Chimica generale e inorganica

I PRINCIPI DELLA REATTIVITÀ

L’energia è definita come la capacità di compiere lavoro. L’energia cinetica è associata al moto:

energia termica, moto a livello particellare; energia meccanica, moto a livello macroscopico;

energia elettrica, moto degli elettroni in un conduttore e energia acustica. Mentre l’energia

potenziale deriva dalla posizione dell’oggetto: energia gravitazionale, energia chimica e energia

elettrostatica. Legge della conservazione dell’energia: L’energia non può essere né creata né

distrutta. L’energia totale dell’universo è costante.

Temperatura e calore

La temperatura di un oggetto è una misura della sua capacità di trasferire energia in forma di calore,

misurata attraverso un termometro, maggiore è la temperatura di un dato oggetto, maggiore è

l’energia termica. In termodinamica, un sistema è un oggetto, o un insieme di oggetti, che vengono

studiati; mentre, l’ambiente, è tutto ciò che è esterno al sistema e che può scambiare energia e/o

materia con il sistema. Un sistema isolato è un sistema che non può trasferire né energia né calore

con l’ambiente, è esotermico se l’energia viene trasferita dal sistema al suo ambiente mentre è

endotermico se l’energia viene trasferita dall’ambiente al sistema. La capacità termica specifica (C)

è l’energia trasferita in forma di calore necessaria per innalzare di 1 kelvin la temperatura di un

grammo di sostanza, la cui unità di misura è J/g x K. Se l’energia viene trasferita al sistema, cioè il

processo è endotermico, allora il segno sarà positivo; in caso contrario, in un sistema esotermico, in

cui l’energia viene trasferita dal sistema il segno sarà negativo. Un cambiamento di stato è il

passaggio da uno stato (solido, liquido o gas) a un altro. La quantità di energia trasferita in forma di

calore, necessaria per convertire una sostanza da solida a liquida è chiamata calore di fusione. La

termodinamica è la scienza del calore e del lavoro, lavoro che si compie ogni volta che un oggetto

viene mosso contro una forza contraria. L’equazione: ΔU = q + w rappresenta l’espressione

matematica della prima legge della termodinamica, la variazione di energia di un sistema (ΔU) è la

somma dell’energia trasferita sotto forma si calore tra il sistema e l’ambiente (q) e dell’energia

trasferita come lavoro tra il sistema e l’ambiente (w). L’entalpia, H, è definita come H = U + PV.Le

reazioni chimiche sono accompagnate da variazioni dell’entalpia, i chimici-fisici, usano l’entalpia

di reazione standard, ΔrH° per le reazioni. Lo stato standard di un elemento o un composto è

definito come la forma più stabile della sostanza nello stato fisico che esiste alla pressione di 1 bar e

a una data temperatura (25° C o 298 K). Le entalpie standard di reazione possono essere usate per

calcolare la quantità di energia trasferita in forma di calore e in condizioni di pressione costante da

una data quantità di reagente o prodotto. La seconda legge della termodinamica enuncia che in un

processo spontaneo, l’entropia (dispersione dell’energia) dell’universo aumenta. L’entropia è una

grandezza che viene interpretata come una misura del caos di un sistema fisico o più in generale

dell'universo e quantifica la dispersione di energia che, in un processo spontaneo, va in direzione

della massima dispersione. L'entropia caratterizza il verso di qualunque trasformazione reale come

trasformazione irreversibile. Il punto di riferimento per i valori dell’entropia è la terza legge della

termodinamica, descritta da Boltzmann, che afferma che a 0 K un cristallo perfetto ha entropia zero,

quindi S = 0. L’energia libera di Gibbs è definita come G=H-TS, se ΔH è negativo e ΔS è positivo,

ΔG è sempre < 0 quindi la reazione è sempre spontanea a tutte le temperature; se ΔH è positivo e ΔS

è negativo, ΔG è sempre > 0 quindi la reazione non è mai spontanea a nessuna temperatura; se ΔH è

negativo e ΔS è negativo, ΔG dipende da T e quindi la reazione è generalmente spontanea a basse

temperature e se ΔH è positivo e ΔS è positivo, ΔG dipende da T e la reazione è generalmente

spontanea ad alte temperature. L’energia sviluppata o assorbita sotto forma di calore in un processo

chimico o fisico è misurata con una tecnica sperimentale chiamata calorimetria, attraverso il

calorimetro. La valutazione del trasferimento di energia in forma di calore nel sistema mostra che

qreazione + qsistema + qambiente = 0. Per molte reazioni chimiche, non è possibile misurare il

calore di reazione con un calorimetro, la variazione di entalpia nella reazione può essere calcolata

indirettamente grazie alla legge di Hess che stabilisce che se una reazione è la somma di due o più

reazioni.

