Riassunto integrale Chimica

Legge della conservazione di massa o Lavoisier

In una trasformazione chimica la massa dei reagenti è uguale a quella dei prodotti. Nulla si crea o si distrugge, ma si trasforma.

Delle proporzioni definite e costanti (di Proust)

Un composto chimico ha rapporti ponderali, in massa, definiti e costanti tra gli elementi componenti. Qualsiasi sia la forma e l'utilizzo si avranno sempre le stesse percentuali dei vari elementi.

Proporzioni multiple (Dalton)

Se gli elementi A e B reagiscono per formare due composti, il rapporto tra le differenti masse di B che si combinano con la massa fissa di A è espresso da numeri interi piccoli.

Teoria atomica di Dalton

Dalton ha formulato la prima teoria atomica, i cui postulati sono: la materia è composta di atomi indivisibili, gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in quelli di un altro elemento, tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la stessa massa e stesse proprietà; a elementi diversi corrispondono atomi diversi con masse diverse, i composti sono formati dalla combinazione chimica di uno specifico rapporto di atomi di diversi elementi. Gli atomi sono indistruttibili e indivisibili.

Esperimento Thompson

Thompson scopre che i raggi catodici sono costituiti da un fascio di particelle cariche negativamente. Per formulare questa scoperta viene utilizzato un tubo a raggi catodici, nel tubo viene fatto il vuoto per osservare il fenomeno dei raggi catodici. Si osserva che tra due piastre, il catodo e l'anodo, si crea un fascio di particelle chiamato raggio catodico. Attorno al tubo c'è un magnete e due piastre diverse da quelle indicate precedentemente. In questo tubo catodico l'anodo è posto al centro e presenta una perforazione. Parte dei raggi catodici riesce quindi a passare e a proseguire il loro percorso tra le due piastre metalliche che generano un campo elettrico E. I raggi catodici vengono deviati verso il polo positivo, ciò dimostra che sono costituiti da particelle cariche negativamente. Dopo le piastre, Thompson pone un campo magnetico B tale da annullare la deviazione delle particelle indotta dal campo elettrico. Si osserva che se non veniva applicato né un campo elettrico né uno magnetico, il raggio catodico andava in B. Si scopre che i raggi catodici erano fasci di particelle cariche negativamente, ossia un insieme di elettroni espulsi dal catodo quando gli si fornisce abbastanza energia per sfuggire delle forze attrattive del nucleo.

Esperimento Millikan

Grazie a questo esperimento Millikan ricava la carica elettrica dell'elettrone. Vengono utilizzate due piastre di un condensatore, viene nebulizzata una sostanza oleosa, una sorgente di raggi X colpisce la camera con la sostanza nebulizzata e le particelle d'aria. Si osserva che gli elettroni di alcune molecole d'aria vengono emesse dal momento che i raggi X forniscono a questi abbastanza energia, vengono catturati dalle goccioline d'olio e si caricano negativamente, cadono tra le due piastre e grazie alle due polarità rimangono sospese. Si riesce a osservare che le particelle hanno sempre la carica multipla di una carica fondamentale. La carica dell'elettrone è uguale a -1.602e-19, la massa 9.109e-28g.

Modello atomico Thompson

Viene anche chiamato modello a panettone. In questo modello l'atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa all'interno della quale si trovano delle cariche negative. L'atomo è elettricamente neutro. Gli elettroni sono immersi in una nube poco densa di carica positiva.

Esperimento Rutherford

Questo esperimento viene condotto per vedere se il modello proposto da Thompson fosse giusto. Viene utilizzato un emettitore di particelle Alfa, positive, e viene bombardata un foglio metallico molto sottile e viene osservato che i fasci passano indisturbati, una piccola parte viene respinta, un'altra viene deviata. Se il modello di Thomson fosse valido le particelle Alfa avrebbero avuto una piccola deviazione. L'atomo dunque è praticamente vuoto ma con il nucleo, positivo, che respinge le particelle Alfa indietro. Si scopre dunque che la carica positiva dell'atomo è concentrata completamente nel nucleo, il protone ha carica positiva, la massa del protone è 1840 volte quella degli elettroni. L'autobus è dunque composto da spazio vuoto, con la massa concentrata in una porzione molto piccola chiamata nucleo, attorno a cui gli elettroni ruotano.

