40 pagine di Domande Svolte fatte dalla Prof.ssa S. Fornarini all'esame orale di Chimica Generale

Domande modulo 3

Da cosa sono formati i raggi canale?

Sono delle particelle cariche positivamente con rapporto q/m molto più piccoli di quelli dei raggi catodici e dipendenti dalla natura del gas. Sono formate dalle molecole di gas rarefatto carico positivamente a causa dell’impatto con elettroni veloci.

Qual è l’equazione di Planck?

In cui h è la costante di Planck, ν è la lunghezza d’onda della radiazione e c è la velocità della luce.

Cos'è la quantizzazione dell'energia?

Il principio di quantizzazione dell'energia afferma che le particelle non possono assumere e trasferire energia in modo continuo, ma soltanto per piccole quantità discrete dette quanti.

Quali sono i numeri quantici?

Secondo il modello atomico di Bohr, sono il numero quantico principale N che indica la distanza a cui orbita l’elettrone dal nucleo; il numero quantico secondario L che indica l’ellitticità dell’orbita percorsa dall’elettrone; il numero quantico magnetico M che indica l’orientazione che assume l’orbita quando l’atomo subisce gli effetti di un campo magnetico; il numero di spin M che indica il verso di rotazione su se stesso dell’elettrone.

Con N=∞ cosa si ha?

Sì, quando N=∞ significa che l’elettrone è infinitamente lontano dal nucleo, come nel caso di elettrone espulso dall’atomo, e la sua energia totale è la massima possibile e cioè 0.

Cos'è lo spettro di emissione di un elemento chimico?

Lo spettro di emissione di un elemento chimico o di un composto chimico è l'insieme delle frequenze della radiazione elettromagnetica emesse dagli elettroni dei suoi atomi quando questi compiono una transizione da uno stato ad energia maggiore verso uno a energia minore.

Come calcolo la probabilità?

Gli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati dall’avere un determinato numero atomico che corrisponde al numero di protoni, ovvero di particelle con carica positiva contenuti nel nucleo. Poiché l’atomo è una particella neutra e gli elettroni hanno carica negativa il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Il numero di neutroni, invece, può variare: atomi di uno stesso elemento che presentano diverso numero di neutroni sono detti isotopi. La somma del numero di protoni e di neutroni è detto numero di massa. Una proprietà strettamente correlata al numero di massa è la massa atomica che rappresenta la massa totale di un atomo e può essere espressa generalmente in grammi o chilogrammi. Tuttavia, dato che il valore della massa atomica in grammi/kg ha valori piccolissimi, l’unità di misura generalmente usata è l’unità di massa atomica indicata con uma detta anche Dalton che rappresenta la massa della dodicesima parte dell’isotopo di carbonio C¹².
Il carbonio che si presenta sotto due forme isotopiche, ovvero C¹², C¹³ e C¹⁴ (il numero in alto a sinistra è proprio il numero di massa), ha una massa atomica che è data dalla media ponderata che tiene conto dell’abbondanza relativa in natura di ciascun isotopo. La massa atomica relativa, detta comunemente peso atomico, è data dal rapporto tra la massa atomica di un elemento diviso l’unità di massa atomica ed è quindi un numero adimensionale. La media ponderata che tiene conto dell’abbondanza relativa in natura di ciascun isotopo dei pesi atomici relativi di ciascun elemento è il valore di peso atomico riportato sulla tavola periodica.

Quali sono i modelli atomici e il modello di Bohr?

Storicamente, il primo modello atomico ad essere stato sviluppato fu il modello di Thomson, secondo cui gli atomi sono costituiti da una particella carica positivamente al cui interno sono disperse delle particelle negative in una configurazione simile ad un “panettone”. Questo modello derivava da esperimenti sui gas rarefatti. L’esperimento di Rutherford della lamina d’oro dimostrò però l’inadeguatezza di questo modello, perciò ne propose uno nuovo secondo cui l’atomo è formato da un nucleo contenente cariche positive attorno al quale ruotano delle cariche negative. Rutherford non disse nulla sull'eventuale moto degli elettroni, anche perché sapeva che una loro rivoluzione intorno al nucleo avrebbe provocato l'emissione di onde elettromagnetiche. Tuttavia, a partire dalla sua descrizione, si prese a rappresentare l'atomo con il nucleo al centro e gli elettroni in orbita attorno ad esso, come i pianeti del sistema solare attorno al Sole. A causa di questa particolare rappresentazione divenne noto come modello planetario.