LA STRUTTURA DEGLI ATOMI

Maxwell sviluppò una teoria matematica per descrivere qualsiasi tipo di radiazione in termini di

campi elettrici e magnetici oscillanti nello spazio, dette radiazioni elettromagnetiche. La lunghezza

d’onda, indicata con λ, è la distanza tra due creste successive. La frequenza, indicata con ν,

corrisponde al numero di onde complete che passano in un certo punto in un determinato intervallo

di tempo. Per l’intensità e la lunghezza d’onda della radiazione emessa da un corpo incandescente

esistevano teorie che prevedevano che l’intensità della radiazione aumentasse progressivamente al

diminuire della lunghezza d’onda, previsione che falliva nella regione ultravioletta (catastrofe

ultravioletta). Planck ipotizzò che fossero gli atomi (detti oscillatori), inoltre propose che l’energia

fosse quantizzata, cioè sono permesse solo certe vibrazioni con specifiche frequenze. Se un

oscillatore passa da un’energia alta ad una più bassa, si ha l’emissione di una radiazione

elettromagnetica. In un corpo alcuni atomi vibrano a frequenza maggiore (responsabili di una parte

della luce), altri a frequenza minore (responsabili di una parte della luce), ma la maggior parte vibra

a frequenza intermedia (responsabile della maggior parte della luce) in questo modo uno spettro di

luce è emesso con massimo d’intensità ad una certa lunghezza d’onda (come verificato

sperimentalmente), risolvendo così la catastrofe ultravioletta. Albert Einstein spiegò l’effetto

fotoelettrico dicendo che gli elettroni sono emessi quando la luce colpisce la superficie di un

metallo, ma solo se la frequenza della luce è sufficientemente elevata, così da avere un aumento di

elettroni emessi all’aumentare dell’intensità della luce. La luce ha proprietà corpuscolari, queste

“particelle”, dette fotoni, sono prive di massa ma sono pacchetti di energia. L’energia di ogni fotone

è proporzionale alla frequenza della radiazione. Se gli atomi di un elemento, in fase gassosa e a

bassa pressione sono sottoposti ad un intenso campo elettrico, assorbono energia e si dice che sono

“eccitati”, possono emettere luce visibile. La luce emessa da un oggetto molto caldo, consiste di uno

spettro di radiazioni continuo, mentre, la luce emessa da atomi eccitati è caratterizzata dalla

presenza di poche e specifiche lunghezze d’onda. Bohr propose una struttura di tipo “planetaria” per

l’atomo di idrogeno nella quale l’elettrone si muove in un’orbita circolare attorno al nucleo. Bohr

ipotizzò che u elettrone può percorrere solo certe orbite, o livelli energetici, in cui è stabile. Se un

elettrone si sposta da un livello energetico ad un altro allora una certa quantità di energia deve

essere emessa o assorbita, somministrata agli atomi con una scarica elettrica o mediante

riscaldamento, Dopo l’assorbimento di energia, questi elettroni possono tornare ad un livello

energetico più basso rilasciando energia, come fotoni di radiazioni elettromagnetiche. Per

l’idrogeno, la serie di righe che hanno energia nella regione dell’ultravioletto è la serie di Lyman, la

serie di righe che hanno energia nella regione del visibile, detta serie di Balmer. de Broglie propose

che a un elettrone di massa m, che si muove alla velocità v, fosse associata un’onda di lunghezza

d’onda data dall’equazione: λ = h/mv. Davisson e Germer osservarono che la relazione di de

Broglie era rispettata quantitativamente. La diffrazione è un fenomeno che viene spiegato in base

alle caratteristiche ondulatorie della radiazione ne consegue che in certe occasioni gli elettroni

possono essere descritti come onde. Heisenberg dimostrò che per un oggetto estremamente piccolo

quale l’elettrone, è impossibile determinare con accuratezza allo stesso tempo sia l’energia che la

posizione (principio di indeterminazione). Schrӧdinger sviluppò un modello atomico in modo

comprensibile il comportamento degli atomi, detto quanto-meccanica o meccanica ondulatoria, il

modello si basa su una serie di equazioni dette funzioni d’onda. Per descrivere il comportamento

dell’elettrone nell’atomo si usa un’onda stazionaria che, se bidimensionale, deve avere dei punti ad

ampiezza nulla (nodi) e solo certe vibrazioni sono possibili cioè solo quelle con lunghezza d’onda

pari a n(λ/2) dove n è un numero intero. Per le onde stazionarie le vibrazioni sono quantizzate e

l’intero n viene detto numero quantico. L’equazione di Schrӧdinger per un elettrone che si muove

nello spazio tridimensionale richiede tre numeri quantici, tutti interi. La probabilità di trovare

l’elettrone in data regione di spazio, probabilità detta densità elettronica. Il numero quantico

principale è n, maggiore è la distanza media dell’elettrone. In atomi che posseggono due o più

elettroni, due o più elettroni possono avere lo stesso valore di n, questi elettroni si trovano nello

stesso strato elettronico o livello energetico. Il numero quantico secondario (momento angolare) l,

che può assumere tutti i valori interi compresi tra 0 e n-1, e corrisponde a una forma differente

dell’orbitale. Il numero quantico magnetico, ml, è correlato all’orientazione nello spazio

dell’orbitale nell’ambito di un certo sottostrato. Il valore di ml può variare da +l a –l, incluso lo 0 e

indica il numero di orbitali del sottostrato (2l + 1). L’orbitale 1s è rappresentato come nuvola

elettronica cioè gli elettroni sono rappre