Chimica generale - nozioni

CH CH OH CH OCH

3 2 3 3 9 9

Struttura atomica della materia

La MATERIA è costituita da particelle estremamente piccole:

ATOMI

gli

ATOMO: particella neutra a forma sferica estremamente piccola

Atomo

r 10 -8

a cm

elettroni nucleo

(e )

- 10 -10

(r -12 -13

nucl cm)

protoni neutroni

r /r 10.000 )

(p (n)

+

a nucl quarks quarks 10 10

L

’ atomo 11 11

Struttura atomica - Le particelle fondamentali

Particella Massa Carica

simbolo SI (g) uma SI (C) u.c.atom.

9.109 · 10 5,486 · 10 -1.602 ·10 -1

e

- -28 -4 -19

p 1.673 · 10 1,0073 +1.602 ·10 +1

+ -24 -19

1,0087 0 0

n 1.675 · 10

-24

unità di carica atomica = carica dell’elettrone = 1.602·10 C

-19

unità di massa atomica = 1/12 massa C = 1.6606 · 10 g

12 -24

massa protone = 1836 volte massa elettrone

Nel NUCLEO è concentrata la maggior parte della

MASSA dell’atomo 12 12

La struttura del nucleo atomico

Protoni

Neutroni Nucleoni

=

Numero atomico (Z)

(Z numero protoni (uguale al numero degli

elettroni essendo gli atomi particelle neutri).

Atomi con uguale numero atomico Z sono classificati come atomi

stesso elemento e identificati dallo stesso simbolo chimico

dello

Carica nucleare = + Z (in unità di carica atomica) 13 13

La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi

Numero di massa (A) = numero protoni + numero neutroni

A Z

- = numero dei neutroni

Nuclide: specie atomica definita in modo univoco da un numero

atomico e da un numero di massa

Per indicare un definito nuclide A X

occorre specificare:

- simbolo dell’elemento Z

Z (in basso a sinistra)

- A

- (in alto a sinistra) 14 14

La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi

Nuclide dell

’ azoto

N

14 Z = 7 A = 14 A-Z = 7

7 7 p , 7 e , 7 n; carica nucleare: +7

+ -

Isotopi 12 C

nuclidi di uno stesso elemento (con uguale C

numero atomico Z) aventi diverso numero di 6

C

13

massa A (isos topos = stesso posto) C

14

Isobari

nuclidi con diverso numero atomico Z

ma con uguale numero di massa A Cr

Fe

54 54

(isos baros = stesso peso) 26 24 15 15

La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi

Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono dal numero di

elettroni (e quindi da Z)

Diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà

chimiche e chimico-fisiche

C

12 C

6

C

13 14 C

Eccezioni: 1 H = H

H p.f. 13,96 K p.e. 20,4 K 1

2 2 H = D

D p.f. 18,73 K p.e. 23,7 K

2 1

T p.f. 20,62 K p.e. 25,0 K 3 H = T

2 1 16 16

La struttura del nucleo atomico - Nuclidi e isotopi

Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi con

composizione costante

Spettro di massa

del Neon

segnale 20 21 22

Neon-20 ( Ne ) Neon-21 ( Ne ) Neon-22 ( Ne)

10 10 10

del

Intensità 90.51% 0.27% 9.22%

17

Massa 17

Determinazione delle masse atomiche assolute

Spettrometria di massa 18 18

Massa campione per le masse atomiche

• La massa campione è definita come la dodicesima parte

12

della massa del carbonio-dodici ( C).

• Il peso atomico di un atomo viene definito come il rapporto

tra la massa dell’atomo considerato ed un dodicesimo della

massa di un atomo di carbonio-dodici.

• Quindi in base a questa definizione i pesi atomici, essendo

calcolati come rapporti tra masse, sono grandezze

adimensionali.

