Chimica generale

Lezione 1. 28-09-21

martedì 28 settembre 2021 09:08

CHIMICA: la chimica studia la materia ovvero la sua composizione, le proprietà, le

trasformazioni. La materia è composta da ATOMI che a loro volta sono formate da

particelle subatomiche cioè protoni neutroni ed elettroni, le proprietà dipendono dal

tipo di atomo della materia, le proprietà dipendono anche dal modo in cui gli atomi

sono legati tra di loro, quindi dai legami. Ci sono sostanze che anche se sono formate

dallo stesso tipo di atomi e dallo stesso numero di atomi sono una sostanza diversa,

quindi il tipo di legame è fondamentale.

La materia può esistere in 3 stati di aggregazione: gassoso, liquido e solido, dipendono

da temperatura e pressione, le sostanze allo stato solido sono quelle che hanno una

forma propria e un volume proprio ben definiti, sono incompressibili cioè il volume non

varia al variare della pressione, i liquidi non hanno una forma propria ma hanno un

volume proprio e sono anch'essi incompressibili, i gas sono sostanze che non hanno una

forma propria né un volume proprio, sono altamente compressibili.

PROPRIETA' FISICHE sono intrinseche della sostanza, la sostanza le possiede in quanto

tale, es il colore l'odore sapore temperatura di fusione ecc.

PROPRIETA' CHIMICHE sono proprietà che la sostanza manifesta quando viene messa a

contatto con altro, reattività con i metalli, reattività con gli acidi, infiammabilità ecc.

TRASFORMAZIONI SPONTANEE o PROVOCATE DALL'UOMO cioè le reazioni chimiche da

laboratorio

TRASFORMAZIONI FISICHE modificano lo stato di aggregazione della sostanza, ma la

sostanza non cambia es. acqua allo stato solido che passa allo stato liquido. Sono

processi reversibili, avvengono in una variazione della temperatura

TARSFORMAZIONE CHIMICHE parto da una sostanza e arrivo ad un'altra

sostanza, es. l'acqua di decompone in idrogeno gassoso e ossigeno gassoso.

Molte trasformazioni chimiche avvengono con la temperatura, ma

solitamente non sono reversibili.

Tutte le trasformazioni sono accompagnate da una variazione del

contenuto di energia del sistema.

ENERGIA capacità di compiere lavoro.

LAVORO capacità di mettere in movimento un oggetto.

Chimica Pagina 1

L'obiettivo è il minimo contenuto di energia, più basso è il contenuto di energia, tanto

più il sistema è stabile.

MATERIA: costituita da

MISCUGLI sono dei sistemi che possono essere di tipo

• eterogenei (miscele) es. sabbia e limatura di ferro che sono ancora distinguibili e

posso separarli senza subire alterazioni.

• omogenei (soluzioni) i componenti uniti non riesco ad identificarli separatamente

es. acqua e sale, però ho dei limiti cioè la saturazione, se metto troppo sale

questo non si scoglie e diventa un miscuglio eterogeneo.

SOSTANZE PURE: costituiti da

• ELEMENTI sono sostanze pure che non possono essere scomposte in sostanze più

semplici, attualmente sono 118 elementi conosciuti

• COMPOSTI sostanze pure che possono essere scomposte in sostanze più semplici

es. acqua.

ELEMENTI:

• Singoli atomi (gas nobili, He, Ne ecc.) hanno una configurazione elettronica per cui

non hanno alcun interesse a legarsi, sono alla massima stabilità già da soli

• Molecole biatomiche (H2, O2, N2, Cl2 ecc. ) sono molecole fatte da due atomi nel

loro stato elementare

• Aggregati di atomi tenuti insieme da legami di tipo metallico (Na, K, Ca, Mg ecc.)

• Aggregati di atomi tenuti insieme da legami di tipo covalente: Carbonio che esiste

tramite dei legami (es grafite e diamante)

Elementi sono di 3 tipi : METALLI(duttili, malleabili, buoni conduttori di calore e di

elettricità, solidi a temperatura ambiente tranne il mercurio), NON METALLI(non sono

duttili, non sono malleabili, sono cattivi conduttori di calore e di elettricità, il bromo è

liquido gli altri sono solidi e gassosi), SEMIMETALLI (sono una via di mezzo).

COMPOSTI li rappresentiamo tramite formule chimiche e sono:

• Molecolari (H2O, NH3, CH4 ecc.) aggregato di due o più atomi, stabilisco il

numero di elementi solo guardando la formula, es. H2O ha 2 molecole di idrogeno

e 1 di ossigeno

• Ionici (NaCl, CaCl2 ecc.) aggregati di ioni, ad es. cloruro di sodio che è formato in

rapporto 1:1, Cloruro di calcio fatto da calcio e cloro con rapporto 1:2

• Polimerici sono molecole grandissime caratterizzate da aggregato di atomi (unità

di ripetitiva) che viene ripetuta a formale una catena lunga (PVC polivinilcloruro)

Gli atomi sono neutri.

