Appunti di chimica

CHIMICA

Le proprietà dei materiali dipendono dalla loro composizione chimica e dall’interazione tra gli atomi.

Es. Grafite e diamante→ diversa interazione tra gli stessi atomi di carbonio

CO

Acqua e → a stessa temperatura e pressione si trovano in due stati fisici differenti nonostante il

2

peso molecolare dell’acqua CO

sia 18 e quello della sia 44 (dovrebbero trovarsi in stati fisici opposti)

2

NO → ossidi di azoto che determinano l’inquinamento e si formano nel motore a scoppio di un’auto

x

(più precisamente ossidi di

azoto termici) → Producono uno smog fotochimico.

Modello atomico della materia

In natura esistono 98 specie atomiche differenti chiamati elementi.

La materia si presenta in tre stati di aggregazione.

La materia è tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio.

Un solido ha forma e volume propri

Un liquido ha volume proprio ma non una forma propria→ acquista la forma del recipiente

Un gas non ha né forma né volume propri

MATERIA→ miscela/miscuglio omogeneo o eterogeneo:

Omogeneo→ miscuglio costituito da una sola fase (es. aria)

Eterogeneo→ miscuglio costituito da più fasi (es. Acqua e olio)

Individui chimici o sostanze pure costituisco le miscele.

{ N →78 %

2

O → 21 %

2 → Sostanze pure presenti nella miscela “aria”

H O→<1 %

2

CO →<1 %

2

Z → numero atomico→ numero di protoni

A→ numero di massa→ numero di protoni e neutroni

A X → scrittura formale per un elemento→ X=nome dell’elemento

Z +¿

¿

p

¿ → nucleo dell’atomo→ massa

¿ ¿

protoni

¿

−¿

¿

e → volume

¿

elettrone

+ ¿

¿

p

¿

−¿

¿

e ¿

q

Il nucleo ha carica positiva che è un multiplo intero della carica di un singolo protone (es.

+¿

¿

p ).

( )=4

=4 ¿

Z → q nucleo q

Il numero di elettroni in un atomo equivale al numero di protoni presenti nel nucleo.

Fissato Z, e quindi fissato l’elemento, il numero di elettroni può variare. Se si ha un numero di elettroni

catione anione

inferiore a Z si ha un (+), al contrario avremo un (-).

Cationi e anioni sono IONI.

↠

3+¿ ¿

2+¿ → Fe ruggine che si forma in seguito all’ossidazione del ferro grazie all’ossigeno che è in grado

¿

Fe → Fe

di strappare 2+¿

Fe

elettroni al e al .

¿

Fe

Fissato l’elemento può variare anche il numero di neutroni formando ISOTOPI, cambia quindi il numero

di massa. 1 2 3

=1

Z H H H

Esempio: 1 1 1

+¿ ¿

99,985 % A=1→ 1 p

+¿+1 n ¿

0,015 % A=2→ 1 p

+¿+2 n ¿

tracce A=3 → 1 p

Gli isotopi hanno stesso Z ma diverso A a causa del variare del numero di neutroni.

12 13 14

C C C

Il carbonio esiste sottoforma di isotopi → nuclidi

6 6 6

14 C è usatp per la datazione dei reperti archeologici perchè instabile e quindi radioattivo (tende a

6

trasformarsi in altre specie chimiche stabili).

Peso atomico

Non ha unità di misura quindi è un numero puro.

massa atomica relativa

È una (quantità adimensionale).

1 12

C

È una massa relativa alla massa di della massa del .

6

12

1

+¿+6

12 n

C=6 p ( )

≅m

m nucleone

→ 12 nucleoni→

6 12

12 C

¿ 6

Il peso atomico è una massa atomica relativa media pesata (cioè sulle abbondanze isotopiche in

natura).

Per misurare il peso relativo di un nuclide si utilizza uno strumento detto SPETTROMETRO DI MASSA.

A A

massa assoluta X massa relativa X

Z Z

=

R= → massa R ∙12

relativa=

12 12

massa assoluta C massa relativa C

6 6

Modello atomico dell’atomo

All’inizio del 1800 il modello consolidato era quello ondulatorio per la radiazione elettromagnetica

mentre agli inizi del 1900 si consoliderà il modello corpuscolare.

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG 1927

Fino ad ora, conoscendo posizione iniziale, velocità e forze in ballo di una particella era possibile

calcolarne la traiettoria. −31

Tutto ciò non vale più per particelle dell’odine di grandezza dell’elettrone ( ).

