Schemi Elementi di chimica

Materia: struttura e particelle fondamentali

Particelle fondamentali

Raggi catodici, 1897: elettrone. Crookes. Nome: Thomson. Rapporto carica/massa: 1,76 × 10⁸. Possibile costante: 10. Grazie. (1885) Tubo di Geissler: 28 g × 6,022 × 10. R.A. 1911, 9 C, 10. Millikan: 10^-1, e/m, carica.

1917, 1898: protone. Raggi anodici, Wien. Rapporto dipende dalla carica/massa. Massima per idrogeno. Thomson: 6,022 × 10. Grazie. 10 g, 1917, 1836 m. Goldstein, Rutherford, 672. Tubo. Nome: 1 m. (1896), particelle più positive, più pesanti, bombardato.

Berillio-cristallo: particelle di 1932, neutrone. d, 1839 m, Chadwick. m_n. Nessuna carica.

Modelli atomici

Modello di Dalton

1802, Dalton: tutta la materia è costituita da atomi, indivisibili e indistruttibili. Non vero. Se tutti sono diversi, considerare proprietà chimiche e peso di elementi. Atomi uguali di uno stesso elemento, atomi differenti sono diversi elementi, interi, piccoli, inalterati. Gli atomi si combinano in numeri quando composto sono scissi.

Modello di Thomson

Thomson: panettone, modello.

Modello di Rutherford

Rutherford: con esperimento di particelle su lamina sottile, l'atomo è in gran parte vuoto; molto piccola massa concentrata nel nucleo, con carica positiva; carica negativa distribuita uniformemente.

Struttura del nucleo atomico

Numero di massa A: protoni + neutroni. Simbolo dell'elemento: ^A_Z. Numero atomico Z: protoni.

• Isobari: uguale massa atomica, diverso numero atomico.
• Isotopi: stesso numero atomico, diversa massa.
• Idrogeno: deuterio.

Meccanica quantistica e onde elettromagnetiche

Schrödinger. Meccanica quantistica. Onde elettromagnetiche. Teoria corpuscolare: Planck. Carattere di natura dualistica. Teoria di Maxwell: carattere ondulatorio.

Onda periodica sinusoidale: variazione di campo elettrico e magnetico perpendicolare. La direzione dell'onda coincide con la direzione di propagazione. E_max, B_max; E_max, B_max. Altezza dell'onda: cresta, ampiezza dell'onda raggiunta, massima/minima.

Densità di energia trasportata: energia media per unità di volume.

Periodo: tempo, in secondi, impiegato per compiere un'oscillazione completa.

Frequenza: numero di periodi al secondo, Hertz; inverso del periodo.

Lunghezza d'onda λ: distanza nello spazio tra due creste, ovvero un periodo. λ = v/ν.

Velocità c: numero di lunghezze d'onda contenute nell'unità di tempo.

L'energia di un oscillatore è particolare alla frequenza radiante, pari a: E = hν. Costante di Planck: h = 6,625 × 10^-34 Js.

Modello atomico di Bohr-Sommerfeld

Idrogeno. Modello atomico di Bohr-Sommerfeld, 1913: nel centro positivo è presente il nucleo; l'elettrone ruota attorno al nucleo in un'orbita circolare con raggio r.

Postulato della quantizzazione del momento

Il modulo della quantità di moto dell'elettrone rotante rispetto al nucleo deve essere un multiplo intero della quantità h/2π: mvr = nh/2π, n = 1, 2, 3, ...

Raggio di Bohr: r_n. Quantizzazione della quantità di moto orbitale. Energia: E_n = - me⁴ / 2h²n².

Numero quantico principale: n = 1 nello stato fondamentale. Raggio dell'orbita e energia dell'elettrone.

Postulato dell'assorbimento e dell'emissione

Il postulato riguarda onde elettromagnetiche, transizioni energetiche tra livelli. L'atomo assorbe o emette radiazioni elettromagnetiche solo quando si verificano transizioni tra stati quantici diversi, cioè quando avviene il passaggio dell'elettrone tra livelli energetici. L'energia assorbita o emessa sotto forma di un unico fotone corrisponde alla differenza di energia tra gli stati quantici.

Stato fondamentale: stato normale dell'atomo, quello con energia minima.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Quanto più precisa è una misura della posizione, tanto più indeterminato sarà il valore dell'altra, velocità. Δ(mv_x) Δx = h. Incertezza sulle posizioni: Δ(mv_y) = h. Δ(mv_z) = h. Incertezza sulla quantità di moto.

Equazione di de Broglie

Qualsiasi corpo materiale dotato di massa m e di velocità v è associato a un'onda tridimensionale di lunghezza d'onda λ: λ = h/mv.

La materia può esibire allo stesso tempo un carattere corpuscolare e uno ondulatorio. Una porzione di materia che è in movimento ha una quantità di moto. Quindi particelle del mondo microscopico non appartengono alla meccanica classica.

Equazioni di Schrödinger

Le equazioni di Schrödinger permettono di risolvere l'onda rispetto alla posizione punto per punto, capire e descrivere la forma dell'orbitale, trovare l'elettrone e la probabilità di trovarlo.

Funzione d'onda: densità di probabilità di trovare l'elettrone. La densità è proporzionale alla probabilità di trovare l'elettrone in ogni punto dello spazio. Energia elettromagnetica. L'elettrone in un punto.

