Appunti Chimica - Lezioni da 1 a 6

Osservando le energie degli orbitali s sui vari livelli

Allontanandosi dal nucleo la gaussiana si allarga e ci sono delle gobbette (PENETRAZIONE DEGLI ORBITALI INTERNI: quindi l'energia è più bassa di quanto ci possiamo aspettare). Più un orbitale è concentrato (s) più ha penetrazione perché risente più della carica nucleare, più è espanso (p) meno c'è penetrazione degli orbitali interni. Per gli elementi leggeri, gli orbitali più esterni ma concentrati hanno energia inferiore a orbitali più interni ma meno concentrati (+ espansi), la penetrazione spiega il perché si riempiono prima i 4s dei 3d. Le configurazioni elettroniche più esterne si ripetono periodicamente.

N.B: raggruppo elementi chimici in base alla configurazione elettronica più esterna, K e Ca riempiono prima il 4s che il 3d, dopo aver riempito il 3d si procede con il 4p. Caratteristica: da sinistra verso destra si riempiono il numero...

quantico principale 1, poi 2 nella seconda riga. Dove metto il rubidio Rb? Nel 5s.

Lezione 4 – Chimica

Lezione 4 – 10.03.23

Ripasso:

• Principio di Pauli
• Le forme degli orbitali determinano una piccolissima differenza di energia tra orbitali dello stesso ordine
• Principio di Hunde: tendono a riempire il numero max di orbitali degeneri
• Per alcuni elementi chimici, gli orbitali più esterni si riempiono prima di quelli interni (4s prima di 3d)

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Elementi chimici con configurazione esterna s p sono i gas nobili, stabili. Anche il rubidio, come il potassio, riempie prima il 5s del 4p e del 4d. Questo si spiega partendo dai dati sperimentali: si analizza come variano le energie degli orbitali in funzione del numero di protoni. A mano a mano che si aumenta il numero di protoni, lo stesso orbitale verrà sempre più attratto dal nucleo a parità di elettroni. Quanto più l'atomo è grande tanto più le cariche

positive attraggono le stesse due cariche negative nel primo orbitale. Gli stessi elettroni del numero quantico principale 1, sono tanto più attratti quanti più protoni ci sono, meno sono le energie in gioco. Questo si ripete per gli orbitali 2s e 2p: più è grande l'atomo più le energie si abbassano. Fino al 3p c'è un andamento decrescente, per gli elementi più leggeri dell'orbitale 3d si nota un gradino orizzontale per cui l'energia rimane costante per una serie di elementi chimici (dal fosforo P in avanti), anche al crescere del numero atomico. Questi orbitali per essere attratti hanno bisogno di un'energia considerevole. Si analizza l'orbitale 4s e 4p, la configurazione è la stessa; per l'orbitale 4d che è molto più espanso (molto più del 3d) ed essendo più lontano gli elettroni hanno bisogno di una carica notevolmente maggiore per essere attratti dal nucleo con

L'orbitale 5s ad energia inferiore; questo viene esasperato per gli orbitali 5d e 6d ancora più espansi. Per alcuni elementi (potassio K, calcio Ca e scandio Sc), il 4s ha energia leggermente più bassa del 3d: dato sperimentale conferma le ipotesi. Aumentando il numero di protoni si tende a ri-uniformarsi. Lo stesso discorso può essere fatto tra l'orbitale 5s e il 4d, per gli elementi come rubidio Rb, stronzio Sr, ecc. Gli orbitali di tipo 4f si trovano energia più alta del 6s: questo avviene per alcuni elementi con numero di protoni "insufficiente" per poter attrarre quegli elettroni. Quindi elementi con pochi protoni e neutroni, con orbitali molto espansi, attraggono di meno gli elettroni; mentre gli orbitali sferici (più compatti) di numeri quantici superiori si ritrovano a necessitare di energia inferiore.

SEQUENZE DI RIEMPIMENTO: riassunte in un diagramma mnemonico.

Si osserva che le configurazioni elettroniche esterne si ripetono

periodicamente (tranne piccole eccezioni): gli elementi sulla sx riempiono gli orbitali s, sulla dx gli orbitali p più esterni, nell'ultimo gruppo ci sono gli 2 6 elementi stabili con configurazione s p, i gas nobili. Al centro gli elementi con configurazioni in cui gli orbitali vengono riempiti dopo che quelli più esterni sono già pieni. Si colloca l'elio sulla destra perché ha caratteristiche simili ai gas nobili. A ogni riga, periodo, riempiamo un numero quantico fino ad arrivare ai gas nobili, nelle colonne, gruppi, si raggruppano elementi con configurazione esterna simile, che hanno le stesse caratteristiche. Le proprietà chimico – fisiche degli elementi sono determinate dagli orbitali più esterni.