Modello di Bohr

Bohr applica la quantizzazione dell'energia di Planck al modello atomico di Rutherford. Il modello di Bohr rappresenta solamente l'atomo di idrogeno. Le caratteristiche di questo modello sono: gli elettroni si muovono attorno al nucleo su orbite circolari permesse, con energia costante. Maggiore è il raggio, maggiore l'energia dell'elettrone. Gli elettroni in uno stato stazionario, ossia con energia costante, non cedono né assorbono energia, il momento angolare dell'elettrone è quantizzato, può assumere valori il numero definito, l'elettrone irradia energia solo se passa da un'orbita esterna ad una interna, rimette l'energia ricevuta e torna indietro emettendo delle radiazioni la cui frequenza può cadere in infrarosso, visibile, ultravioletto. Il raggio delle orbite è quantizzato e dipende dal quadrato del numero quantico principale n, è proporzionale a n² e a -1/r. Minore energia se minore numero quantico, e la distanza dal nucleo piccola. Se n è uguale a uno, si dà il nome di Stato fondamentale, dove si registra il valore minimo di energia.

Formula empirica

È la formula più semplice di un composto in accordo con l'analisi elementare, si genera l'insieme dei numeri più piccoli per i numeri degli atomi nel composto.

Molecolare

La formula del composto come esiste realmente, può anche essere un multiplo della formula empirica.

Spettrometria di massa

Serve a valutare la distribuzione degli elementi, dato un campione di un elemento permette di capire la percentuale isotopi relativa, oppure l'abbondanza relativa degli isotopi. Un fascio di elettroni ad alta energia cinetica colpisce l'atomo, provoca il rilascio di elettroni, si genera una carica positiva appunto si generano diverse particelle positive, chiamati isotopi, con differente massa. Le particelle positive vengono accelerate tramite l'utilizzo di un campo elettrico e fatte passare in un campo magnetico, gli atomi interagiscono in maniera diversa con il campo magnetico a causa del rapporto massa carica, il fascio viene divisa in vari fasci con diversa massa. Grazie ad alcuni grafici viene fornita l'abbondanza percentuale in funzione della differente massa.

Ipotesi di Planck (teoria quanti)

Secondo Planck l'energia viene emessa o assorbita per quantità discrete, pacchetti, chiamati quanti. Le particelle che costituiscono la materia possono assorbire emettere energia non in maniera continuativa ma secondo quantità multiple intere di una quantità fondamentale, il quanto, che ha energia E=h*freq con h= 6.626e-34 cost di Planck. Secondo questa tesi dunque l'energia è quantizzata, i livelli di energia permessi gli atomi dipendono dalla loro natura, l'intensità di una radiazione dipende dal numero di quanti presenti in essa. In tal senso, il corpo nero è un corpo che se scaldato emette delle radiazioni dovute a vibrazioni degli atomi e non predilige né l'assorbimento né l'emissione.

Effetto fotoelettrico

L'effetto fotoelettrico, secondo Einstein, valida la teoria dei quanti di Planck. L'effetto fotoelettrico è quell'effetto per cui una luce incidente su metallo può provocare l'emissione di elettroni, fotoelettroni, generando una corrente elettrica. Le quantità discrete che costituiscono i raggi si chiamano fotoni, se l'energia dei fotoni è abbastanza elevata, si liberano elettroni dal metallo. Più fotoni con energia minima, più elettroni si liberano. Per avere una fotoemissione non conta l'intensità o il tempo di bombardamento, ma conta la frequenza, che deve superare un valore di soglia dipendente dal metallo. Portando il metallo i fotoni cedono energia ad un elettrone se l'energia è maggiore del lavoro necessario per estrarre l'elettrone dalla superficie metallica si ha effetto fotoelettrico, l'elettrone viene emesso con una propria energia cinetica.

Ipotesi de Broglie

Osserva che anche le particelle materiali, come gli elettroni, hanno duplice natura, le particelle materiali hanno una lunghezza d'onda e possono essere considerate come onde.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Questo principio è un'inevitabile conseguenza della descrizione di un elettrone in moto attorno ad un nucleo di Bohr. Secondo Heisenberg, infatti, se è noto il momento dell'elettrone, la posizione è invece indeterminata. Al crescere della precisione con cui si misura una variabile, diminuisce la precisione dell'altra variabile accoppiata. Δp (momento) * Δx (posizione) ≥ h/4π.