Ioni sono atomi che hanno acquistato o perso un elettrone, ad es. catione Na+ ha perso

elettrone (ione sodio) , se l'atomo acquista un elettrone diventa uno ione negativo

detto anione Cl- ha acquistato un elettrone (ione cloruro).

Chimica Pagina 2

LEGGE DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA (LAVOISIER)

Ci dice che in una qualunque reazione chimica la massa totale dei prodotti deve essere

uguale alla massa totale dei reagenti.

Legge esatta ma non rigorosa perché la variazione di massa è piccolissima ma non è uguale a 0, quindi

non è rigorosa perché abbiamo una variazione di massa infinitesima.

LEGGE DI COMPOSIZIONE COSTANTE

Ci dice che qualunque sostanza considerata, in qualunque modo ottenuta, ha sempre la

stessa composizione. La massa dell'atomo di calcio è 1,25 più

pesante dell'atomo di zolfo.

Chimica Pagina 3

La massa dell'atomo di calcio è 1,25 più

pesante dell'atomo di zolfo.

PESO ATOMICO ogni atomo è caratterizzato dal suo peso atomico

È il numero che mi dice quante volte il mio atomo pesa di più rispetto all'atomo di riferimento, non è

quindi un valore assoluto, ma relativo.

Il riferimento è l'isotopo 12 del carbonio

MOLE è la quantità in grammi di sostanza pari a PA (se atomo) PM (se molecola)

Mole = quantità di atomi o molecole pari a

SPETTROMETRO DI MASSA strumento che determina il peso assoluto degli atomi, ovvero il loro peso

Chimica Pagina 4

SPETTROMETRO DI MASSA strumento che determina il peso assoluto degli atomi, ovvero il loro peso

effettivo. Il primo atomo misurato fu l'idrogeno che pesava

PARTICELLE SUBATOMICHE:

• Protoni

• Neutroni, particelle instabili se isolate che si dissocia in p+ ed e-

• Elettroni

Big bang t=0

Dopo t=10^-6 sec compaiono i quark con una temperatura T=10^10 K

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ISOTOPI atomi dello stesso elemento che hanno stesso numero atomico ma diverso numero di massa,

differiscono per il numero di neutroni. (hanno le stesse proprietà chimiche)

Chimica Pagina 6

Chimica Pagina 7

Lezione 2. 29-09-21

martedì 28 settembre 2021 12:25

ISOTOPI IDROGENO: atomi dello stesso elemento chimico che

differiscono per il numero di neutroni (numero di massa).

SPETTROMETRO DI MASSA: strumento che produce ioni (allo stato

gassoso) e li separa in fase gassosa in base al loro rapporto

massa/carica (m/z)

Composto da compartimenti sotto vuoto, ad esempio partiamo da un

campione di idrogeno si introduce il campione e da un filo metallico

incandescente si ha l'emissione di elettroni (fascio di elettroni), il

fascio di elettroni colpisce il mio campione, gli atomi diventano ioni

(ioni positivi per quanto riguarda l’idrogeno), passano attraverso una

fenditura in modo da creare un fascio di ioni, subiscono un

accelerazione (perché viene posto un campo elettrico), il fascio di ioni

viene sottoposto all'azione di un campo magnetico, fa un tratto

curvilineo e in base alla massa gli ioni curvano diversamente, rilevo i

tre isotopi (che appunto hanno massa diversa) gli ioni raggiungono il

rivelatore e mi danno un picco, nel caso dell'idrogeno avrò 3 picchi

relativi ai 3 isotopi, il picco è proporzionale alla massa (più alta la

massa più alto è il picco).

Le prime particelle subatomiche scoperte sono gli elettroni, da

Thomson, vede che i raggi catodici sono dotati di particelle di carica

negativa.

MODELLO ATOMICO DI THOMSON (modello a panettone)

Chimica Pagina 8

MODELLO ATOMICO DI THOMSON (modello a panettone)

Ipotizza che l'atomo sia una sfera caricata positivamente in cui sono

distribuite le particelle negative cioè gli elettroni.

MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD (modello planetario)

Fece un esperimento ovvero viene presa una lamina di oro sottilissima

che viene sottoposta a bombardamento con particelle dotate di

cariche elettrica positiva (particelle alpha, cioè nuclei di elio), succede

che la maggior parte delle particelle attraversano la lamina come se

attraversassero il vuoto (non incontrano ostacoli), alcune particelle

subiscono una deviazione della traiettoria, una piccolina quantità

invece rimbalza indietro, la conclusione è che l'atomo è una struttura

vuota, la massa è concentrata in un piccolo volume al centro caricato

positivamente ovvero il NUCLEO, gli elettroni ruotano intorno al

nucleo nella periferia dell'atomo.

Questo modello viene però criticato perché gli elettroni ruotando

dovrebbero irraggiare (emettere energia) e ricadere sul nucleo.

MODELLO ATOMICO DI BOHR

Prende a riferimento l'atomo di idrogeno (1 solo elettrone)

1° POSTULATO DI BOHR:

Parte dal modello planetario, dice che fra tutti i possibili stati in cui

l'elettrone si può trovare, ne esistono alcuni definiti STATI STAZIONARI

in corrispondenza dei quali l'elettrone può ruotare mantenendo la sua

energia costante (mantiene l'atomo stabile).

2° POSTULATO DI BOHR:

Riguarda la quantizzazione (quantizzare una grandezza significa

imporre specifici valori a questa grandezza) di:

• Momento angolare: il momento angolare è quantizzato a

determinati valori dipendenti da n.

Chimica Pagina 9

• Raggio dell'orbita: il raggio è quantizzato cioè non può assumere

qualsiasi valore, ma solo dei valori ben definiti.

• Energia: l'energia è quantizzata cioè ha determinati valori dipendenti sa n.

3° POSTULATO DI BOHR:

L'atomo e quindi l'elettrone ha la possibilità di assorbire ed emettere energia sottoforma di

radiazione solo se il contenuto di energia della radiazione incidente (energia che fornisco

sottoforma di radiazione) è tale da consentire all'elettrone di saltare dallo stato stazionario allo

stato di energia superiore, poiché in questo stato è instabile l'elettrone ritorna nello stato

stazionario e restituisce l'energia sottoforma di radiazione con frequenza

Chimica Pagina 10

radiazione solo se il contenuto di energia della radiazione incidente (energia che fornisco

sottoforma di radiazione) è tale da consentire all'elettrone di saltare dallo stato stazionario allo

stato di energia superiore, poiché in questo stato è instabile l'elettrone ritorna nello stato

stazionario e restituisce l'energia sottoforma di radiazione con frequenza

(questo perché l'energia è quantizzata)

Conoscendo i valori di n1 e n2 possiamo ricavare la frequenza della radiazione emessa per

effetto di radiazione.

Però per altri atomi, atomi più complessi, sorgono dei problemi..

Studiando gli spettri di emissione si osserva che questo modello per atomi più complessi non va

bene.

Ricapitolando: Chimica Pagina 11

SPETTROSCOPIO: le radiazioni colpiscono una lastra fotografica e si formano delle righe (spettro a

righe) Chimica Pagina 12

Lezione 3. 05-10-21

martedì 5 ottobre 2021 09:21

SPETTRI DI EMISSIONE (serie di righe) spettri a righe

RAGGRUPPAMENTI DI RIGHE sono i MULTIPLETTI

SOMMERFELD introduce il concetto di ORBITA ELLITTICA, ovvero a differenza di Bohr dice che gli elettroni orbitano su

orbite ellittiche

Introduce il secondo numero quantico L che definisce principalmente la forma dell'orbita, ma in misura minore definisce

anche l'energia Per il livello energetico caratterizzato da n =1 abbiamo un'unica

orbita Per n=2 corrispondono due valori di l, quindi abbiamo

due orbite che hanno forme diverse e contenuti di

energia leggermente diversi

Qui abbiamo 3 orbite(con Bohr avevano un'unica

orbita). Quindi mentre con Bohr l'elettrone poteva

passare da un livello 1 a un livello 3, ora l'elettrone

ha la possibilità di andare su 3 orbite diverse,

quando l'elettrone rientra nello stato fondamentale

restituendo così energia avremo 3 radiazioni che

hanno contenuti di energia diversi ma molto simili,

quindi formeranno 3 righe molto vicine tra loro

ovvero il MULTIPLETTO.

Ci sono anche degli SDOPPIAMENTI DI RIGHE: quando l'atomo sottoposto ad eccitazione e ad un campo

magnetico esterno, si osservano nello spettro di emissione degli sdoppiamenti di righe. L'elettrone

durante la sua rotazione intorno al nucleo genera lui stesso un campo magnetico, quindi per tenere

conto di questo campo magnetico si introduce un altro numero quantico:

Abbiamo in totale 4 orbite.

