Chimica generale

Chimica 3) LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE (Dalton): se

prendo una certa quan?tà di carbonio la massa di

ossigeno che serve per fare CO o CO è in un rap-

2

porto espresso da numeri interi.

La materia: atomi, molecole, ioni

Chimica: scienza che studia stru/ura, composizione e TEORIA ATOMICA DI DALTON: l’atomo è una palla di

proprietà della materia e le trasformazioni che essa su- materia densa invariabile e immodificabile che non ha

bisce (o le trasformazioni chimiche). La chimica si ap- interazioni. TuH gli elemen? sono faH da atomi, piccoli

poggia sul metodo sperimentale (si parte dalle ipotesi e indivisibili, e tuH gli atomi di un certo elemento sono

o/enute a/raverso i da? sperimentali che devono es- uguali tra loro (e differen? da quelli degli altri ele-

sere confermate tramite esperimen? fino ad arrivare a men?). Le reazioni chimiche sono riarrangiamen? degli

un modello teorico). atomi che formano compos? (sempre nello stesso rap-

porto). Gli atomi non possono essere crea? o distruH

La materia è ciò che ha massa e volume; ha delle pro- (per questo le reazioni vanno bilanciate!!!).

prietà (estensive e intensive, in base alla loro dipen- Dalton aveva suggerito dei simboli per rappresentare i

denza dalla quan?tà). La materia si trova in tre sta? fi- singoli atomi, Berzelius è il primo a dare un simbolo al-

sici (solido, liquido, gas). fabe?co.

Le trasformazioni fisiche non cambiano la composi-

zione chimica del composto, mentre le trasformazioni L’atomo di Dalton è troppo semplice!!!! Grazie ad alcuni

chimiche convertono una o più sostanze in altre. esperimen? chiave si scoprono aspeH nuovi.

Possiamo dis?nguere la materia in termini di: 1) TUBO DI CROOKES E RAGGI CATODICI: è un tubo di

• Miscele, che contengono più di una sostanza pura vetro con pressione estremamente bassa e una dif-

con una composizione variabile. Sono eterogenee ferenza di potenziale al?ssima agli estremi, che

(ha una composizione non uniforme) od omogenee perme/e di vedere una specie di emanazione

(ha una composizione uniforme). (raggi catodici che vengono emessi dal catodo e si

• Sostanze pure, con una composizione fissa, che si propagano in linea re/a).

dividono in compos? (atomi diversi) o elemen?

(atomi tuH uguali). I compos? possono essere

scompos? in elemen? tramite reazioni chimiche.

In natura esistono 92 elemen? (118 in laboratorio). Le

sostanze pure possono essere fa/e di elemen? da? da

singoli atomi oppure molecole di uno stesso elemento

oppure molecole di un composto.

Due elemen? diversi possono formare miscele fisiche 2) ESPERIMENTO DI THOMSON: rifà l’esperimento

oppure compos?. per dimostrare la natura dei raggi catodici. Fa in

modo che solo un raggio catodico esca dal mezzo e

Il primo a formulare una teoria scien?fica è stato Em- prova a deviarlo cambiando la differenza di poten-

pedocle, seguito da Aristotele, che formula la teoria dei ziale. Il fa/o che il raggio fosse deviato verso il polo

qua/ro elemen?. Democrito formula la teoria atomica, posi?vo indica che il raggio era dato da par?celle

introducendo l’idea di una par?cella molto piccola che nega?ve. Aggiungendo anche un campo magne?co

cos?tuisce tu/a la materia. Questa teoria fu dismessa riesce a deviare ulteriormente il raggio e ciò per-

da Aristotele. Negli anni la chimica si sviluppa fino ad me/e di calcolare il rapporto carica/massa. Infine

arrivare a Boyle (Il chimico sce-co) che dà una defini- si accorge che i raggi hanno cara/eris?che indipen-

zione di elemen? come qualcosa di semplice/elemen- den? dal metallo usato quindi il raggio è fa/o da

tare che cos?tuiscono i cosiddeH corpi mis?. par?celle (ele/roni) comuni a tu/a la materia. Gra-

zie a questo esperimento rielabora un modello ato-

LEGGI PONDERALI: mico in cui gli ele/roni sono dispersi in una carica

1) LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DELLA MASSA (La- posi?va (modello a plum pudding).

voisier): in una trasformazione chimica la somma

delle masse dei reagen? è uguale alla somma delle

masse dei prodoH (gli atomi rimangono quelli!!!).

2) LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE (Proust): il

rapporto tra le masse degli elemen? che si combi-

nano per formare un dato composto è costante. In

un composto gli atomi che lo formano sono sempre

nella stessa proporzione.