Struttura elettronica degli atomi

Le soluzioni delle equazioni differenziali di Schrödinger sono accettabili solo per alcuni valori dell'energia, detti autovalori. Le soluzioni sono dette autofunzioni.

Numero quantico principale n: quantizzazione dell'energia. E_n = - h / 2n², n = 1, 2, 3, ...

Numero quantico secondario, azimutale: quantizzazione del modulo del momento angolare. l = 0, 1, 2, 3, ... n - 1.

Numero quantico magnetico: quantizzazione della proiezione della quantità di moto, momento P_z, su m. m = -l, ..., -1, 0, 1, 2, ..., l.

• Orbitali s: simmetria sferica, l = 0.
• Orbitali p: simmetria assiale, l = 1.
• Orbitali d: l = 2.
• Orbitali f: l = 3.

La probabilità di trovare l'elettrone può essere calcolata in funzione della distanza dal nucleo: probabilità che si trovi entro un guscio sferico di raggio r e spessore dr, dV. P = |Ψ|²dV.

Condizione di normalizzazione di un'autofunzione

Per l'orbitale la probabilità è massima. Per questo orbitale, per il modello di Bohr, l'elettrone può muoversi da uno stato quantico all'altro nelle transizioni; non può ruotare a una distanza dal nucleo. Per la meccanica quantistica la probabilità massima si ha a una distanza dal nucleo, ma non è trascurabile trovarlo a distanze maggiori o minori.

Superficie equiprobabilità: costante.

Per gli atomi polielettronici l'equazione di Schrödinger non è monoelettronica, perché gli elettroni sono tanti. L'energia complessiva è la somma delle singole energie: E_tot = E₁ + E₂ + ...

Va ricordato anche che gli elettroni, oltre al moto di rivoluzione attorno al nucleo, presentano un moto di rotazione attorno al proprio asse: spin.

Momento di spin intrinseco. Numero quantico di spin M_s: stato dell'elettrone definito.

Principio di esclusione di Pauli

In un atomo non può esistere più di un elettrone con una stessa quaterna di numeri quantici.

Regola di Hund

Gli elettroni di uguale energia vengono sistemati in orbitali diversi, occupandone uno alla volta con spin paralleli, fino a che ci sono orbitali vacanti. La massima molteplicità tende a ridurre al minimo la repulsione interelettronica.

In ogni orbitale ci sono al massimo 2 elettroni. Si procede solitamente a rappresentare per un atomo la configurazione elettronica elencando gli orbitali occupati in ordine di energia crescente.

[Ar] 3d⁵ 4s¹: Cr. Configurazioni elettroniche. Orbitali semicompleti: [Ar] 3d⁷ 4s², Co. [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, Ag. Orbitali d completi: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹, Au.

Elettroni di valenza: gli elettroni più esterni occupano gli orbitali con n più elevato.

Tavola periodica

Mendeleev: 18 gruppi, 7 periodi, sulla tavola periodica in massa atomica crescente. Moseley: il parametro ordinatore degli elementi non era la massa atomica ma il numero atomico.

• Gruppo 1: metalli alcalini.
• Gruppo 2: metalli alcalino-terrosi.
• Gruppo 3-12: metalli di transizione.
• Gruppo 16: calcogeni.
• Gruppo 17: alogeni.
• Gruppo 18: gas nobili.

Proprietà periodiche degli elementi

L'elettrone “sente” la carica nucleare efficace reale dell'elemento, data dalla carica positiva del nucleo. Con l'aumentare dei protoni aumenta.

Raggio atomico: la metà della distanza tra i nuclei di due atomi della stessa specie, in una molecola o in un cristallo.

Raggio ionico: quando un elettrone viene allontanato da un atomo per formare un catione, le dimensioni dello ione sono minori di quelle dell'atomo, tanto minori quanti sono gli elettroni rimossi. Quando un elettrone viene aggiunto a un atomo per formare un anione, le dimensioni dello ione sono maggiori di quelle dell'atomo.

Energia di ionizzazione: energia necessaria per allontanare un elettrone legato dal nucleo a distanza infinita, trasformando l'atomo in un catione. Prima energia di ionizzazione, seconda energia di ionizzazione.

Affinità elettronica: energia liberata quando un elettrone viene addizionato a un atomo isolato allo stato gassoso neutro, nello stato fondamentale. Essendo energia liberata, ha segno negativo.

Elettronegatività: tendenza di un atomo ad attrarre elettroni quando si lega ad altri atomi. Se ha elettronegatività uguale, il legame non presenta senso.

Carattere metallico: elementi costituiti da metalli, caratterizzati da forze attrattive relativamente deboli tra gli elettroni esterni e il nucleo. Mobilità degli elettroni, facilità di staccarsi dall'atomo, notevole. Quanto più è bassa l'energia di ionizzazione, tanto più accentuato è il carattere metallico.

Il legame chimico

A livello energetico le molecole sono più stabili degli atomi separati.

Energia di legame: energia necessaria per dissociare due atomi legati e portarli a distanza infinita l'uno dall'altro, detta anche energia di dissociazione. Una molecola, allo stato gassoso, quando si scinde: energia positiva.