Gli studi di spettroscopia, in particolare i fenomeni delle righe di emissione degli elementi, e l’incongruenza con i postulati della teoria elettromagnetica che secondo cui un elettrone in moto dovrebbe emettere energia collassando nel nucleo (fatto in contrasto con l’esistenza di atomi stabili) hanno portato all’elaborazione del modello atomico di Bohr secondo cui gli elettroni orbitano in orbite stazionarie in cui non perdono energia, a distanze ben definite dal nucleo a seconda del loro contenuto energetico, introducendo il concetto di quantizzazione dell’energia. Per tentare di spiegare ancora più correttamente gli spettri di emissione degli elementi, Sommerfield introdusse la quantizzazione del momento angolare degli elettroni: questo modello atomico che è quello più comunemente accettato contempla 4 numeri quantici.

Il numero quantico principale indica la distanza dal nucleo a cui si trova un guscio elettronico (distanza detta raggio di Bohr) ed è indicato con la lettera l. Il numero quantico secondario indica la tipologia di orbitale ospitata nel guscio elettronico ed è indicato con la lettera m. Il numero quantico magnetico introduce la quantizzazione del momento angolare e corrisponde all’orientazione dell’orbita dell’elettrone ed è indicato con la sigla m. Il numero quantico di spin descrive il senso di rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse ed è indicato con la sigla m_s.

Cos'è lo spettro di righe di emissione e qual è quello dell'idrogeno?

Lo spettro di emissione di un elemento chimico o di un composto chimico è l'insieme delle frequenze della radiazione elettromagnetica emesse dagli elettroni dei suoi atomi quando questi compiono una transizione da uno stato ad energia maggiore verso uno a energia minore. Eccitando una sostanza, essa produrrà delle radiazioni che sono il risultato delle transizioni elettroniche degli elettroni degli atomi che la costituiscono; facendo passare tali radiazioni attraverso un prisma, queste verranno deviate a seconda della loro lunghezza d'onda permettendo di identificare le così dette "righe di emissione" (che altrimenti sarebbero confuse in un unico fascio di radiazione elettromagnetica).

Lo spettro dell’idrogeno è il più semplice degli spettri a righe dal momento che l’idrogeno è costituito solo dal nucleo contenente un protone intorno al quale si muove un elettrone. Gli elettroni possono muoversi in orbitali ad energia quantizzata. L’orbitale 1s è quello più interno (stato fondamentale) a cui corrisponde il minimo di energia. Affinché tale elettrone possa passare dall’orbitale 1s ad un orbitale ad energia maggiore (2s) è necessario somministrare energia che è pari a 10.19 eV. L’energia che bisogna somministrare all’elettrone per consentirgli un passaggio ad orbitali ad energia crescente è via via maggiore fin quando non si giunge ad una energia (energia di ionizzazione) per la quale l’elettrone si allontana dall’atomo. Se, invece, l’elettrone che si trova in un orbitale ad alta energia passa ad un orbitale ad energia minore, rilascia una certa quantità di energia sotto forma di radiazione avente una determinata lunghezza d’onda e dando origine ad una riga di emissione. Le transizioni che gli elettroni compiono dagli orbitali periferici a quelli più interni si possono ordinare secondo valori decrescenti di energia: le variazioni di energia più elevate si registrano quando un elettrone passa da un orbitale periferico a quello corrispondente allo stato fondamentale.

L'insieme di tutti i salti che terminano nell’orbitale 1s dà luogo a una serie di righe spettrali che prendono il nome di serie di Lyman, le prime righe della quale vengono indicate con Lα, Lβ, Lγ e corrispondono alle energie delle righe dell’ultravioletto. A valori di energia immediatamente più bassa si trovano i salti dell’elettrone dalle orbite periferiche alla seconda orbita stazionaria: si hanno energie proprie dello spettro del visibile e si ottengono righe della serie di Balmer. La prima riga è originata da un salto dall’orbita 3 all’orbita 2 e viene indicata con Hα, la seconda dalla 4 alla 2 e viene indicata con Hβ mentre la terza, indicata con Hγ, corrisponde al salto dall’orbita 5 alla 2. Lo stesso discorso si ripete per la serie di Paschen le cui righe corrispondono all’energia delle righe dell’I.R.

