Chimica generale

C H O CH O

6 12 6 2

Si H SiH

6 6

La formula di struttura di una molecola è un tipo di formula chimica che indica la natura

degli atomi che compongono una molecola, descrivendone la disposizione spaziale e come

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essi sono legati tra loro.

È il miglior modo di rappresentare, su una superficie piana, la struttura atomica di una

molecola. Ad esempio, la formula di struttura dell'anidride carbonica CO mostra che gli atomi

2

sono disposti linearmente, con l'atomo di carbonio che lega a sé i due atomi di ossigeno:

Nel 1900 Max Planck fece una proposta rivoluzionaria: l’energia, come la materia, non è

continua. La teoria dei quanti di Planck (teoria quantistica) limita l’energia che un sistema può

possedere a dei valori specifici, mentre la fisica classica non poneva limiti alla quantità di

energia che potesse essere posseduta da un sistema. La teoria quantistica sosteneva che la

differenza tra due valori di energia permessi da un sistema avesse un valore ben definito,

detto quanto di energia. Questo significa che quando l’energia aumenta da un valore ad un

altro aumenta a piccoli salti, o quanti.

Il quanto di energia è una quantità minima al di sotto della quale non possono avvenire

scambi.

Il postulato di Planck afferma che l’energia di un quanto della radiazione elettromagnetica è

proporzionale alla frequenza della radiazione ν: maggiore è la frequenza ν, maggiore è

l’energia. Lo si può riassumere attraverso l’equazione di Planck:

E=hv

Il quanto hv rappresenta il minimo “pacchetto” di energia che può essere scambiato. Tutti gli

scambi di energia avvengono secondo multipli interi di hv. La costante di planck h e’ uguale a

j s

-34

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l’effetto fotoelettrico . tale effetto era associato alla capacità da parte di un metallo, di

emettere elettroni quando questo fosse soggetto ad una radiazione elettromagnetica di

opportuna frequenza. l’onda luminosa avrebbe dovuto far oscillare l’elettrone fino a farlo

strappare dall’atomo stesso. Tuttavia l’esperienza mostrava che solo oltre una frequenza di

soglia era possibile l’emissione di elettroni. Nel 1905 Einstein prende il premio Nobel per aver

interpretato l’effetto fotoelettrico sulla base di una teoria corpuscolare della luce. In

particolare Einstein propose che la luce fosse costituita da quanti luminosi (fotoni) privi di

massa e solo quei fotoni che possedevano un energia superiore alla forza con la quale

l’elettrone risultava legato al nucleo potevano essere espulsi dal metallo e generare la

corrente fotoelettrica.

Modello atomico di thomson e rutherford :

secondo thomson l atomo era una sfera uniforme di cariche positive nella quale gli elettroni

risultavano distribuiti.

Rutherford invece in seguito a degli esperimenti giunse alla conclusione che l atomo dovesse

consistere di un nucleo carico positivamente in cui era concentrata tutta la massa e da

elettroni posti esternamente al nucleo , in numero da bilanciare la carica positiva. Quello di

rutherford era un modello planetario .

Modello atomico di bohr :

1)l elettrone descrive delle orbite circolari attorno al nucleo

2)sono permesse solo quelle orbite per le quali il momento angolare dell elettrone ,mvr, è

multiplo intero di h/2π

3)l elettrone non irradia quando si trova in un orbita permessa ( stato fondamentale ). Le

emissioni di radiazioni avvengono soltanto se l elettrone passa da un orbita piu esterna ad

una piu interna permessa e la frequenza della radiazione emessa si puo ricavare tramite tale

relazione

f = ΔE / h

Lo stato fondamentale di un atomo o di una molecola è lo stato a minor energia.

Da un punto di vista elettronico esso corrisponde alla configurazione elettronica che è

possibile scrivere seguendo l'ordine di riempimento degli orbitali dettato dalla regola della

diagonale:

Solo assorbendo energia l'elettrone può saltare su orbite di energia superiore. L'atomo passa

dallo stato fondamentale allo stato eccitato.

Relazione di de broglie λ = h / mv ( dualismo onda particella)

Cio implica che a qualunque particella caratterizzata da una determinata quantita’ di moto

puo essere associata un onda di lughezza ben definita. Maggiore e’ la massa piu piccola sara’

la lunghezza d onda e viceversa. Possiamo dire che per particelle non appartenenti al mondo

microscopico, il comportamento ondulatorio non riveste molta importanza e il moto di tali

particelle puo essere descritto dalle leggi della meccanica classica. Quando invece si vogliono

descrivere le proprieta di particelle piccolissime come l elettrone bisogna tener conto della

loro natura ondulatoria.

Il fisico tedesco W. Heisenberg (1927) enunciò il principio di indeterminazione, secondo

cui non è possibile conoscere contemporaneamente velocità e posizione

dell'elettrone. Quindi tanto maggiore sara’ la precisione con la quale determiniamo la

posizione dell elettrone , tanto minore sara’ la precisione con la quale possiamo conoscere la

sua velocita e viceversa.

