Appunti di Chimica generale e inorganica - Introduzione

PROPRIETÀ DELLE TRE PARTICELLE SUBATOMICHE PRINCIPALI

carica massa

nome relativa assoluta relativa assoluta posizione

-19 -24

protone 1+ +1.602218 x 10 1.00727 1.67262 x 10 nucleo

-24

neutrone 0 0 1.00866 1.167493 x 10 nucleo

-19 -29

elettrone 1- -1.60218 x 10 0.00054858 9.10939 x 10 all’esterno

La massa dell’atomo è data per intero da protoni e neutroni, mentre la carica elettrica dipende dal rapporto di protoni

ed elettroni.

Quando si parla di atomi si parla di entità neutre dove il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni → è

possibile ionizzare gli atomi togliendo o aggiungendo elettroni

● catione → atomo a cui tolgo uno o più elettroni → ha carica positiva

● anione → atomo a cui aggiungo uno o più elettroni → ha carica negativa

Le particelle non sono disposte in maniera uniforme → protoni e neutroni sono confinanti in una zona di spazio →

nucleo (densità altissima) → dove si trova la massa. Gli elettroni si trovano attorno

Il nucleo è carico positivamente quanti più protoni ci sono.

Gli elettroni sono carichi negativamente e questo fa sì che urtino attorno al nucleo perché cariche opposte si attirano.

Se prendiamo due atomi e li avviciniamo, la prima cosa che l’atomo A vede dell’atomo B sono gli elettroni → tutte le

forze e le proprietà chimiche dipendono dagli elettroni → i nuclei sono 100 mila volte più distanti degli elettroni → le

interazioni sono dovute dagli elettroni e dipendono dal numero di essi → elettroni di valenza → si trovano negli strati

più esterni

● L’atomo è un’entità neutra → il numero di elettroni coincide con quello di protoni → NUMERO ATOMICO

(Z) = numero di protoni nel nucleo, dunque anche il numero di elettroni. Tutti gli atomi che hanno lo

stesso numero atomico hanno le stesse proprietà chimiche quindi sono lo stesso elemento, hanno lo stesso

nome

● NUMERO DI MASSA (A) = Z + NUMERO DI NEUTRONI (N) 3

ISOTOPI

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento chimico, con lo stesso numero di protoni (e quindi lo stesso numero

atomico Z), ma con un diverso numero di neutroni nel nucleo, che porta ad un diverso numero di massa (A) e massa

atomica

● hanno le stesse proprietà chimiche ma diverse proprietà fisiche

● possono essere separati su base fisica

14

Il C si forma in alta atmosfera perché l’azoto viene bombardato da raggi cosmici e si forma continuamente e poi

14

decade → si forma e si distrugge. Noi assimiliamo C, uguale a quello atmosferico, perché entra nella catena

alimentare visto che le piante lo utilizzano per fare la fotosintesi. Quando un organismo muore smette di assimilare

14

C

Tutti gli atomi con numero atomico 6 sono del carbonio → esistono in natura come miscela

● 12

C → il più abbondante → 98%

● 13

C → 1%

● 14

C → radioattivo → non è stabile → in natura c’è una piccolissima parte perchè decade spontaneamente

COMPOSIZIONE ISOTOPICA DI UN ELEMENTO

● determinata con lo SPETTROMETRO DI MASSA → strumento dove il campione viene introdotto, viene

riscaldato finché non diventa gas, viene sottoposto a scariche elettriche → esempio: prendendo un atomo di

Ne, gli elettroni vengono trattenuti intorno al nucleo ma applicando un’energia sufficiente si può togliere un

elettrone → il nucleo rimane uguale ma l’atomo ha carica positiva → catione

il campione, tramite una scarica elettrica viene ionizzato

⇒ ● si può anche prendere un atomo e aggiungere un elettrone come accade ad esempio al Cl → anione

Una volta creato lo ione, con un campo elettrico viene accelerato e viene fatto passare attraverso un campo

magnetico → lo ione carico viene curvato e l’angolo di curvatura dipende dal rapporto massa/carica, ma la carica è

+1 ioni con massa diversa andranno ad impattare in punti diversi sul detector → l’altezza dei picchi ci dà le

⇒

abbondanze naturali → questi ioni sono gli isotopi → ci sono atomi che hanno un solo isotopo come P e F, mentre

ci sono atomi per i quali esistono 8/10 isotopi 4

UNITÀ DI MASSA ATOMICA (UMA) 12 12

● è la dodicesima parte della massa atomica dell’isotopo C → pesiamo 1 solo atomo di C, il numero che

viene fuori lo dividiamo per 12 per ottenere l’unità di massa atomica

-27 -24

1 UMA = 1.66 x 10 kg = 1,66 x 10 g → se calcoliamo il reciproco otteniamo il numero di Avogadro

● MASSA ATOMICA ASSOLUTA → massa di un atomo espressa in kg o g

● MASSA ATOMICA RELATIVA → massa atomica espressa in UMA

La massa atomica esatta degli elementi è sempre un po’ più piccola → nella tavola periodica la massa del C è

12 13

12.011, questo perchè il carbonio naturale è una miscela dell’isotopo C e C

le masse indicate nella tavola periodica sono MASSE ATOMICHE NATURALI → media pesata delle masse

⇒

isotopiche di un elemento, pesate in base alle abbondanze naturali

35 37

Esempio: Cl → miscela di Cl (massa 34.97 uma, abbondanza 75.53%) e Cl (massa 36.97 uma, abbondanza

24.47%) massa atomica Cl = (34.97•0.7553) + (36.97•0.2447) = 35.46 uma

LEGGE DI COULOMB

Perché gli atomi si dispongono in un determinato modo?