Domande modulo 4

Qual è la differenza tra orbita ed orbitali?

L’orbita di un elettrone è il disegno della traiettoria che esso percorre; nel caso del modello di Bohr la traiettoria è circolare o ellittica. L’orbitale è invece definito come quella regione di volume, posta ad una certa distanza dal nucleo dell’atomo, in cui si ha il 95% di possibilità di trovare l’elettrone a cui si riferisce, in un dato istante.

Come vengono ricavati gli orbitali?

Estendendo il calcolo di ψ a tutto il volume attorno al nucleo è possibile fare una mappatura della probabilità di trovare l'elettrone e definire le zone in cui si ha una probabilità di trovare l’elettrone elevata. Queste zone vengono chiamate orbitali e la loro definizione va a sostituire il concetto di orbite dell’atomo di Bohr.

Cos'è l’equazione di Schrödinger?

Nella fisica atomica l'equazione di Schrödinger è una formula per descrivere la posizione e il moto degli elettroni intorno al nucleo, tramite una funzione d'onda.

Come calcolo la densità di probabilità ψ?

Facendo il quadrato del valore di ψ.

Come calcolo la probabilità?

Facendo il prodotto tra ψ² ed il volume del particolare cubetto/guscio considerato.

Domande modulo 5

Cos'è uno ione?

È un atomo che ha perso o acquistato uno o più elettroni. Gli ioni che possiedono una carica positiva (che hanno perciò perso elettroni) sono detti cationi, gli ioni che hanno una carica negativa (che hanno cioè acquistato degli elettroni) sono detti anioni.

Perché nel corso delle reazioni, gli atomi tendono ad assumere la configurazione elettronica esterna di un gas nobile?

Perché la configurazione esterna di un gas nobile, che comporta il riempimento degli orbitali s e p, è particolarmente stabile, in altre parole porta ad un sostanziale decremento dell’energia potenziale.

Serve energia per inserire un nuovo elettrone in un atomo?

Sì, serve una certa quantità di energia, tuttavia una volta inserito viene liberata una grande quantità di energia, maggiore di quella spesa per inserirlo, che prende il nome di affinità elettronica. Solo i gas nobili non liberano energia dopo aver inserito al loro interno un nuovo elettrone.

Domande modulo 6

Cos'è l’elettronegatività?

È la forza con cui un atomo attira verso di sé gli elettroni di legame; si può calcolare in diversi modi, uno dei più comuni consiste nel fare una “media” tra la tendenza di un atomo ad acquistare elettroni (data dall’affinità elettronica) e la tendenza di un atomo a cederli (data dall’energia di ionizzazione).

Cos'è un legame ionico?

È un legame chimico (quindi una forza che unisce 2 atomi) che si forma tra due elementi ad elevata differenza di elettronegatività (>2, come tra metalli e non metalli) che consiste nel trasferimento definitivo di un elettrone dall’atomo meno elettronegativo a quello più elettronegativo in modo che entrambi possano raggiungere la configurazione elettronica stabile di un gas nobile. I due atomi si sono quindi trasformati in due ioni di carica opposta e rimangono uniti per attrazione elettrostatica. In fase solida, i composti ionici tendono ad organizzarsi in maniera regolare e ordinata sotto forma di “cristallo ionico” in cui non è più possibile riconoscere la molecola singola di base.

Cos'è un legame chimico?

È una forza che lega due o più atomi a formare un aggregato definito e stabile chiamato molecola. Consiste in uno scambio di elettroni dal guscio di valenza. Se gli elettroni rimangono in condivisione tra i due atomi si parla di legame covalente.

Qual è l’ibridazione del Carbonio (C) nelle molecole CH₄, C₂H₄ e C₂H₂?

Per scoprire qual è l’ibridazione del C bisogna partire considerando il fatto che il Carbonio forma (quasi) sempre 4 legami e che lega gli altri atomi attraverso orbitali ibridi.

Quindi nella molecola CH₄ il carbonio forma 4 legami e l’unica ibridazione che comporta la formazione di 4 orbitali ibridi è la sp³.