Equazione di Schrödinger

L'equazione che descrive lo stato quantico di una qualunque particella in funzione di una funzione d'onda ψ. ψ è funzione del vettore posizione al tempo t di una particella, descrive l'energia dell'elettrone, il suo quadrato fornisce la probabilità di trovare l'elettrone in un dato volume di spazio, maggiore il quadrato maggiore la probabilità, maggiore la distanza dell'elettrone dal nucleo, minore la probabilità. Le soluzioni dell'equazione dipendono da tre numeri quantici: n numero quantico principale, che va da uno ad infinito, l numero quantico secondario, che va da zero a n-1, influenza la forma della regione dello spazio occupato dagli elettroni, m numero magnetico, che va da l a -l, influenza la direzionalità dell'orbitale. Ogni combinazione dei tre numeri quantici individua un orbitale a cui è associato un valore definito di energia totale. Il numero massimo di orbitali per un determinato numero quantico principale è il suo quadrato. Nel caso in cui n=1, l=0, m=0, lo stato si definisce stato fondamentale di H, negli altri casi si dice stati eccitati. L'energia dipende solo dal numero quantico principale E= E₀Z²/n², maggiore il numero quantico principale maggiore è la densità di probabilità di trovare l'elettrone a più grande distanza dal nucleo, maggiore l'energia. Il numero quantico di spin, l'elettrone è una sfera che ruota attorno al proprio asse in due possibili direzioni che generano campi magnetici in direzioni opposte, assume i valori ± 1/2.

Principio di esclusione di Pauli

Ogni orbitale contiene al massimo due elettroni con spin antiparallelo, in ogni atomo non ci possono essere due elettroni con tutti e quattro i numeri quantici uguali.

Regola di Hund

Vengono occupati prima tutti gli orbitali singolarmente con spin parallelo, successivamente gli altri elettroni si accoppiano con spin antiparallelo, la repulsione tra elettroni ma se si dispongono singolarmente.

Principio di Aufbau

Secondo questo principio gli elettroni occupano prima orbitali a bassa energia, sia livelli energetici bassi, perché tendono a rimanere nello stato fondamentale, ovvero la minima energia. Questo principio serve a determinare la configurazione elettronica di un atomo, sia come gli elettroni si dispongono all'interno dell'atomo.

Energia degli orbitali

L'energia degli orbitali cresce all'aumentare del numero quantico principale ed è il numero quantico secondario, maggiore la carica nucleare, minore sarà l'energia, gli elettroni dei livelli energetici più interni schermano la carica nucleare. L'ordine di riempimento degli orbitali segue un ordine preciso, come da tabella.

Orbitali s

Sono di tipo sferico, la superficie limite dell'orbitale in cui è racchiuso ha il 90% di densità elettronica. Gli orbitali di tipo s hanno l=0, n-1 nodi radiali e nessun nodo angolare. La superficie nodale è la superficie su cui si annulla l'auto funzione e la densità di probabilità. La massima probabilità di trovare un elettrone è nella corona sferica di raggio a₀, oltre questo valore di raggio la probabilità scende rapidamente. A differenza degli altri orbitali, gli orbitali s sono gli unici in cui la funzione d'onda non sia nulla nel nucleo, di conseguenza l'elettrone può raggiungerlo.

Orbitali p

Hanno un nodo angolare e n -2 nodi radiali. Dipendono da r e direzione, in r=0 la probabilità si annulla. La loro forma caratteristica è costituita da due lobi di simmetria cilindrica, con asse di simmetria uno dei tre assi cartesiani. Gli orbitali p possiedono tre orbitali degeneri con forma bilobata orientati dunque in x, y, z. Ciascun orbitale ha un piano nodale, sul quale la probabilità è nulla, passante per il nucleo. La densità di probabilità vicino al nucleo è minore rispetto agli orbitali s.

Raggi atomici

Il raggio atomico è la metà della distanza internucleare quando due atomi interagiscono tra di loro, comportandosi come due sfere rigide. Gli atomi non possono essere ulteriormente avvicinati a causa della repulsione tra elettroni, motivo per cui la minima distanza tra i nuclei è il doppio del raggio atomico. All'interno della tavola periodica il raggio atomico aumenta al crescere degli elettroni, diminuisce da sinistra a destra, aumenta da destra a sinistra e dall'alto al basso. Il raggio atomico dipende anche dall'attrazione nucleare esercitata sugli elettroni del guscio esterno, questi elettroni sentono un'attrazione più bassa rispetto alla carica nucleare, dal momento che tra il nucleo e il guscio esterno vi sono altri elettroni che schermano la carica nucleare che raggiunge gli elettroni del guscio è minore. Motivo per cui si può definire una carica efficace, che è data dalla carica nucleare meno il numero medio di elettroni interposti, questa carica efficace aumenta da sinistra a destra e dall'alto al basso.

