Chimica generale

Chimica

Faraday e la sua intuizione sulla natura elettrica degli atomi

Lo studio sulla natura elettrica degli atomi fu portato avanti nel 1833 da Faraday mediante i suoi esperimenti sull’elettrolisi. Le sue scoperte possono essere riassunti in due enunciati:

• una stessa quantità di elettricità deposita ad un elettrodo una massa costante di una data sostanza
• le masse di diverse sostanze depositate, sviluppate come gas o portate in soluzione ad un elettrodo da una data quantità di elettricità, è proporzionale alla massa molare equivalente delle sostanze

Le conseguenze degli esperimenti di Faraday vennero evidenziate da Stoney che per primo parlò di elettroni.

Elettrone, protone e neutrone

L’atomo è formato da: elettroni, protoni e neutroni. I principali esperimenti sul carattere degli elettroni vennero effettuati in tubi di vetro riempiti di gas rarefatti, all’interno dei quali veniva fatta avvenire una scarica elettrica tra i due elettrodi, si generavano dunque i raggi catodici, che uscivano dal catodo (polo negativo) per entrare nell’anodo (polo positivo).

Thomson dimostrò che i raggi erano carichi negativamente ed indipendenti dalla natura del gas contenuto nel tubo.

A queste entità venne dato il nome di elettroni.

Sottoponendo i raggi catodici ad un campo magnetico, il fascio subisce una deflessione per la forza Hev che agisce sull’elettrone e deve essere pari alla forza centrifuga mv²/r dunque:

Hev = mv²/r

Per determinare la velocità v, si applica un campo elettrico e la forza del campo elettrico che agisce sull’elettrone è: EeE: intensità del campo elettrico

Hev = Ee

v = E/H dunque e/m = E/ H₂

Thomson si rese conto del rapporto carica/massa e ne potè calcolare il valore numerico pari a -1,76*10¹¹ (Coulomb/kg).

L'esperimento di Millikan

Nel 1911 Millikan determinò la carica dell’elettrone.

In un contenitore in condizioni di estrema rarefazione separato da due piastre metalliche, da destra è immesso un flusso di raggi x che ionizzano il gas strappando elettroni. Gli elettroni sono catturati da goccioline di olio che immesse dall’alto vengono trascinate verso il basso dalla forza peso F_p=m*g. Caricando positivamente la lastra superiore è possibile equilibrare la particella di olio in modo tale che la forza elettrica F_E=E*q sia pari alla forza peso. Attraverso l’uguaglianza è possibile risalire alla carica q.

Osservando la caduta di molte gocce, Millikan ricavò una serie di valori della carica multipli di -1,6*10^-19C, dunque suppose che doveva trattarsi della carica elementare di una particella costante, l’elettrone.

Essendo noto il valore del rapporto carica/massa, fu possibile stabilire anche la massa pari a 9*10^-31 kg.

Thomson aveva dimostrato mediante i suoi esperimenti che un atomo conteneva particelle ancora più piccole, caratterizzate da una carica negativa. Poiché gli atomi risultano essere elettricamente neutri era evidente che avrebbero dovuto contenere anche delle particelle positive, vennero così scoperti i protoni.

Il protone aveva in valore assoluto la stessa carica elettrica dell’elettrone ed una massa pari a 1,67*10^-27 kg.

Nel 1932 Chadwick scoprì il neutrone, una particella non carica e con massa simile a quella del protone.

Modelli atomici

Thomson

Thomson costruì il primo modello atomico secondo il quale l’atomo era una sfera dove protoni ed elettroni erano uniformemente distribuiti da neutralizzare la carica, tale modello veniva definito “a panettone”.

Il modello di Thomson non spiegava il comportamento chimico degli atomi, la loro capacità di reagire, la tendenza a trasformarsi in ioni.

Formulazione matematica

Δx*Δp=h/2π → Δp=mv

Tanto maggiore sarà la precisione con la quale determiniamo la posizione dell'elettrone, minore sarà la precisione con la quale determiniamo la velocità della particella.

A livello macroscopico l'indeterminazione è trascurabile.

Le equazioni basilari della meccanica quantistica furono elaborate tra il 1925 e il 1926 separatamente da Heisemberg e Schrodinger.