• Considerato che la massa di un atomo di carbonio-12

-24

corrisponde a 19,92·10 g, la massa campione corrisponde

a: −

⋅ 24

19

,

92 10 g −

= ⋅ 24

1

,

660 10 g

12 19 19

Peso atomico naturale

• Dalla tavola periodica vediamo che per il sodio il valore del

peso atomico corrisponde a 22,98977. Questo significa che

la massa di un atomo di sodio corrisponde a 22,98977 la

massa campione (il sodio è presente in natura sotto forma di

un singolo nuclide).

• In generale, gli elementi si presentano costituiti da miscele

di isotopi (oltre l’80%). Quindi nel calcolo del peso

atomico naturale di un elemento si deve tenere conto sia

della massa dei singoli isotopi sia della loro abbondanza

relativa; in altre parole, si calcola una media ponderata. 20 20

Calcolo del peso atomico naturale del carbonio

In natura il carbonio è costituito per il 98,89% di atomi di C e

12

per l’1,11% si atomi di C; in realtà è presente anche il C ma la

13 14

sua concentrazione è bassissima e quindi trascurabile in questo

tipo di calcolo. 98,89%

12 C

6

C

6 1,11%

13 C

6

I pesi atomici dei due isotopi calcolati sempre facendo

riferimento alla massa campione sono:

C

12 peso atomico = 12

C

13 peso atomico = 13,0034 21 21

Peso atomico naturale del carbonio

Usando questi dati il peso atomico naturale viene calcolato nel

seguente modo: ⋅ + ⋅

12 98 , 89 13 , 0034 1 ,

11

= =

PA 12 , 0111

C 100

Questo è il valore riportato sulla tavola periodica ed è quello che

viene usato per i calcoli stechiometrici nonostante che in natura

non sia presente un solo atomo con questa massa effettiva.

Così facendo, usando il concetto di mole, saremo in grado di

“contare” gli atomi di carbonio naturale per mezzo di semplici

pesate. 22 22

Massa molecolare (peso molecolare)

Molecole (aggregati poliatomici)

massa molecolare

somma delle masse atomiche degli

atomi presenti in una sua molecola

M = 2 M + 6 M + M =

C2H6O C H O

= 2 x 12,011 + 6 x 1,0079 + 15,999 = 46,068 23 23

Mole

Le reazioni chimiche osservabili sperimentalmente coinvolgono un

numero enorme di atomi, molecole o ioni.

È conveniente definire una nuova grandezza che rappresenta un

numero grande e fisso di particelle e comparabile alle quantità

utilizzate in un esperimento reale.

( )

Mole mol

Quantità di sostanza che contiene

tante elementari (atomi, ioni,

entità

molecole, ecc.) quanti sono gli

atomi di C contenuti in 12 g esatti

12

di C.

12 Numero di Avogadro

N = 6.022·10 mol

23 -1

A 24 24

Mole 12

massa di 1 mole C

° =

12

n atomi C in 1 mole 12

massa di 1 atomo C

⋅ -1

12 , 0000 g mol

° =

12

n atomi C in 1 mole ⋅ ⋅ - 24

12 1,6606 10 g

n° atomi C in 1 mole = 6,022 10 mol

12 23 -1 25 25

Mole

pa = 40,08

Ca

Peso di un atomo di Ca 40 , 08

= = 3 , 34

12

Peso di un atomo di C 12 x(g)

Peso di N atomi di Ca = 3 , 34

A 12

Peso di N atomi di C

A 12 (g)

x (g) = = ⋅ =

3

, 34 x (g) 3,34 12 40,08 g

12 (g)

Quindi N atomi di Ca (1 mole) pesano 40,08 g 26

A 26

Massa molare (di un elemento o di un composto)

Massa molare )

massa (g) di 1 mole di qualsiasi sostanza (

g · mol

-1

La massa molare è numericamente uguale alla massa atomica o

alla massa molecolare.

Calcolo massa molare di H O (M )

2 H2O

×

M = n° molecole H O in 1mole massa di una molecola H O

H2O 2 2

× ×

M = 6.022 10 1.660610 18,02 = 18,02

mol g g mol

23 -1 -24 -1

H2O m ( )

g

n ( ) =

mol M ( )

g mol

-1 27 27