3) ESPERIMENTO DI MILLIKAN (o della goccia d’olio): Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con di-

questo apparato sperimentale è fa/o da una ca- verso numero di neutroni. La maggior parte degli ele-

mera in so/ovuoto che con?ene un ele/rodo ne- men? ha 2-4 isotopi, ma si può arrivare fino ad una de-

ga?vo giù e uno posi?vo su. Nell’ele/rodo posi?vo cina. L’idrogeno esiste sopra/u/o come prozio (no neu-

c’è un foro grande, qui sopra viene nebulizzato un troni); ci sono anche il deuterio e il trizio; ciò ha delle

olio che scende a gocce. Imprime una carica alle ripercussioni significa?ve sulla massa della materia.

goccioline che scendono. La forza di gravità fa ca- La massa atomica assoluta non è comoda quindi si usa

dere le gocce che, essendo nega?ve, sono a/ra/e uno standard ovvero la massa atomica rela?va rispe/o

dalla piastra posi?va superiore e quindi rimangono a uno standard che è 1/12 della massa del C12.

["#]

a mezzaria. Calcolando il campo ele/rico riesce a [] = !"#

%,''∗%) "#/+,-

determinare la carica dell’ele/rone. ATTENZIONE: la maggior parte degli atomi in natura esi-

ste so/oforma di isotopi quindi nella tavola periodica si

considera la massa atomica media. Ciao! CO2

J -

Ione: atomi neutri che hanno perso/guadagnato e .

RIASSUNTO: la materia è qualunque cosa che abbia una

massa e un volume ed esiste in tre sta? di aggrega-

zione: solido, liquido e gassoso. Le miscele sono fa/e

da due o più elemen? o compos? in proporzioni varia-

bili e in cui i componen? conservano le loro proprietà.

Possono essere eterogenee (se sono fa/e di par? visi-

bili e con differente composizione locale) od omogenee

(quando sono assen? le par? visibili e la stessa compo-

sizione è ovunque). A/raverso le trasformazioni fisiche

(filtrazione, estrazione, dis?llazione, cristallizzazione,

cromatografia) possiamo trasformare le miscele in so-

4) ESPERIMENTO DI RUTHERFORD: usano una foglia stanze pure, in cui la composizione è fissa dovunque. Le

d’oro che bombardano con una sorgente di raggi sostanze pure possono trovarsi so/oforma di elemen?

alfa ad al?ssima energia. Scoprono che, diversa- o di compos?; gli elemen? sono cos?tui? da una sola

mente da come pensavano, alcune vengono de- specie di atomo e quindi sono il ?po più semplice di

viate di un angolo molto grande o rimbalzano addi- materia che ne conserva le proprietà cara/eris?che. I

ri/ura indietro. Ciò significa che nello strato di oro compos? invece sono forma? da due o più elemen?,

c’è qualcosa di molto denso e posi?vo in grado di combina? in frazione fissa in massa, e le cui proprietà

deviare fortemente queste par?celle posi?ve (è la differiscono da quelle degli elemen? corrisponden?.

prima evidenza sperimentale di un singolo nucleo A/raverso le trasformazioni chimiche si passa da ele-

molto denso). Saputo ciò ipo?zza un nuovo mo- men? a compos? e viceversa.

dello atomico. Il problema del modello di Rutherford è che l’ele/rone,

diversamente da come ci si aspe/a, non collassa nel nu-

cleo (come prevede la fisica classica). Le par?celle mi-

croscopiche seguono le leggi della fisica quan?s?ca.

Maxwell aveva scoperto che la radiazione luminosa (vi-

sibile e non) è dovuta alla propagazione di un campo

eleTromagneXco (cara/erizzato da una lunghezza

d’onda, una frequenza e una velocità):

• Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due creste o due

valli successive, misurata in m o so/omul?pli, ?pi-

L’atomo è faTo quasi totalmente da spazio vuoto e da camente nm;

un nucleo (più piccolo di 4 ordini di grandezza) posi- • Frequenza (ν): numero di creste che passano per

Xvo (fa/o da nucleoni, ovvero neutroni e protoni). Gli -1

un punto in un secondo, misurata in s ;

ele/roni orbitano a velocità elevata intorno al nucleo. • Ampiezza: il massimo spostamento dell’oscilla-

X (simbolo atomico) zione sulle ordinate, il suo quadrato è proporzio-

Z (numero atomico): numero di protoni nale all’intensità della radiazione (più l’onda è am-

A (numero di massa): numero di protoni e neutroni pia, più è luminosa).

PROBLEMA: per la fisica classica i fenomeni o sono di

natura corpuscolare o di natura ondulatoria, ma la luce

non segue questo modello.