10 Kg

h

( )

∆ x ∙ ∆ mv ≥ 4 π

Non è possibile stabilire la traiettoria di un elettrone intorno al nucleo.

∆ x → errore sulla posizione

( )

∆ mv → errore sulla quantità di moto

−34

h→ costante di Planck= 6,63 ∙10 J ∙ s

più piccolo è l’errore nel determinare la posizione, più grande sarà l’errore nel determinare la quantità

( )

∆ x ∆ mv

di moto ( e sono inversamente proporzionali).

Questo principio vale per qualsiasi oggetto in moto.

Ha validità GENERALE.

Nel mondo macroscopico questo principio non ha effetti, mentre per masse molto piccole ha effetti.

La quantità di moto è legata all’energia cinetica e poi quella totale dell’elettrone per quindi poi

orbitali).

determinare uno spazio in cui è probabile che l’elettrone sia presente (

Fisica/meccanica quantistica non più deterministica perché si tratta di probabilità.

1901-MAX PLANK (introduzione ai QUANTI)

Una radiazione elettromagnetica è definita dalla lunghezza d’onda λ che è la distanza in metri tra due

creste dell’onda.

λν=c

Ond Micr Infr Rag Rag

e o a visibi U gi gi

radi ond ros le V X γ

o e si SPETTRO

colori nella fascia del visibile. Spettro della radiazione elettromagnetica del visibile →

CONTINUO

1901→ Max Planck studia la radiazione del corpo nero a diverse temperature.

Corpo nero → corpo che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che incide su di esso.

Gli atomi sono in grado di assorbire ed emettere energia secondo quantità discrete dette QUANTI

aventi energia:

E=hν → energia di ogni quanto

l’effetto fotoelettrico.

1905→ Albert Einstein studia FOTONI,

Intuì il modello corpuscolare della radiazione elettromagnetica le cui particelle sono chiamate

E=hν

ciascuna delle quali trasporta un’energia pari a

frequenza di soglia

Se un’onda elettromagnetica ad una certa incide su una lamina metallica, da

questa si liberano elettroni.

1924-LOUS DE BROGLIE→ teoria ondulatoria della materia

De Broglie intuì che la materia poteva essere concepita anche con una natura ondulatoria.

{ E=hν h h

=

λ=

→ → lunghezza d’onda di una particella materiale.

2 mc mv

E=m c

Comportamento ondulatorio dell’elettrone quindi avremo equazioni d’onde e non più di moto;

parleremo di funzioni d’onda o orbitali (possiamo considerare il modello ondulatorio per l’elettrone

grazie alla sua piccola massa).

Un fotone con velocità 0 cessa di esistere dato che la sua massa è zero.

1910-BOHR (spettri atomici)

Si fa di solito riferimento allo spettro dell’atomo di idrogeno.

Spettro di emissione → Idrogeno biatomico eccitato da una scintilla che scinde le molecole in

 idrogeno monoatomico il quale rilascia l’energia sottoforma di radiazione elettromagnetica.

Questa radiazione viene fatta incidere su una sottile fenditura dal quale fuoriesce un pennello di

luce. Questo lo si a incidere su un prima disperdente il quale separa la luce in tutte le sue

componenti che poi si vanno a imprimere su una lastra fotografica. Lo spettro che si ottiene è

uno spettro discontinuo (sfondo nero con righe colorate). Ciò significa che quando si eccitano gli

atomi, questi riemettono radiazioni elettromagnetiche con particolari lunghezze d’onda.

Spettro di assorbimento→ se si investe l’idrogeno monoatomico con della luce bianca, alcune

 lunghezze d’onda vengono assorbite mentre altre passano oltre. Quelle che passano vengono

fatte incidere su un prisma e ciò che si ottiene è uno spettro discontinuo (arcobaleno con righe

nere). Le righe che mancano corrispondono alle lunghezze d’onda assorbite dagli atomi.

Se si sovrappongono spettro di emissione e di assorbimento otteniamo uno spettro continuo

(arcobaleno).

Quando gli atomi sono nel loro stato fondamentale saranno caratterizzati da energia E.

quando vengono investiti dalla luce bianca gli atomi assorbono solo le lunghezze d’onda necessarie per

passare da un livello di energia a un altro.

