimica inorganica non sia solo teoria, ma abbia un impatto diretto

Gli elementi usati nelle fonti di energia siano cambiati nel tempo:

• 1700: carbone (C), ferro (Fe), calcio (Ca) → usati in mulini e prime strutture.

• 1800: rivoluzione industriale → compaiono rame (Cu), piombo (Pb), stagno (Sn), tungsteno (W).

• 1900: introduzione di nuovi metalli per i motori e le macchine (Mn, Ni, Co, Al, Mg).

• 2000: enorme diversi cazione: terre rare (REE), litio (Li), titanio (Ti), silicio (Si), platinoidi (Pt, Ru) → indispensabili per pale eoliche, pannelli

solari, auto elettriche e dispositivi elettronici moderni.

di Ossidi

mix

Il coltan è una miscela di minerali (columbite e tantalite) con formula generale (Fe,Mn)(Nb ,Ta )₂O₆. Questo materiale ha un ruolo cruciale nella

n m

tecnologia moderna, in particolare nella produzione di condensatori miniaturizzati utilizzati negli smartphone e in altri dispositivi elettronici: permette

infatti di ridurre le dimensioni mantenendo elevate prestazioni.

Dal punto di vista storico, il coltan è legato alla scoperta di un elemento che oggi chiamiamo niobio:

• 1801: viene annunciata la scoperta di un nuovo elemento, chiamato columbio.

• 1809: si pensa erroneamente che il columbio non sia altro che il già noto tantalio.

• 1846: viene annunciata la scoperta di un altro nuovo elemento, il niobio.

• 1865: esperimenti dimostrano che columbio e niobio erano in realtà lo stesso elemento, e non il tantalio.

• 1949: all elemento con numero atomico 41 viene attribuito u cialmente il nome niobio (dal mito greco di Niobe, glia di Tantalo).

Questa vicenda mostra come la scoperta degli elementi non sia stata sempre lineare: spesso c erano errori di identi cazione, nomi diversi per lo

fi ffi

unità di misura e costanti la deliatomo è

m a ss a m V

concentrata in volume

un

(nucleo

piccolissimo

• Protone, neutrone, elettrone: carica, massa e rapporti relativi (utile ricordare che il protone e il neutrone hanno masse simili, mentre

l elettrone è circa 1800 volte più leggero).

• Costante di Planck (h) e costante ridotta ( = h/2π): fondamentali per descrivere i fenomeni quantistici.

↳

- 052x10-34 J 5

, .

626x10347

6 S

.

,

• Raggio di Bohr (a₀ 0,529 Å): distanza media dell elettrone dall nucleo nell atomo di idrogeno, introdotta dal modello atomico di Bohr.

↓ "m

2013x10 93 ppm

52

5 = .

.

conversioni :

10m 1A 10 m

1 1A

cioè 100pm

=

pm = ; =

10A

"nm =

↑ 1000 pm ;

nm = temtometri

↓

Ordini di grandezza: è importante non tanto memorizzare i valori numerici precisi, quanto avere un idea delle scale (Å, nm, pm, fm).

* ESEMPIO 10 m

(

+m

del

raggio protone = 10tm

raggio generico atomico

nucleo - Cenni meccanica quantistica

Le tre tappe fondamentali della meccanica quantistica:

1. 1924 ‒ De Broglie: formula l ipotesi del dualismo onda-particella → anche l elettrone, come la luce, può comportarsi sia come onda che

come particella.

2. 1926 ‒ Heisenberg: introduce il p