E. Schrödinger, formulò un'espressione matematica, detta equazione d'onda di n, l,

Schrödinger che ha come soluzione funzioni d onda caratterizzate da 3 numeri quantici

m, tale funzione d onda e’ detta orbitale .Viene denominato orbitale atomico la regione di

spazio intorno al nucleo dove è massima la probabilità di trovare l'elettrone. Quindi

il modello planetario secondo cui gli elettroni ruotavano attorno al nucleo su orbite definite,

viene sostituito dal modello quantomeccanico . Secondo il principio di esclusione di Pauli in un

atomo non possono coesistere elettroni aventi tutti i numeri quantici uguali. Lo stesso

orbitale puo essere occupato da un solo elettrone ( elettrone spaiato) oppure da 2 elettroni a

spin antiparallelo ( elettroni appaiati ). La regola di hund afferma che quando due o piu

elettroni occupano un insieme di orbitali degeneri cioe che hanno la stessa energia , essi si

dispongono con spin parallelo in modo da occupare il maggior numero di orbitali. Lo spin e’ la

proprietà dell’ elettrone di ruotare su se stesso mentre si muove intorno al nucleo , la

rotazione su se stesso puo avvenire in senso antiorario oppure in senso orario . i due stati di

spin sono specificati da un quarto numero quantico detto numero quantico magnetico di spin

che puo assumere i valori +1/2 e - 1/2.

Il principio di aufbau afferma che gli elettroni in un atomo occupano prima gli orbitali liberi

con energia minore.

Tavola periodica

Gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico crescente e sistemati in 7 file

orizzontali chiamate periodi. Questi sono di lunghezza differente abbiamo il piu piccolo con 2

elementi il piu grande con 32. Gli elementi con proprietà chimiche e fisiche simili si trovano in

colonne verticali dette gruppi. Gli elementi appartenenti allo stesso gruppo sono caratterizzati

dal fatto di avere lo stesso numero di elettroni esterni. Il numero del periodo a cui appartiene

un elemento corrisponde al valore del livello energetico dei sui elettroni piu esterni .

Proprieta’ periodiche degli elementi

Il volume atomico di un elemento puo essere calcolato dividendo il suo peso atomico per la

densita’, tuttavia la densita di un elemento dipende dalla temperatura e dalle sua struttura

cristallina. Ad esempio il carbonio che si presenta con diverse forme cristalline dovrebbe

avere diversi valori delle sue dimensioni. Il volume atomico degli elementi che appartengono

allo stesso gruppo cresce all aumentare del numero atomico.

Il raggio atomico si puo ricavare misurando la distanza tra i nuclei di due atomi uguali nei

solidi o nelle molecole gassose. Il valore del raggio e’ uguale alla metà di questa distanza. Il

raggio aumenta se procediamo dall alto verso il basso lungo un gruppo e diminuisce se ci si

sposta da sinistra a destra lungo un periodo. Il raggio ionico aumenta quando ci si sposta

verso il basso lungo un gruppo poiche gli elettroni si trovano a distanze via via crescenti dal

nucleo. Si definisce energia di ionizzazione , quell energia necessaria per allontanare uno degli

elettroni piu esterni a distanza infinita da un atomo isolato che si trova allo stato gassoso ,

trasformandolo cosi in uno ione positivo. Questa energia aumenta da sinistra a destra lungo il

periodo per poi diminuire bruscamente quando comincia il periodo successivo. Gli elementi

con i piu alti valori di energia di ionizzazione sono i gas nobili , questo indica che hanno una

configurazione molto stabile dalla quale e’ difficile rimuovere un elettrone. Procedendo dall

alto verso il basso lungo un gruppo si osserva una progressiva diminuzione dei valori dell

energia di ionizzazione, cio’ è conseguenza dell aumento del numero quantico principale che

corrisponde ad una maggiore distanza dell elettrone dal nucleo. L affinità elettronica e’

definita come l energia che viene liberata da un atomo neutro isolato allo stato gassoso

quando questo acquista un elettrone in uno degli orbitali esterni vuoto o semivuoto

trasformandosi in uno ione negativo. Lungo un periodo da sinistra a destra l affinita aumenta

mentre lungo un gruppo procedendo dall alto verso il basso diminuisce.

L elettronegativita: tendenza di un atomo ad attrarre verso di se gli elettroni di legame.

Questa cresce se ci si sposta da sinistra verso destra lungo un periodo e dal basso verso l alto

lungo un gruppo . la conoscenza dei valori di elettronegativita permette di prevedere se un

legame sara’ ionico o covalente. Se gli atomi sono uguali, la differenza di elettronegativa e’

zero e il legame sara’ covalente , se la differenza invece e’ superiore a 2 , si avra la

formazione di un composto ionico.

La lunghezza di legame rappresenta la distanza tra i nuclei dei due atomi che si legano. Il

triplo è più corto del doppio e questo è piu corto del singolo, quindi al crescere dell energia di

legame diminuisce la distanza.

Si definisce covalenza di un elemento , il numero di coppie di elettroni che un atomo puo

condividere con altri atomi in un composto.

La geometria molecolare, ovvero il modo in cui gli atomi che costituiscono una molecola si

dispongono nel piano o nello spazio, può essere prevista dalla teoria V.S.E.P.R. ( Valence

Shell Electron Pair Repulsion) cioè: repulsione delle coppie elettroniche dello strato di valenza.

Secondo questa teoria, le coppie elettroniche disposte sull’ultimo livello dell’atomo centrale

tendono a disporsi il più lontano possibile tra loro, per effetto della repulsione, il che dà

origine a una precisa disposizione degli atomi nello spazio, quindi a una precisa geometria

della molecola.

I principi fondamentali della teoria sono i seguenti:

1. Le coppie elettroniche interessate sono sia que