Fondamenti di Chimica - Appunti

Fondamenti di Chimica

Prof: Martino Colonna

Def: Chimica

Scienza che si occupa dello studio e delle proprietà, struttura, composizioni e trasformazioni della materia.

Struttura Atomica della Materia

Tutto ciò che nell'universo occupa spazio ed è dotato di massa.

La materia può essere definita a partire da:

• Estensione
• Struttura - In base alle proprietà si: rispecchiano...
• Composizione
• Trasformazione - Circostanze in cui la materia cambia proprietà.

La materia esiste in tre stati fisici:

• Stato solido - Ha volume e forma propria, non può essere compresso.
• Stato liquido - Ha volume proprio ma forma non propria, non è comprimibile.
• Stato gassoso - Non ha né volume né forma propria, può essere compresso.

Classificazione della Materia

• Matera
• Sistemi fisicamente eterogenei (multi-fase)
• Sistemi fisicamente omogenei (fase singola)
• Sistemi chimicamente eterogenei
• Sistemi chimicamente omogenei
• Composti
• Elementi

Def: Fase

Porzione di materia chimicamente e fisicamente omogenea delimitata da superficie di separazione ben definita.

Def: Composto

Aggiustato di atomi di diverso tipo aventi una composizione fissa. (Proporzionalmente, le proprietà di un composto derivano da:

• Gli elementi che lo compongono
• Il modo in cui gli atomi sono legati

Def: Elemento

Termine utilizzato per classificare tutti quegli atomi, in natura aventi un determinato numero di protoni nel nucleo.

• Un elemento è quindi formato da atomi dello stesso tipo.
• Tutti gli elementi sono classificati nella Tavola Periodica dove li sono classificati con simboli, es.: B il boro.

Le Particelle Fondamentali e Struttura degli Atomi

• Atomo: Dal greco "Atomos", cioè indivisibile, rappresenta l'entità di base a partire dalla quale si studia la materia.

Origini Storiche:

• Democrito
• Epicuro - Atomismo (filosofico) - Essenzialmente piccoli e indivisibili, cose da atomi.
• Lucrezio

Teoria Atomica di Dalton

• Materia costituita da atomi i quali sono indivisibili e indistruttibili.
• Tutti gli atomi di un stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà chimiche.
• Atomi di elementi diversi hanno masse diverse e proprietà chimiche uniche.
• Legge delle proporzioni multiple: gli atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeri interi dando luogo a composti.

Modello Atomico di Thomson

Esperimento: Thomson studiò i raggi catodici e da essi intuì che doveva essere costituito da una nube uniforme carica positivamente.

Modello Atomico di Rutherford (Planetario)

Esperimento: Rutherford prese una lamina sottilissima d’oro e osservò il comportamento delle particelle alfa (nuclei di He, carichi positivamente) quando esse attraversavano la lamina.

Conclusioni:

1. Solo 1 particella su 20.000 veniva deviata (non si poteva parlare quindi di distribuzione uniforme della carica positiva).
2. Attraverso la misurazione della variazione della traiettoria si stimava la massa dei protoni.
3. L'elevata differenza tra la massa totale degli atomi e quella somma di protoni ed elettroni portò all'ipotesi dell'esistenza deI neutroni.

→ Modello atomico planetario:

• Nucleo contenente protoni e neutroni (carica nulla)
• Elettroni che orbitano il nucleo (caricati negativamente)
• Oss: La maggior parte dell'atomo è vuota

Classificazione delle Particelle Fondamentali

Atomo

• v₃ ≈ 10^-8 cm

Elettroni

e^-

Nucleo

• v_nucleo ≈ 10^-12 cm

• Il nucleo è tenuto insieme da forze dovute allo scambio continuo di mesoni (?) fra protoni e neutroni.

Protoni e Neutroni

Sono detti "nucleoni"

p⁺ n

Quark

Simbolo/Massa/Carica

• Elettrone: e^- 9,109 × 10^-28 + 1,602 × 10^-19 C
• Protone: p⁺ 1,693 × 10^-24 - 1,602 × 10^-19 C
• Neutrone: n 1,695 × 10^-24 0

Spiegazione fornita da Einstein

Egli suppose che nell'interazione con la materia le radiazioni elettromagnetiche si comportassero come se fossero costituite da quanti di energia chiamati fotoni.

