Appunti chimica generale

L'atomo

La materia è composta da atomi formati da tre tipi di particelle subatomiche: protoni, elettricamente positivi, neutroni, privi di carica elettrica, e gli elettroni, dotati di carica negativa che in valore assoluto è uguale a quella del protone. Il modello pone le particelle di massa maggiore, i protoni e i neutroni, in un nucleo molto piccolo, che contiene tutte le cariche positive e praticamente tutta la massa dell'atomo. Gli elettroni circondano il nucleo e occupano la maggior parte del volume dell'atomo. Il numero degli elettroni all'esterno del nucleo eguaglia quello dei protoni all'interno.

Carica e massa delle particelle

Poiché gli atomi non possiedono carica elettrica, il numero dei protoni positivi deve essere uguale a quello degli elettroni negativi. La maggior parte degli atomi ha masse molto più grandi di quelle che si potrebbero avere sulla base dei soli protoni ed elettroni, il che suggerì che gli atomi devono contenere anche particelle relativamente pesanti ma prive di carica elettrica. Si scoprì che all'interno del nucleo dell'atomo vi erano i neutroni, senza carica elettrica e con massa leggermente superiore alla massa di un protone.

Modelli atomici

Thomson aveva supposto che l'atomo fosse una sfera uniforme di materia carica positivamente entro la quale erano inglobati migliaia di elettroni. (modello a panettone)

Rutherford propose, dopo esperimenti, un nuovo modello di atomo, in cui tutte le cariche positive e la maggior parte della massa dell'atomo erano concentrate in un volume molto piccolo. Egli chiamò questo piccolo nocciolo dell'atomo nucleo. Ma questo modello presentava dei problemi in quanto gli elettroni cadrebbero nel nucleo, a causa dell'attrazione elettrostatica.

Bohr: gli elettroni si muovono su orbite circolari intorno al nucleo; solo determinate orbite sono permesse e passando da un'orbita all'altra gli elettroni liberano (acquistano) una ben definita quantità di energia. Tale modello presentava dei problemi: inadeguatezza teorica (mescolamento della meccanica quantistica e della meccanica classica) e descrizione non adeguata degli atomi multielettronici.

Numero atomico e numero di massa

Numero atomico Z: numero di protoni di un elemento presente nel nucleo (rappresenta il numero di elettroni di un atomo neutro).

Numero di massa A: numero di protoni e neutroni nel nucleo.

Isotopi

Atomi con lo stesso numero atomico ma con differente numero di massa sono chiamati isotopi. Gli isotopi devono avere un differente numero di neutroni. L'isotopo dell'idrogeno con un neutrone è chiamato deuterio, o "idrogeno pesante". Il nucleo dell'isotopo radioattivo dell'idrogeno, trizio, contiene un protone e due neutroni.

L'energia e le sue forme

L'energia è la capacità di un oggetto di compiere un lavoro, ovvero la capacità di far subire all'oggetto uno spostamento operando contro forze esterne.

La radiazione elettromagnetica

Perturbazione che trasmette energia attraverso un mezzo che si può descrivere come un'onda.

• Lunghezza d'onda: distanza fra due creste successive, o punti più elevati di un'onda.
• Frequenza: numero di creste passanti per un punto nell'unità di tempo (s^-1).
• Ampiezza: altezza massima di un'onda.
• Nodi: punti in cui l'altezza è zero.
• Velocità: la velocità della luce visibile è pari a 300000 km/s. Tutte le radiazioni elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce.

Onde stazionarie

Onde che presentano dei vincoli; un'onda stazionaria possiede due o più punti di ampiezza nulla, ossia l'ampiezza dell'onda in corrispondenza dei nodi è zero.

• La distanza tra due nodi successivi è sempre pari a λ/2.
• Le vibrazioni permesse sono quelle con lunghezza d'onda di n(λ/2), dove n è un numero intero.

Lo spettro visibile della luce

La luce visibile è formata da uno spettro di colori, che vanno dal rosso, il colore con lunghezza d'onda più elevata, fino al violetto, il colore con lunghezza d'onda più breve. La luce visibile è soltanto una piccola porzione dello spettro elettromagnetico totale. La regione del visibile ha λ=390-760 nm. L'energia della radiazione elettromagnetica è proporzionale alla frequenza della radiazione. E=hf.

Proprietà ondulatorie dell'elettrone

Einstein usò l'effetto fotoelettrico per dimostrare che la luce, che è di solito considerata un'onda, può avere anche proprietà di particelle. De Broglie propose che a un elettrone di massa m, che si muove alla velocità v, fosse associata un'onda di lunghezza data da: λ = h/mv. Era un'idea rivoluzionaria, perché metteva in relazione le proprietà corpuscolari dell'elettrone con proprietà ondulatorie. Ne conseguì che, in certe circostanze, anche gli elettroni possono essere descritti come onde.