• 1° gruppo ha un elettrone in più rispetto al gas nobile che li precede nella sequenza, tenderanno quindi a liberarsi di quell'elettrone per raggiungere la stabilità.
• 2° gruppo tenderà

ugualmente a perdere due elettroni.

Gli elementi centrali hanno difficoltà a perdere facilmente elettroni, sono gli elementi di transizione e tenderanno a tenersi gli elettroni.

Lezione 4 – Chimica

Gli elementi degli ultimi gruppi tendono ad acquistare gli elettroni per assomigliare al gas nobile successivo.

Gli elementi in basso che riempiono il 4f quando è già pieno il 6s, sono detti lantanidi e attinidi sono quelli che riempiono il 5f quando il 7s è pieno.

L'organizzazione della tavola periodica degli elementi chimici consente di non doversi ricordare nulla, perché si può dedurre anche la configurazione elettronica più esterna.

Attenzione alla quantità degli elementi presenti sulla terra: alcuni sono a rischio di "estinzione"; quindi, c'è da fare attenzione al recupero e al fine vita, perché un elemento non si può trasformare in un altro.

Proprietà

1. Numero quantico principale: ogni periodo aumento il numero quantico principale; quindi, dall'alto verso il basso aumenta l'energia e questo

del nucleo esercitano, schermando la carica e generando un effetto contrastante. Si parla di effetto barriera: diminuzione dell'effetto attrattivo, aumenta all'aumentare del numero di elettroni che si interpongono. Quindi la carica nucleare efficace (cioè quella effettivamente sentita dagli elettroni) diminuisce.

Effetto schermo aumenta verso il basso, perché il numero di elettroni che varia dall'alto verso il basso è notevole, mentre da sinistra verso destra l'effetto c'è ma è spesso trascurabile.

Proprietà periodiche:

• Raggio atomico: approssimazione secondo cui l'atomo può essere ricondotto a una sfera. Bisogna stabilire come si misura il raggio atomico convenzionale = distanza media tra due nuclei di due atomi adiacenti quando fanno parte di un cristallo (struttura fisica le cui distanze tra gli atomi non variano perché fissate). Si misura la distanza e si divide a metà.

Lezione 4 -

Chimica

Dall'alto verso il basso: il raggio atomico aumenta perché:

• Numero quantico principale aumenta: gli elettroni più esterni sono sempre più lontani, gli elettroni esterni fanno parte di numeri quantici sempre più alti quindi la distanza aumenta.
• Numero atomico aumenta: il numero di protoni nel nucleo aumenta notevolmente dall'alto verso il basso quindi la carica attrattiva aumenta sempre di più. Il numero quantico principale e il numero atomico hanno effetti contrastanti e si neutralizzano tra loro.
• Effetto di schermo: aumenta il numero di elettroni che si interpongono tra il nucleo e gli elettroni più esterni. Questo è il fattore che determina l'aumento del raggio atomico dall'alto verso il basso.

Da sinistra verso destra: il raggio atomico diminuisce perché:

• Numero quantico principale: non gioca un ruolo perché resta lo stesso lungo i periodi.
• Numero atomico: aumenta il numero di protoni, quindi...

questo gioca il ruolo principale perché fa aumentare le cariche positive e l'attrazione.

Effetto di schermo: trascurabile da sx verso dx.

Confrontando i raggi atomici degli atomi che tendono a perdere elettroni con il corrispondente ione positivo la differenza è evidente, così come l'aumento del raggio per elementi che tendono ad acquistare elettroni.

Volume atomico: volume occupato da una mole allo stato cristallino (convenzionalmente). È pari all'andamento del raggio atomico, ci sono alcune anomalie dovute all'assetto del cristallo specifico. Aumenta da alto verso basso e diminuisce da sx verso dx.

Energia di ionizzazione: ENERGIA (misurabile, presenta dei segni algebrici: se il segno è negativo il sistema si libera di energia, stabilizzandosi; è positivo se il sistema acquisisce energia dall'ambiente) da FORNIRE ALL'ATOMO (dall'ambiente verso sistema: segno positivo) allo stato gassoso (esperimenti).