Il primo scrisse equazioni basate sull'algebra delle matrici, il secondo su equazioni differenziali di secondo grado ed entrambi arrivarono allo stesso risultato:

Hψ_i=E_iψ_i

dove H è l’operatore Hamiltoniano, ψ_i è la funzione d’onda ed E_i è l’energia associata all’onda.

In questa equazione le energie permesse E₁,E₂,E₃.... Si ottengono quando l’operatore Hamiltoniano opera sulle funzioni d’onda permesse ψ₁,ψ₂,ψ₃…

La funzione d’onda ψ_i² rappresenta quella regione dello spazio attorno al nucleo in cui è massima la probabilità di trovare un elettrone, questa regione prende il nome di orbitale.

La meccanica quantistica si limita a calcolare la probabilità che l’elettrone possa trovarsi in un punto o in altro dello spazio circostante il nucleo, questa probabilità può essere maggiore in un punto e minore in un altro (densità elettronica)

Gli orbitali possono essere: s,p,d,f,g…

Numeri quantici

n: numero quantico principale, ci dà informazioni sul volume dell’orbitale e sul suo contenuto energetico, può assumere tutti i valori positivi interi escluso lo zero.

l: numero quantico secondario o del momento angolare, ci dà informazioni sulla velocità e assume tutti i valori che vanno da 0 ad n-1.

m: numero quantico magnetico, ci dà informazioni sui possibili orientamenti che una determinata forma di orbitale assume nello spazio e assume tutti i valori da –l a +l con zero compreso.

m_s: numero quantico di Spin, ci dà informazioni sul senso di rotazione dell’elettrone e assume i valori di +1/2 e -1/2.

LEGAME IONICO

Si stabilisce un legame di tipo ionico tra due elementi nel momento in cui avviene il completo trasferimento di elettroni dall’una all’altra specie e i due elementi interagenti assumono una forma ionica, tra gli ioni che si sono così formati interviene una forza elettrostatica che rende stabile la struttura.

Il legame ionico si realizza solo quando la differenza di elettronegatività tra gli elementi è molto elevata, in altri termini quando l’energia di ionizzazione della specie che cede l’elettrone è bassa e l’affinità elettronica dell’elemento che acquista l’elettrone è abbastanza elevata. Il numero di elettroni che un atomo cede o acquisisce nella formazione di un composto prende il nome di valenza ionica o elettrovalenza.

Ad esempio l’ atomo di sodio cede l’ unico elettrone del livello più esterno trasformandosi in ione Na⁺ che ha la stessa configurazione elettronica del neon, mentre il cloro possedendo sette elettroni di valenza elettroni di valenza(elettroni coinvolti nel legame chimico), acquista l’ elettrone ceduto dal sodio e si trasforma nello ion Cl^- che ha la stessa configurazione dell’ argon.

In questo caso bisogna tener conto dell’ energia di sublimazione del sodio e dell’ energia di dissociazione del cloro e dell’ energia reticolare(energia rilasciata in seguito alla formazione di un solido ionico a partire dai suoi ioni isolati allo stato gassoso).

LEGAME COVALENTE

Si stabilisce un legame covalente tra due elementi quando avviene la messa in comune di una o più coppie di elettroni.

Nelle molecole omoatomiche come H₂, Cl₂, O₂, la differenza di elettronegatività è uguale a 0 , si parla di legame covalente puro o omopolare. Nelle molecole eteroatomiche, i due atomi diversi, attraggono a sé in misura differente gli elettroni di legame.

Si considera dunque un legame covalente polare, un legame tra due atomi la cui differenza di elettronegatività sia compresa tra 0 e 1.9. La molecola risultante è polare o costituisce un dipolo. Inoltre quando i due atomi condividono una coppia di elettroni si parla di legame singolo , quando le coppie sono due si tratta di legame doppio, nel caso fossero tre si parlerà di legame triplo.

I doppietti elettronici o anche le coppie elettroniche sono dette coppie di legame, le altre coppie solitarie.

La conoscenza dell’ elettronegatività permette di conoscere se un legame sarà ionico o covalente :se la differenza di elettronegatività è maggiore di due il legame sarà ionico, altrimenti covalente.