Non può essere fatto alcun esperimento che dimostri che l'elettrone si comporta contemporaneamente come un'onda e come una particella. Gli scienziati accettano il dualismo onda-particella, cioè l'idea che un elettrone ha effettivamente le proprietà di entrambe.

Principio di indeterminazione

È impossibile conoscere contemporaneamente sia la posizione di un elettrone di un atomo sia la sua energia con una accuratezza arbitrariamente elevata. Se si cerca di determinare con accuratezza o la posizione o l'energia, allora l'altro parametro rimane indeterminato. È possibile solo calcolare la probabilità di trovare un elettrone con una certa energia in una certa regione di spazio.

Il modello di Schrodinger dell'atomo di idrogeno

Il modello di Schrodinger dell'atomo di idrogeno è basato sulla premessa che l'elettrone può essere descritto come un'onda e non come una particella. Al contrario del modello di Bohr, l'approccio di Schrodinger porta a equazioni matematiche complicate e difficili da risolvere. Le soluzioni dell'equazione sono chiamate funzioni d'onda ψ.

• Il modo migliore per descrivere il comportamento dell'elettrone nell'atomo è descriverlo come un'onda stazionaria, ossia per un elettrone nell'atomo sono permesse soltanto alcune funzioni d'onda.
• Ad ogni funzione d'onda ψ è associata un'energia permessa per l'elettrone, ossia l'energia dell'elettrone è quantizzata, cioè può avere solo certi valori di energia.
• Il concetto di quantizzazione dell'energia entra nella teoria di Schrodinger in maniera naturale, ciò è in contrasto con la teoria di Bohr nella quale la quantizzazione era imposta come postulato iniziale.
• Il quadrato della funzione d'onda è correlato con la probabilità di trovare l'elettrone in una data regione di spazio. Questa probabilità è detta densità elettronica.
• La regione dello spazio in cui si ha la massima probabilità di trovare un elettrone con una certa energia è detta orbitale.
• Per risolvere l'equazione di Schrodinger si necessitano dei parametri: numeri quantici n, l, e ml, che sono sempre dei numeri interi, ma i soli valori non possono essere scelti a caso.

I numeri quantici

Valore di l e orbitali

• 0: S
• 1: P
• 2: D
• 3: F

La maggior parte delle sostanze è leggermente respinta da un potente magnete: queste sostanze sono dette diamagnetiche. Altre invece sono attratte da un campo magnetico, queste sostanze sono dette paramagnetiche. Il paramagnetismo deriva dallo spin elettronico, il quale può disporsi solo secondo due orientazioni: o allineato al campo oppure opposto al campo. Anche lo spin elettronico è quantizzato.

• Il paramagnetismo è l'attrazione verso un campo magnetico di sostanze costituite da ioni o atomi che contengono elettroni spaiati.
• Le sostanze in cui tutti gli spin degli elettroni sono appaiati sono diamagnetiche.

Configurazione elettronica

Principio della minima energia: gli elettroni occupano l'orbitale a minor contenuto energetico disponibile.

Principio di esclusione di Pauli: in un atomo non possono esistere due elettroni con la stessa sequenza dei quattro numeri quantici.

Regola di Hund: nel riempire gli orbitali isoenergetici bisogna riempire il maggior numero possibile con spin parallelo e successivamente con spin opposto.

La forma degli orbitali atomici

Il comportamento chimico di un elemento e dei suoi composti è determinato dagli elettroni dell'atomo dell'elemento, e in particolare dagli elettroni con il valore di n maggiore, che sono chiamati elettroni di valenza.

• Orbitali s: la massima probabilità di trovare l'elettrone si ha in una piccolissima regione di spazio intorno al nucleo e la probabilità di trovare l'elettrone è sempre la stessa. L'orbitale s ha dunque forma sferica. Comunque non esiste un confine netto al di là del quale non è più possibile trovare l'elettrone. La dimensione degli orbitali s cresce al crescere di n. L'orbitale 1s, come qualsiasi altro orbitale, può essere occupato al massimo da due elettroni, che debbono avere direzioni di spin opposte.
• Orbitali p: hanno un piano immaginario che passa attraverso il nucleo e divide la regione di densità elettroni in due metà. Questo piano immaginario è detto superficie nodale, sulla quale la probabilità di trovare l'elettrone è zero. L'orbitale p può contenere un massimo di sei elettroni.

Carica nucleare effettiva: è la carica nucleare di cui risente effettivamente un particolare elettrone di un atomo polielettronico, a causa della presenza degli altri elettroni.

La tavola periodica

Gruppi: colonne verticali

Periodi: righe orizzontali

La tavola periodica può essere divisa in diverse regioni in funzione delle proprietà degli elementi (metalli, non metalli e metalloidi). Gli elementi diventano gradualmente sempre meno metallici man mano che ci si muove da sinistra a destra lungo un periodo.