Si osservano delle righe che hanno uno spessore maggiore rispetto alle altre che sono la combinazione

di due righe diverse(molto vicine), quindi si comincia a parlare della possibilità dell'elettrone di esistere

in due diversi stati, cioè l'elettrone ruotando intorno al nucleo ruota anche intorno al proprio asse (in

senso orario o antiorario), si introduce un altro numero quantico:

Chimica Pagina 13

senso orario o antiorario), si introduce un altro numero quantico:

Ms =n° quantico di spin che indica il senso di rotazione dell'elettrone intorno al proprio asse.

Può assumere solo questi due valori.

Due elettroni che differiscono unicamente per il numero quantico di spin (per il segno dello spin) sono

due elettroni con spin antiparallelo.

Abbiamo ottenuto così 4 NUMERI QUANTICI: n caratterizza l'energia, l la forma e in parte l'energia, m

l'orientamento e ms il senso di rotazione dell'elettrone intorno al proprio asse.

La teoria di BOHR entra in crisi poiché va in contrapposizione con il:

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG:

Afferma che data una particella di massa m che si muove con velocità v non è possibile determinare con

esattezza, nello stesso momento, la posizione e la quantità di moto.

Minore è l'incertezza sulla posizione, maggiore sarà l'incertezza sulla quantità di moto e viceversa

(questo va in contrasto con quanto detto da Bohr poiché lui dice che l'elettrone è una particella di massa

m che si muove con velocità v su un'orbita ben definita e quindi istante per istante conosco la posizione)

Si sviluppa così una nuova teoria chiamata:

TEORIA ONDULATORIA (meccanica ondulatoria)

De Broglie: dice che per le radiazione elettromagnetiche era stato dimostrata una duplice natura:

• natura ondulatoria (Ovvero la radiazione può essere descritta come un'onda che si propaga, con

una certa lunghezza d'onda, frequenza ampiezza)

• natura corpuscolare (la radiazione può essere vista come un'insieme di pacchetti di energia ovvero

fotoni)

Quindi De Broglie dice che se questo vale per la luce allora vale anche per la materia :

• Natura ondulatoria (particella di massa m che si muove con una velocità v, possiamo associargli

un'onda con lunghezza d'onda )

• Natura corpuscolare

L'elettrone non più visto come particella ma come carica elettrica negativa delocalizzata su un'onda

detta ONDA DI PROBABILITA' (def. facendo il quadrato dell'ampiezza dell'onda in ogni punto ho un

valore che è direttamente proporzionale al valore della probabilità di trovare l'elettrone in quel punto)

La teoria ondulatoria ci dice quindi che non vedo più l'atomo come un nucleo e particelle che ruotano,

ma come uno spazio intorno al nucleo con elevata densità di carica elettrica negativa (carica dovuta agli

elettroni).

La formazione dei legami (chimici) si basa sulla sovrapposizione di zone ad elevata densità di carica

elettrica negativa.

Riuscire ad identificare queste zone è importante.

Conoscere queste zone è possibile con la risoluzione di un equazione chiamata:

EQUAZIONE DI SCHROEDINGER

Descrive il comportamento dell'elettrone visto come onda e risolvendo l'equazione si identificano le

zone ad elevata densità di carica elettrica negativa (dovuta agli elettroni)

Parte dalle ipotesi di De Broglie, ovvero parte dallo studio della natura ondulatoria dell'elettrone allora

esso deve soddisfare un'equazione di propagazione. (l'equazione è così complessa che è stato possibile

risolverla solo per l'idrogeno).

Le soluzioni dell'equazione sono funzioni matematiche chiamate funzioni d'onda o orbitali

Ognuna di queste funzioni matematiche identifica uno stato elettronico.

Indica qual è la probabilità di trovare l'elettrone in ciascun punto dello spazio di coordinate x,y,z intorno

al nucleo.

È caratterizzata da 3 parametri: Chimica Pagina 14

al nucleo.

È caratterizzata da 3 parametri:

ORBITALI DI TIPO S: sono a simmetria sferica Cioè il valore dell'orbita dipende esclusivamente dal

raggio, cioè dalla distanza dal nucleo, quindi per tutti i

punti che si trovano alla stessa distanza dal nucleo, il

valore della funzione è lo stesso.

Se ho una superficie sferica di raggio=inf questa mi racchiude la zona dello spazio intorno al nucleo

all'interno della quale ho 100% della probabilità di trovare l'elettrone, ma questo implicherebbe che

l'atomo abbia dimensione infinita e così non è.

Però troviamo una zona dove abbiamo il 99,98% di probabilità di trovare l'elettrone, questa zona è detta

SUPERFICIE LIMITE DELL'ORBITALE. Tutti gli orbitali di tipo s hanno una superficie limite che è

sferica.

Simmetria sferica: significa che il v