Alcuni fenomeni (radiazione del corpo nero, effe/o fo- 3) Una sorgente di luce bianca dà uno spe/ro lumi-

toele/rico e spe/ri atomici) non trovano spiegazione al noso con?nuo. La luce di un gas eccitato dà uno

di fuori della teoria quan?s?ca. spe/ro luminoso a righe, ovvero uno spe/ro di

emissione, che dipende dall’elemento. Balmer

1) Un corpo nero è un ogge/o fisico ideale in grado di trova una relazione matema?ca tra le righe dello

assorbire completamente tu/a l’energia incidente spe/ro di emissione dell’idrogeno: si rende conto

(assorbitore perfe/o) e rieme/ere energia in "

4

che (serie di Balmer). Balmer ha fa/o

= 3 4

forma di radiazione (radiatore perfe/o). Assor- "

4 56

una interpretazione semi-empirica dell’intero spet-

bendo energia si scalda ed eme/e una radiazione tro dell’idrogeno. Rydberg trova un modo di defi-

che possiamo vedere nello spe/ro di emissione. A nire tu/e le righe dell’idrogeno (non solo nel visi-

mano a mano che la temperatura sale l’area so/esa % % %

bile): N1 e n2 sono numeri qua-

= 3 − 4.

alla curva aumenta e il massimo si sposta verso si- 8 " "

7 4 4

% "

nistra (lunghezze d’onda minore). In base a questo lunque perché ci sono infinite linee.

modello a frequenze più alte si raggiungerebbe la

catastrofe ultraviole/a (emissione infinita di ener- Il primo modello atomico che ?ene in considerazione la

3

./"0 2

gia). = = ∞

∫ quan?zzazione è quello di Bohr:

$ )

1 • Il nucleo è solido e in mezzo, gli ele/roni sono vin-

Planck allora propone un modello basato sulla cola? a orbite circolari con una certa energia e un

quanXzzazione dell’energia (1901), per cui l’ener- certo raggio. Siccome i livelli energe?ci sono quan-

gia non si può propagare del tu/o liberamente ma ?zza?, non ci sono livelli intermedi.

a/raverso quan? (ovvero paccheH non con?nui • Pone come condizione la quan?zzazione del mo-

ma discre?). La proporzionalità della quan?tà di mento angolare, per cui mvr può essere solo un va-

energia di una radiazione per la frequenza è legata lore intero di nh/2pig. Si può dimostrare che l’ener-

da numeri interi. " &

," 9

gia dell’ele/rone sull’orbita è − ∗

"

ℏ

"

% ℏ 2 . n è il numero quan-

, =

" "

4 ,"9

?co principale, che dà un’indicazione sul livello di

energia.

L’ele/rone non casca sul nucleo perché è relegato negli

orbitali.

I chimici pensano che i fisici siano un po’ strani.

I valori di E sono tuH nega?vi perché un ele/rone li-

bero ha energia pari a zero (convenzione) con n pari a

2) L’effeTo fotoeleTrico è l’emissione di ele/roni da infinito.

un metallo che viene illuminato da una radiazione Un atomo eme/e energia so/o forma di fotone pas-

ele/romagne?ca, con conseguente generazione di sando tra i livelli permessi. Eme/e energia passando in

una corrente ele/rica. Hertz si accorge che gli elet- uno stato più basso da uno più alto Per salire

Δ = ℎ.

troni non vengono emessi so/o una certa fre- in un livello più alto invece si deve assorbire energia.

quenza di soglia (?pica per ogni metallo). Sopra una " (=

; >1)

certa frequenza però l’intensità di corrente rimane ' .

= −

4 "

4

la stessa. Aumentando l’intensità della radiazione LIMITE: questo modello funziona solo per gli atomi con

aumenta la corrente. Al di sopra della frequenza di un solo ele/rone (idrogenoidi), è necessario aggiun-

soglia, aumentando la frequenza aumenta l’energia gere un Z^2.

cine?ca. Einstein ipo?zza che la soglia (funzione la-

voro del metallo) è un’energia minima. L’eccesso di

energia si esprime come energia cine?ca = ℎ −

Φ.