Nella molecola C₂H₄ un atomo di carbonio lega 2 atomi di idrogeno e l’altro atomo di carbonio (lo stesso vale per il secondo atomo di carbonio), l’unica ibridazione che permette la formazione di 3 legami ibridi è la sp².

Nella molecola C₂H₂ un atomo di carbonio lega 1 atomo di idrogeno e l’altro atomo di carbonio (lo stesso vale per il secondo atomo di carbonio), l’unica ibridazione che permette la formazione di 2 legami ibridi è la sp.

Domande modulo 7

Cos'è la teoria degli orbitali molecolari?

La teoria degli orbitali molecolari afferma che gli elettroni di una molecola non appartengono più solo agli atomi di origine ma vengono redistribuiti sull’intero scheletro molecolare in dei nuovi livelli energetici chiamati “orbitali molecolari”. Gli orbitali molecolari si ottengono attraverso l’operazione della combinazione lineare di orbitali atomici con contenuti di energia poco diversi, appartenenti agli atomi che costituiscono la molecola. Da ogni orbitale atomico se ne forma sempre uno molecolare e il loro riempimento segue i principi dell’Aufbau. La teoria è stata introdotta per spiegare l’effetto dei campi magnetici su alcune molecole che, secondo la teoria VB, non avrebbero dovuto possedere elettroni spaiati.

Quanti legami Idrogeno forma una molecola d'acqua?

La molecola d’acqua forma 2 legami idrogeno. Ciascuno dei 2 atomi di idrogeno presenti, essendo legati ad un atomo di ossigeno fortemente elettronegativo, è polarizzato positivamente e quindi è in grado di accogliere i doppietti di non legame di un atomo ricco di elettroni e polarizzabile (come ad esempio un atomo di Cloro di HCl o un atomo di Ossigeno di un'altra molecola d’acqua). Anche l'ossigeno della molecola d’acqua può fungere da donatore di densità elettronica verso gli atomi di Idrogeno di altre molecole d'acqua circostanti, stabilendo un altro legame idrogeno. Complessivamente una molecola d’acqua è in grado di stabilire fino a 3 legami idrogeno.

Quali sono le forze intermolecolari?

Le forze intermolecolari, o interazioni deboli, sono delle interazioni attrattive o repulsive che si instaurano tra le molecole che influenzano molte proprietà fisiche e chimiche di un composto. Hanno una energia compresa tra 4 e 40 kj/mol e si distinguono in forze di Van der Waals, interazioni ione-dipolo e legami idrogeno. Le interazioni ione-dipolo si instaurano tra uno ione sia atomico che molecolare ed una molecola con un momento di dipolo non nullo; sono interazioni intermolecolari forti e sono le responsabili, tra gli altri, dei processi di solubilizzazione di alcuni Sali in acqua. Le forze di Van der Waals sono un insieme di interazioni dovute ai momenti di dipolo momentanei o permanenti nelle molecole formate da legami covalenti. Delle forze di Van der Waals fanno parte le interazioni dipolo permanente-dipolo permanente (cioè tra molecole polari), dipolo permanente-dipolo indotto (cioè tra una molecola polare che induce un momento di dipolo indotto in una apolare) e le forze di dispersione o di London che si instaurano tra particelle apolari in cui si generano, in modo causale, dei momenti di dipolo istantanei.

Domande modulo 8

Qual è la struttura della molecola BF₃?

La teoria Valence Shell Electron Pair Repulsion, proposta dal chimico americano Gillespie, è utilizzata per valutare la geometria di una molecola semplicemente considerando che gli elettroni dei legami di una molecola tendono a disporsi il più lontano possibile a causa delle repulsioni reciproche. I doppietti elettronici non impegnati in legame (coppie solitarie o lone pair) si respingono con maggior forza rispetto a quelli impegnati nei legami. In generale viene usato il cosiddetto metodo AXE.

• La sigla AXE rappresenta con la lettera A l’atomo centrale e ha sempre come valore sottinteso 1.
• La X rappresenta il numero di legami sigma che si formano tra l’atomo centrale e gli atomi ad esso legati. I legami covalenti multipli (doppi, tripli) contano come un X.
• Infine la E rappresenta il numero di coppie solitarie di elettroni (lone pair) presenti sull’atomo centrale.

La somma di X ed E, definita come numero sterico, è associata anche al numero totale di orbitali ibridi.