A far sì che gli elettroni non si allontanino è la legge di Coulomb → legge fisica che dice qual è la forza che agisce fra

due cariche elettriche q1 e q2

● la forza fra i due oggetti è data da k → una costante che moltiplica il prodotto delle cariche, diviso la

distanza. La forza è:

○ direttamente proporzionale al prodotto delle cariche

○ inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche

₁₂

= 2

₂₁

Le cariche elettriche possono essere positive o negative

● se hanno stesso segno la forza è positiva → REPULSIONE

● se hanno segno opposto la forza è negativa → ATTRAZIONE il nucleo lega gli elettroni grazie alla forza

⇒

di Coulomb → più protoni ci sono nel nucleo, più la forza è attrattiva

La forza è di tipo elettrostatico → la carica positiva del nucleo e quella negativa dell’elettrone

DIFETTO DI MASSA ED ENERGIA DI LEGAME NUCLEARE

Come fa a stare in piedi il nucleo?

Il nucleo contiene protoni e neutroni → le interazioni elettrostatiche (repulsione tra cariche positive, protone-protone)

tenderebbero a distruggere il nucleo → questa forza repulsiva è bilanciata dall’INTERAZIONE FORTE (o forza

nucleare forte) → agisce all’interno del nucleo tra protoni e neutroni e li tiene uniti

● SEMPRE attrattiva

● un nucleo è stabile quando la repulsione elettrostatica (coulombiana) e l’attrazione forte si bilanciano

L’aggiunta di neutroni serve per legare i protoni → c’è l’interazione attrattiva forte ma c’è anche la forza di Coulomb. I

neutroni contribuiscono in maniera positiva all’energia di legame nucleare servono a bilanciare le interazioni

⇒

all’interno del nucleo → questo fa sì che il nucleo raggiunga un equilibrio con un certo numero di protoni e neutroni →

per questo esiste un numero limitato di isotopi e solo un paio sono più stabili.

Aumentando il numero di protoni aumenta la repulsione protone-protone, dunque deve aumentare di molto il numero

di neutroni.

Più il numero atomico è grande più è alto il numero di neutroni che servono

12

Per definizione un atomo di C ha massa esattamente 12 UMA e l’atomo è composto da 6

protoni, 6 neutroni e 6 elettroni.

Moltiplicando le masse delle particelle per 6, la massa totale viene 12,09900 uma → non sto

calcolando la massa dell’atomo ma delle particelle isolate quando prendo le particelle e le

⇒

12

metto assieme per fare un atomo di C, so che pesa esattamente 12 perchè l’ho misurato

con lo spettrometro di massa → con la differenza vedo che una parte di massa scompare

2

= 5

nei processi nucleari è possibile trasformare la massa in energia e viceversa con un fattore di proporzionalità

⇒

molto grande (velocità della luce) → questo difetto di massa si trasforma in energia che tiene legato il nucleo.

Ogni nucleo trova la sua stabilità con un certo rapporto di protoni e neutroni → il bismuto è l’ultimo elemento dove si

riesce a trovare un equilibrio tra protoni e neutroni, poi sono tutti radioattivi

TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

● introdotta da Mendelew su basi chimiche → ha studiato le proprietà chimiche degli elementi

● prendiamo tutti gli elementi noti e li mettiamo in ordine di numero atomico crescente → ogni volta che

incontriamo un gas nobile andiamo a capo → perchè i gas nobili sono gli unici atomi che in natura esistono

in forma monoatomica

● 7 righe → periodi

● la forma compatta si ottiene dalla forma estesa prendendo parte della riga 6 e 7 e mettendoli sotto

● colonne → gruppi

○ numerati da 1 a 18 da sinistra a destra

○ numerati da 1 a 8 nella vecchia nomenclatura

○ tutti gli elementi che appartengono allo stesso gruppo hanno proprietà chimiche simili

○ ELEMENTI DEI GRUPPI PRINCIPALI

■ gruppo 1 → metalli alcalini (tranne l’idrogeno)

■ gruppo 2 → metalli alcalino terrosi

■ gruppo 13 → elementi terrosi

■ gruppo 14 → gruppo del carbonio

■ gruppo 15 → gruppo dell’azoto o picnogenoli

■ gruppo 16 → gruppo dell’ossigeno o calcogeni

■ gruppo 17 → alogeni

■ gruppo 18 → gas nobili

○ ELEMENTI o METALLI DI TRANSIZIONE → dal gruppo 3 al 12

○ 28 elementi in basso → ELEMENTI DI TRANSIZIONE INTERNA

■ lantanidi o terre rare → dal cerio al lutezio

■ attinidi → dal toro al laurenzio

● si può dividere in 4 blocchi → in generale gli elementi dello stesso blocco hanno fra di loro analogie

○ bocco s → prime due colonne

○ blocco p → ultime 6 colonne

○ blocco d → metalli di transizione

○ blocco f → lantanidi e attinidi 6

REGOLA DEL GAS NOBILE E VALENZA

● tutti gli elementi, tranne i gas nobili, tendono ad unirsi per formare specie chimiche →

vorrebbero essere come i gas nobili → le proprietà di un atomo dipendono dal numero totale

di elettroni, dunque ci deve essere qualcosa di speciale nel numero di elettroni che hanno i

gas nobili → gli altri atomi cercheranno di combinarsi tra di loro per raggiungere la

configurazione elettronica del gas nobile più vicino, perdendo o acquistan