Raggio ionico

È la metà della distanza internucleare di due atomi legati in un reticolo cristallino di tipo ionico, covalente in un legame covalente, di VDW atomi non legati.

Energia di ionizzazione

È la minima energia efficace per allontanare da un atomo isolato uno o più elettroni e portarli ad una distanza infinita. Prende il nome di prima ionizzazione se viene allontanato un elettrone dall'atomo, seconda ionizzazione se due elettroni. L'energia di ionizzazione aumenta dal basso verso l'alto da sinistra verso destra, è massima nei gas perfetti perché non cedono elettroni.

Affinità elettronica

È l'energia richiesta per aggiungere un elettrone ad un atomo isolato, aumenta da destra verso sinistra e dall'alto verso il basso.

Energia di legame

È l'energia necessaria ad allontanare infinitamente gli atomi legati in un legame. Se all'avvicinarsi di due atomi prevalgono le forze repulsive, l'energia aumenta e non si legano, se invece prevalgono le forze attrattive, l'energia diminuisce fino a quando la distanza è piccola, quando le attrattive sono uguali alle repulsive la distanza R prende il nome di distanza di legame.

Elettronegatività

È la misura della capacità di un atomo ad attrarre elettroni di legame, gli elettroni si localizzano più vicini all'atomo elettronegativo. L'elettronegatività aumenta dal basso verso l'alto e da sinistra verso destra. Dipende dalla configurazione elettronica, dimensioni atomiche e dalla densità elettronica, maggiore densità elettronica maggiore elettronegatività. L'elettronegatività secondo Mulliken è uguale al rapporto tra la somma dell'energia di ionizzazione più l'affinità diviso due. Se l'elettronegatività è maggiore di 1,7 il legame ionico, tra 0,4 e 1,7 covalente polare, minore di 0,4 covalente, uguale zero covalente puro oppure apolare.

Energia reticolare

È la somma dei termini di attrazione e di repulsione tra due atomi. È l'energia positiva richiesta per separare una mole di solido ionico nei suoi ioni. È l'energia che viene liberata, negativa, nella formazione di una mole di un solido ionico partendo dai suoi ioni separati. È calcolabile grazie al ciclo di Born Haber. La formula per calcolare l'energia reticolare è dipendente dalla costante di Madelung che è sempre positiva, dipende dal tipo di struttura cristallina e dal numero di coordinazione dei singoli ioni. La formula è Er=-M*(N*z²)/4πϵd, con M costante di Madelung, N numero di Avogadro, d distanza.

Legame ionico

È il legame tipico tra un metallo e un non metallo e si realizza quando un metallo a bassa energia di ionizzazione si combina con un metallo ad alta affinità elettronica. L'elemento a bassa energia di ionizzazione trasferisce elettroni all'altro e si trasformano in catione carico positivamente e anione carico negativamente. Anche se si rompe il legame gli elettroni rimangono scambiati, questo perché c'è un trasferimento di elettroni, non una condivisione. In altre parole, una volta rotto il legame non tornano ad essere atomi neutri ma restano degli ioni scarichi. È un legame direzionale e particolarmente forte, per romperlo serve un'alta temperatura oppure un solvente fortemente polare come per esempio l'acqua. Quando un solido ionico viene sottoposto a trazione, gli ioni si trovano uno di fronte all'altro con la stessa carica, da ciò nasce un'improvvisa repulsione, che giustifica la fragilità dei solidi ionici.

Legame covalente

È un legame tipico tra non metalli, la percentuale di ionicità deve essere inferiore al 60%. Se A e B hanno la stessa elettronegatività e gli elettroni sono equamente condivisi, il legame prende il nome di covalente puro, se invece A e B hanno elettronegatività differenti, gli elettroni vengono attratti dall'atomo maggiormente elettronegativo e il legame diventa covalente polare. Gli elettroni vengono condivisi a coppie, se si forma una coppia il legame prende il nome di semplice, singolo, monovalente.