Bohr intuì inoltre che le energie consentite erano descritte dalla formula:

{ −K

E= lim E=0

2 →

n n →∞

⋯,

n=1 , ∞

n=¿ numero quantico principale

1926-EQUAZIONE DI SCHRӦDINGER (equazione d’onda)

L’equazione si può risolvere correttamente solo con l’atomo di idrogeno e tutte le specie mono

¿

2+ ¿

+¿ , Li

elettroniche: ¿

H , He

( )

=

M x , y , z → massa nucleo

1 1 1

( )

m= x , y , z → massa elettrone

2 2 2

[ ]

( ) ( )

2 2 2 2 2 2 2

−h 1 δ ψ δ ψ δ ψ 1 δ ψ δ ψ δ ψ ( ) ( )

+ + + + + +V =Eψ

x , y , z , x , y , z x , y , z , x , y , z

1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2

M m

2 21 21 21 22 22 22

8 π δ x δ y δ z δ x δ y δ z

( )

ψ x , y , z

Con funzione e V energia potenziale. ψ , ψ ,, ψ

Risolvendo l’equazione troviamo infinite soluzioni 1 2 k

Le soluzioni sono funzioni d’onda orbitali. ψ → E

A ogni soluzione corrisponde una determina energia k k

Equazione semplificata

^ =Eψ

H ψ ^

H

Con → operatore Hamiltoniano

ψ → E x , y , z ,

Fissata la funzione , ogni soluzione dell’equazione, oltre a dipendere da dipende

k k

n , l, m numeri quantici.

anche da che sono detti

−k

( ) =

ψ x , y , z , n ,l , m → E

k k k k k 2

n k

Numeri quantici

n

→ numero quantico principale

⋯

n=1, , ∞ −k

=

E

È strettamente correlato all’energia che compette all’elettrone descritto dalla funzione

i 2

n i

ψ i

l → secondo numero quantico

⋯

l=0 , , n−1

È strettamente correlato alla forma dell’orbitale.

l=0 → orbitale s

l=1 → orbitale p

l=2 → orbitale d

l=3 → orbitale f

m

→ numero quantico magnetico

m=−l ,⋯ , 0 ,⋯ ,+l

È strettamente correlato all’orientazione degli orbitali nello spazio.

Prima terna caratterizzata da minore energia:

{ n=1 ψ E

l=0 → →

1,0,0 1,0,0

m=0

Seconda terna di numeri quantici:

{ l=0→ m=0

{ }

m=−1

n=2→ =1→

l →

m=0

m=+1

{ l=0 → m=0

{ }

m=−1

l=1→ m=0

m=+1

{ }

n=3→ m=−2

m=−1

l=2→ m=0

m=+1

m=+2

2

n orbitali degeneri

Fissato ci sono orbitali con lo stesso contenuto energetico→

n

( )=ψ ( )

ϑ,

ψ x , y , z , 1,0,0 r , φ , 1,0,0

1,0,0 1,0,0

( ) ( ) ( )

ϑ

R r ;Θ ; Φ φ

Con funzioni.

ψ può essere scrita come il prodotto di tre funzioni

1,0,0 −r

a

e 0

=ψ =

ψ √

1,0,0 1 s 03

πa

=¿

a −10

¿

raggio di Bohr 0,53 ∙10 m=0,53 Å

0 1

2

ψ → → densità di probbabilità di trovare l’elettrone in quel punto.

1 s V

Anche a distanza infinita dal nucleo si avrà comunque una probabilità di trovare l’elettrone.

2 a

L’elettrone non attraversa mai una superficie di raggio . Quindi se intendiamo l’elettrone come

0 2 a

onda che si annulla in prossimità della superficie di raggio , allora l’elettrone si troverà o dentro o

0

superficie nodale.

fuori ma mai su quella superficie. Quella superficie è detta

s → sferici

p→ bilobati { }

p p

ϑ ϑ=90

cos ° x, y

La funzione contiene al suo interno , quindi quando (piano ) si

z z

{ } p

x , y

annulla, allora il piano è un piano nodale per .

z

2

ψ ∙ 4 π r → densità di probabilità radiale

1 s ( )

ψ x , y , z , n , l , m

Specie poli elettroniche→ approssimate → E approssimate

i i i i

Specie con Z elettroni → i-esimo elettrone risente dell’attrazione del nucleo e della repulsione degli altri

Z-1 elettroni. Ciò è diverso a seconda che l’elettrone sia descritto dalla funzione s, p, d, f.

elimina la degenerazione

Si , quindi ogni orbitale ha un’energia differente dagli altri.

n , l ,m , m

A ogni elettrone è associata non una terna ma una quartina di numeri quantici: k k k s

m → numero quantico di spin (rotazione dell’elettrone intorno al proprio asse)

s

Alla rotazione è