Chimica base

Gli isotopi

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno le stesse proprietà chimiche ma masse diverse. Quello che cambia è semplicemente il numero di neutroni. In tutti e tre i casi il numero atomico è sempre 1. Deuterio è un atomo di idrogeno e ha un neutrone in più, la carica è sempre neutra. Un altro tipo di idrogeno si chiama trizio, con numero di protoni 1, numero elettroni 1 ma contiene 2 elettroni diversi che è proprio questa differenza che dona la possibilità di emettere radiazioni. Molti elementi hanno al loro interno degli isotopi, anche se noi generalmente li chiamiamo Ossigeno, diremo che l'ossigeno 16 è il più stabile perché fargli perdere ulteriori elettroni è molto difficile. L'ossigeno 17 è un isotopo molto meno abbondante, con il fatto che contiene un neutrone in più gli dona una più bassa stabilità chimica.

Abbondanza relativa

Frazione del numero totale di atomi di un dato isotopo.

Modelli atomici

Atomo di Thomson: modello a panettone.

Atomo di Rutherford: gli elettroni devono orbitare in determinate posizioni.

Atomo di Bohr: gli elettroni possono girare solo in determinate orbite (orbite quantizzate) e a determinate distanze.

Atomo di Schroedinger: esiste matematicamente il fatto che ogni elettrone ha una certa probabilità di trovarsi in determinati punti.

Esempio di Schroedinger

Esempio per ricordare: i braccialetti che quando si spezzano emettono colore fluo. Sono sostanze chimiche fluo, rompendosi avviene una reazione chimica per cui una certa quantità di energia viene rilasciata e quindi si ha il salto dell’elettrone. Quando si accende? Quando l’elettrone che è saltato da un livello all’altro spontaneamente torna al livello precedente. Aggiungendo energia si eccita, la tolgo torna come prima.

Ogni livello energetico (o guscio) è costituito da sottolivelli (o sottoguscio) che differiscono tra loro non per una differenza di energia ma semplicemente per una disposizione nello spazio. Io posso avere due elettroni che hanno la stessa energia ma si trovano in posizioni dello spazio diverse, ovvero hanno una probabilità diversa di trovarsi in punti diversi dello spazio intorno al nucleo. Questi sottolivelli sono una questione di forma dell’orbita. Queste diverse forme prendono il nome di orbitale. L’orbitale è una funzione matematica che sta ad indicare la probabilità di trovare l’elettrone in un punto piuttosto che un altro.

L'equazione di Schroedinger

Il grande scienziato Schroedinger ha tirato fuori un’equazione che descrive esattamente la probabilità che l’elettrone si trovi in un certo volume infinitesimo attorno al nucleo. Se c’è un punto dove un elettrone non può mai stare è nel nucleo. Dalla sua equazione sappiamo inoltre che: il moto dell’elettrone nel campo del nucleo si descrive con una equazione d’onda. Le soluzioni delle equazioni d’onda applicate all’elettrone sono chiamate funzioni orbitali o più semplicemente orbitali.

Numeri quantici

• Numero quantico principale (n): ci indica di ogni elettrone, l’energia. Se un elettrone si trova in un guscio sferico, un altro elettrone potrebbe trovarsi in un altro guscio sferico però più grande. Più elevata è l’energia più è grande la sfera in cui si trova l’elettrone.
• Numero quantico secondario (l): ci dice la forma dell’orbitale.
• Quantico magnetico (m): ci dice su che tipo di asse si sta rivolgendo l’orbitale.

Valori numeri quantici

• Numero quantico principale: qualsiasi valore che va da 1 a infinito.
• Numero quantico secondario: valori che vanno da 0 a x-1 (esempio: Se x è 3, quindi n=3, l può essere 0, 1 o 2).
• Numero quantico magnetico m: valori che vanno da -l a +l.

Tutti gli orbitali atomici vengono rappresentati con la seguente notazione V (n, l, m) in cui n, l, ed m rappresentano i tre numeri quantici. Ogni terna di questi numeri definisce un orbitale. Il numero degli orbitali atomici è, quindi, uguale al numero di tutte le possibili terne che si possono realizzare. Vediamo ora il significato di questi numeri, le relazioni esistenti tra di essi e i valori che possono assumere. n è detto numero quantico principale e può assumere tutti i valori interi che vanno da 1 a infinito. Il valore di n determina l'energia dell'orbitale, ovvero l'energia totale dell'elettrone. L'energia aumenta con l'aumentare di n. Alternativamente si può dire che n definisce i vari stati o livelli energetici che il sistema può assumere. Così per n = 1, si ha il primo livello di energia; per n = 2, il secondo livello, e così via. Appare evidente che il numero n assume lo stesso significato che aveva nel modello atomico di Bohr. Pertanto n è strettamente correlato alle dimensioni dell'orbita descritta dall'elettrone. Quanto maggiore è n tanto maggiore risulta il raggio dell'orbita. Più correttamente, con l'aumentare di n aumenta la probabilità che l'elettrone si trovi ad una distanza maggiore dal nucleo. In conclusione, il numero quantico principale n definisce sia il livello di energia dell'orbitale sia la distanza dell'elettrone dal nucleo; il numero quantico e definisce la forma dell'orbitale e i sottolivelli energetici di cui è costituito ogni livello, il numero quantico magnetico m, l'orientazione dell'orbitale ed il numero di livelli isoenergetici (molteplicità) di cui è formato ogni sottolivello. Le relazioni tra i numeri quantici permettono di ricavare tutte le possibili combinazioni e, quindi, tutti i possibili orbitali atomici. Le terne si ricavano assegnando ad n valori crescenti e ricavando, per ogni valore di n, i corrispondenti valori di l ed m. Quando n = 1, l ed m assumono rispettivamente valore zero. Pertanto, la prima terna di numeri n = 1, l = 0, m = 0 individua il primo orbitale atomico (1,0,0). Quando n = 2, l può assumere due valori, l = 0 e l = 1. Il momento magnetico m assumerà il valore m = 0 quando l = 0 ed i valori m = -1, 0, +1, quando l = 1. Le quattro possibili combinazioni che si hanno per n = 2 sono riportate nella Tabella. Si può facilmente osservare che l'uso della notazione V (n, l, m) per rappresentare i vari orbitali atomici risulta poco pratica. Per facilitare la loro rappresentazione si è introdotta una simbologia. Essa si basa sul valore del numero quantico angolare l, cioè sul valore del numero quantico che definisce la forma dell'orbitale. In base al valore di l gli orbitali vengono così indicati:

Gli orbitali atomici

Orbitale atomico = regione nello spazio nella quale esiste una elevata probabilità di trovare l'elettrone. Un orbitale atomico è una funzione d'onda Ψ che descrive il comportamento di un elettrone in un atomo. La collocazione dell'elettrone in un atomo si descrive tramite una nube di posizioni probabili. Le sagome più importanti di tali nubi sono quelle corrispondenti agli orbitali sferici, s, a quelli bilobati, p e agli orbitali d. Ad ogni orbitale corrisponde un definito livello energetico. Il numero di orbitali per ogni sottolivello, quindi, è:

• Sottolivello s, l = 0: 1 orbitale
• Sottolivello p, l = 1: 3 orbitali
• Sottolivello d, l = 2: 5 orbitali
• Sottolivello f, l = 3: 7 orbitali