Proprietà atomiche e andamento periodico

• Raggio atomico: è definito come ½ della distanza che intercorre tra i nuclei di due atomi uguali legati tra di loro. Per gli elementi dei gruppi principali, i raggi atomici generalmente aumentano scendendo all'interno di un gruppo nella tavola periodica, e diminuiscono spostandosi lungo un periodo:
  • Le dimensioni di un atomo sono determinate dagli elettroni più esterni. Scendendo all'interno di un gruppo, gli elettroni più esterni occupano orbitali il cui numero quantico principale n ha valore sempre più alto.
  • Muovendosi lungo un periodo la CNE aumenta leggermente, ciò comporta che l'attrazione tra il nucleo e gli elettroni aumenta, ed il raggio atomico diminuisce.
• Energia di ionizzazione: è l'energia necessaria per allontanare un elettrone da un atomo in fase gassosa, ossia la quantità di energia per far avvenire una reazione di ionizzazione. Per allontanare un elettrone da un atomo, deve essere fornita energia per vincere l'attrazione della carica nucleare. Poiché bisogna fornire energia, l'energia di ionizzazione ha sempre valore positivo. L'energia di ionizzazione generalmente aumenta muovendosi lungo un periodo e decresce scendendo all'interno di un gruppo. L'andamento lungo un periodo è razionalizzato dall'aumento della CNE, all'aumentare del numero atomico. La diminuzione dell'energia di ionizzazione scendendo all'interno di un gruppo, è dovuta al fatto che l'elettrone che viene perso è sempre più lontano dal nucleo, e questo fa diminuire la forza di attrazione tra nucleo ed elettrone.
• Affinità elettronica: è definita come la variazione di energia che si verifica quando un atomo in fase gassosa acquista un elettrone, ossia rappresenta l'energia che viene liberata quando un atomo lega un elettrone. Essa aumenta da sinistra verso destra lungo un periodo e diminuisce dall'alto verso il basso nei gruppi. La CNE aumenta lungo un periodo, rendendo più difficile la ionizzazione dell'atomo, ma aumentando l'attrazione per un ulteriore elettrone da parte dell'atomo. Per questo un elemento con un'elevata energia di ionizzazione ha normalmente un'elevata affinità per l'elettrone. L'andamento crescente delle affinità elettroniche lungo il periodo non è però regolare. Per esempio il berillio non ha affinità per gli elettroni. L'anione berillio non è stabile perché l'elettrone in più deve occupare l'orbitale 2p ad energia maggiore degli elettroni di valenza 2s. Anche l'atomo di azoto non ha affinità per gli elettroni. In questo caso, quando l'atomo di N acquista un elettrone, questo deve necessariamente appaiarsi con un altro elettrone. Nello ione N- si ha quindi una notevole repulsione tra gli elettroni, che rende lo ione instabile. Inoltre, in N- viene distrutta la configurazione particolarmente favorita presente in N di 3 elettroni p con spin parallelo. L'aumento di CNE che si ha passando dal carbonio all'azoto non è sufficiente a compensare l'effetto della repulsione tra gli elettroni. I gas nobili non hanno affinità per gli elettroni, poiché ogni elettrone in più deve essere aggiunto allo strato elettronico successivo. Il valore elevato di CNE per i gas nobili non è insufficiente a compensare questo effetto.
• Elettronegatività: è definita come la capacità di un atomo di attrarre verso di sé gli elettroni dei legami in cui è coinvolto. Procedendo lungo un periodo aumenta la carica nucleare, diminuisce il raggio atomico e aumenta la forza con cui il nucleo attira a sé qualsiasi elettrone esterno, cioè aumenta l'elettronegatività dell'atomo. Scendendo lungo un gruppo aumenta il raggio atomico e diminuisce la forza con cui il nucleo attira a sé qualsiasi elettrone esterno, cioè diminuisce l'elettronegatività dell'atomo.

Gli elettroni di valenza

Gli elettroni presenti in un atomo possono essere divisi in due gruppi, gli elettroni di valenza, e gli elettroni interni. Gli elettroni di valenza determinano le proprietà chimiche dell'atomo, poiché le reazioni chimiche danno luogo a perdita o somma di elettroni di valenza, e ad un riarrangiamento di questi stessi elettroni. Tutti gli elettroni che hanno sede negli strati interni sono elettroni di core o interni. Gli elementi dei gruppi principali hanno il numero di elettroni di valenza uguale al numero di gruppo.

G.N. Lewis introdusse una maniera utile per descrivere gli elettroni nel guscio di valenza di un atomo, i chimici fanno oggi riferimento a questa rappresentazione come simboli di Lewis. La disposizione degli elettroni di valenza attorno agli atomi segue la regola dell'ottetto: un ottetto di elettroni che circonda un atomo rappresenta una configurazione particolarmente stabile. I gas nobili, con l'eccezione dell'elio, hanno otto elettroni di valenza e mostrano una notevole mancanza di reattività. Poiché le reazioni chimiche coinvolgono variazioni degli elettroni che si trovano nel guscio di valenza, la reattività limitata dei gas nobili è una pr... [il testo sembra interrompersi qui]