Configurazioni ele4roniche A ogni ele/rone posso associare alcuni sta? stazionari

di energia. L’ele/rone vibra intorno al nucleo nelle tre

Heisenberg si rende conto che introducendo il principio dimensioni dello spazio. Le soluzioni dell’equazione

per cui non si può determinare con precisione assoluta d’onda acce/abili sono solo quelle stazionarie e si pos-

posizione e quanXtà di moto di una parXcella le cose sono determinare esa/amente negli atomi idrogenoidi.

iniziano ad avere senso. Suggerisce due relazioni: La funzione d’onda è descri/a con i 3 numeri quan?ci

∆∆ ≥ (n, l, m). La funzione d’onda associata a un determi-

nato eleTrone è l’orbitale; la funzione d’onda non ha

Il prodo/o delle incertezze delle due misure è sempre un significato fisico, è il quadrato dell’ampiezza che ci

maggiore o uguale di un determinato valore (indeter- dà la densità (eleTronica) di probabilità in un certo

minazione). 2

punto (interpretazione di Born). determina quindi

ATTENZIONE: l’energia si trova molto più facilmente la forma dell’orbitale e perme/e di visualizzare grafica-

(spe/ri atomici) della posizione (che rimane completa- mente le zone dello spazio a/orno al nucleo con mag-

mente invariata). giore densità ele/ronica. L’informazione è di Xpo sta-

A livello subatomico la sola osservazione di un feno- XsXco (indica la probabilità, non da info fisiche). L’or-

meno lo perturba; nel mondo microscopico non posso bitale è quindi una zona delimitata da una superficie li-

avere una risposta sperimentale corre/a senza cam- mite che racchiude il 95% della probabilità di trovare

biare leggermente lo stato. l’ele/rone.

Introducendo questo principio il modello di Bohr non

ha senso! • N= numero quanXco principale (n=1,2,3…∞), de-

termina l’energia dell’orbitale e le sue dimensioni.

De Broglie sos?ene che se la luce (fenomeno ondulato- Al crescere di n aumenta l’energia e l’ele/rone è più

rio) si può presentare con delle cara/eris?che corpu- lontano dal nucleo. Orbitali con lo stesso n appar-

scolari, allora è possibile anche il contrario. È possibile tengono allo stesso livello o guscio ele/ronico.

quindi che i fasci di par?celle materiali abbiano un com- • L= numero quanXco secondario (0≤l≤n-1), deter-

portamento un po’ ondulatorio. mina la forma dell’orbitale. Aumentando n sono

2

∆ = ℎ possibili più valori di l. Orbitali di pari l e n appar-

H

∆ = ℎ = tengono allo stesso so/olivello.

ℎ • M= numero quanXco magneXco (-l≤m≤+l), deter-

= mina l’orientazione dell’orbitale nello spazio. In

Questa relazione vale per par?celle dotate di massa e quale direzione è orientato l’orbitale, lo dice m.

che quindi non vanno alla velocità della luce. L’ipotesi

De Broglie è stata verificata sperimentalmente da Da- ORBITALE S: l=0, c’è una sola orientazione possibile

visson e Germer, che hanno osservato la diffrazione di (una specie di nuvola ele/ronica). La densità di proba-

ele/roni da parte di solidi. 2

bilità è | . La distribuzione di probabilità nello

|

%@

spazio in funzione del raggio si calcola considerando su-

perfici sferiche via via maggiori, e si oHene la distribu-

zione di probabilità radiale (probabilità di trovare l’elet-

trone in un guscio sferico di raggio r e spessore dr)

2 2

| P ha un massimo per un par?co-

| ∗ 4 = .

%@

lare raggio (raggio di Bohr).

ORBITALE P: l=1, m=-1,0,1 quindi ci sono tre orienta-

zioni spaziali possibili (ma una sola forma).

ORBITALE D: hanno cinque orientazioni diverse e hanno

forma quadrilobata.

ORBITALE F: aumenta il numero di lobi.

Fino all’atomo idrogenoide tuH gli orbitali dello stesso

livello hanno la stessa energia. Per l’effe/o schermo gli

ele/roni che vanno in orbitali con energia minore

Il primo ad applicare queste teorie al modello schermano la carica nucleare. Ogni ele/rone risente di

dell’atomo è Schrödinger, che ricava un’equazione una carica efficace data da: in cui è la

= − ,

d’onda che descrive il movimento dell’ele/rone all’in- schermatura da parte degli ele/roni più vicini al nucleo.

terno di un atomo come un’onda materiale stazionaria L’ordine di riempimento degli orbitali segue l’ordine n+l

tridimensionale. L’ampiezza dell’onda è in funzione crescente secondo linee diagonali.

delle tre coordinate Le soluzioni

= (, , ).

dell’equazione sono le funzioni d’onda. Proprietà periodiche e modelli del le-

game chimico

Mendeleev crea la tavola periodica (1869) per riuscire

a ordinare gli elemen? conosciu? allora in maniera si-

stema?ca. Si rende conto che bisogna tenere conto

della massa atomica degli atomi e delle proprietà ricor-

ren? che si ripetono periodicamente. Crea uno schema

pur avendo un numero limitato di elemen? e dei valori