L'energia trasportata da ciascun fotone era ben definita e risultava direttamente proporzionale alla frequenza dell'onda incidente secondo la formula:

E = hν

h = 6.626 x 10^-34 J s (costante di Planck)

Si deduce, quindi, che:

• All'aumentare dell'intensità dell'onda l'energia del fotone rimane invariata, aumenta il numero di fotoni che raggiungono l'unità di superficie nell'unità di tempo.
• Se l'energia di un singolo quanto non è sufficiente a produrre un effetto, non importa quanti altri fotoni sovrapporremo in quanto non riusciranno compiere il lavoro richiesto.
• Quando il fotone non tocca il quantino dell'atomo, quello non viene espulso.

Emissione del corpo nero

Corpo nero = oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla.

Atraverso il termoagnetismo classico non risultava possibile lo studio dello spettro di emissione di tale corpo nero.

• Lo spettro del corpo nero divergeva altamente ad elevatissime temperature.
• L'irraggiamento del corpo nero non poteva essere spiegato dalla fisica classica, secondo cui all'aumentare della lunghezza d'onda esso sarebbe dovuto tendere a ∞.

Spettro di emissione dell'atomo di idrogeno

Di norma, un qualsiasi sistema tenderebbe a mutare in uno stato di equilibrio caratterizzato dal minimo dell'energia.

Eccitando un atomo fornendogli energia, gli elettroni di questo si spostereanno dalla posizione di equilibrio ad un'altra posizione a minore energia.

Successivamente, ritornando allo stato di equilibrio, liberano la medesima energia sotto forma di luce.

Esperimento: viene eccitato il gas dentro una scarica luminosa come ci si aspettava, si ottiene una continua luminescenza.

Atomo di Bohr

• Bohr utilizza come punto di partenza il modello atomico di Rutherford, identificando scappatoie che portano conto magia.
• Quantizzazione del raggio degli orbite e dei livelli energetici.
• Emissione ed assorbimento di energia.
• Quaternità che garantisce allo stesso che gli elettroni non collassino sul nucleo.

Da: stato fondamentale = stato di equilibrio dell'elettrone che è sempre quello a più bassa energia.

Rappresentazione Grafica Degli Orbitali Dell'Idrogeno

1. Orbitali di tipo s
2. Orbitali di tipo p
3. Orbitali di tipo d

• Struttura degli Atomi Polielettronici

  • L'equazione di Schrödinger viene risolta in modo esatto solamente per l'atomo di idrogeno o atomi ad esso simili (Li⁺, Be³⁺, He⁺); la risoluzione dell'eq. d. S. diviene incredibilmente laboriosa.
  • Gli orbitali negli atomi polielettronici risultano sempre definiti dai numeri quantici n, l, e m_l.
  • Le interazioni fra i diversi elettroni tuttavia comportano che l'energia dei diversi orbitali non dipenda più unicamente da n ma anche da l.
  • Inoltre i livelli energetici degli atomi polielettronici dipendono talvolta anche da Z, cioè dal numero atomico.

  Spin dell'Elettrone

  • Fin dalla teorizzazione dei modelli atomici di Bohr si era immaginato che gli elettroni non possedessero solo un moto di rivoluzione attorno al nucleo, ma anche un secondo moto di rotazione attorno al proprio asse.
  • Ad ogni elettrone viene quindi associato un momento intrinseco della quantità di moto anche noto come momento di spin. Anche il valore del momento di spin risulta quantizzato e segue la relazione:

    s_z = m_s × h/2π   dove   m_s = ± 1/2

    Numero quantico di spin
  • Riassumendo: lo stato di un elettrone è completamente determinato da quattro numeri quantici:

    n   l   m_l   m_s

    Individuano l'orbita d. rivoluzione attorno nucleo Ci dà ind. nota del momento di spin

  Principio di Esclusione di Pauli

  "In un atomo non è possibile siano due elettroni caratterizzati esattamente dallo stesso valore di tutti i numeri quantici."

  Osservazione

  • Quando gli spin sono opposti si dicono "spin antiparalleli"
  • Quando gli spin sono concordi si dicono "spin paralleli"