Chimica Generale - Teoria

Chimica Generale

• Elementi e atomi

Ogni composto è formato da elementi che a loro volta sono costituiti da atomi. Ogni elemento è caratterizzato da un nome e da una sigla (Piombo Pb).

Se uniamo due o più composti otteniamo una miscela → eterogenea (sabbia) → omogenea (aria)

L'atomo a sua volta è costituito da particelle più piccole:

• Protoni → 1,6 · 10^-27 kg
• Neutroni → 1,6 · 10^-27 kg
• Elettroni → 1/1800 → massa p+ -1,6 · 10^-19 C

La massa dell'atomo è quindi data da quella dei protoni più quella dei neutroni, poiché gli e^- mediano poco numero di massa "A". Il numero di protoni, invece, è il numero atomico "Z".

Se l'atomo è neutro il n°e^- = n°p⁺

Il nuclide è un qualsiasi elemento che presenta il numero di massa n alto e quello atomico n basso. Se i nuclidi di uguale elemento ha un diverso numero di masse che va al di fuori di una banda, allora avremo un elemento instabile (isotopo).

La massa di un nuclide viene stimata mettendola in relazione con un'altra, quindi si è deciso che la massa dell'isotopo 12 del carbonio è 12. Per trovare tutte le altre si usa lo spettrometro di massa che genera un quasi del nuclide desiderato. Grazie ad una scarica di elettroni, il nuclide si carica positivamente. Il fascio di protoni viene fatto passare attraverso un campo magnetico che lo devia; in base all'angolazione con cui è stato deviato ottengo la massa atomica del nuclide.

Nel momento in cui un atomo non è più neutro viene chiamato IONE, esso è distinguibile in anione se presenta cariche negative in maggioranza, catione se vi sono più cariche positive.

Per trovare la massa o peso atomico (peso molecolare) si sommano le varie masse dei singoli elementi

H₂O: 1 ∙ 2 + 16 = 18

HNO₃: 1 + 14 + 16 ∙ 3 = 63

Esercizio

Indicare a quali elementi appartengono i seguenti nuclidi.

• ³²X₁₆ essendo 16 il numero atomico si tratta di zolfo S
• il 32 è il numero di massa n+p = 32
• n = 16
• ¹⁸X₉ l'elemento con numero atomico 9 è il fluoro F
• avremo che n+p = 18
• n = 18 - p = 9
• n = 9
• p = 9

Quindi si tratta dell'anione fluoro F^-

- Numero di moli

Una mole è quella quantità di sostanza di un certo composto che contiene tante particelle quante quelle contenute in 12 grammi dell'isotopo 12 del carbonio. In questi 12 gr di ¹²C ci sono 6.022 ∙ 10²³ atomi di carbonio.

Quando se prendo una mole di H₂ conterrà 6.022 ∙ 10²³ molecole di H₂. Se prendo una mole di Na avrò 6.022 ∙ 10²³ atomi di sodio.

Il numero 6.022 ∙ 10²³ è il numero di Avogadro (N_A).

Grazie a questo posso avere un'unità di misura più pratico per i calcoli, perché introduco il peso molecolare a (^g⁄_mol).

Esercizio

Si calcolino quanti gr di Fe si ottengono facendo reagire:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

(Io ho 12 g Fe₂O₃)

P_t Fe₂O₃ = 56 ∙ 2 + 16 ∙ 3 = 160 ^g⁄_mol

• n = m ⁄ P_M = 12 ⁄ 160 = 0.07⁵ [mol] (m Fe₂O₃)
• m = n ∙ P_M = 0.07⁵ ∙ 56 (In 1 gr. di ferro ci sono 0.07⁵ di ferro)

Radiazione elettromagnetica

Si tratta di un fenomeno ondulatorio dato dalla propagazione in fase del campo elettrico e del campo magnetico oscillanti in piani tra loro ortogonali e ortogonali alla direzione di propagazione.

Alcuni esempi di queste onde sono i raggi x, y, gli ultravioletti e la luce visiva.

L'onda ha come grandezze:

• λ → lunghezza d'onda [m]
• ν → frequenza [s^-1]

La frequenza è cioè quante volte il valore massimo dell'onda attraversa il punto in cui ci troviamo in 1 secondo.

La velocità di propagazione delle onde "v" è uguale a V = λ · ν, che nel caso di radiazione elettromagnetica è uguale alla velocità della luce.

v = c

Esempi:

λ R_x = 10^-10 [m] = 1Å (armstrong)

ν FM = 100 · [MHz] = 100 · 10⁶ [s^-1]

('AM' valori)

Lo spettro elettromagnetico mette in ordine vari tipi di radiazione in base a λ lunghezza d'onda e frequenza ν in mezzo vi è lo spettro visibile con tutti i colori che possiamo vedere. Nello spettro si parte da λ bassissima e ν alte per arrivare a λ alte e ν basse.

Errore per l'elettrone:

m = 9,1 • 10^-31 Kg

v = 10⁶ m/s

Δv (m/s) = 9,1 • 10^-6 m/s = 9,1 • 10^-57 kg m/s

Δx ≥ ℏ/2 • Δp = 6,6 • 10^-34 / 9,1 • 10^-57 ≈ 54 m

Quindi commetto un errore di 54 m nel trovare la posizione dell'elettrone.

Equazione di Schrödinger:

Per risolvere il problema della posizione e dello stato energetico dell'elettrone si ricorse a Schrödinger che introdusse un'equazione del moto dell'elettrone chiamata equazione d'onda (risolvibile solo per l'atomo di idrogeno).

Come risultato ottengo l'energia dell'elettrone e una funzione Ψ(x, y, z, n, l, m) x, y, z sono le coordinate dell'elettrone n, l, m numeri quantici

dove:

• n = 1, ... +∞
• l = 0, ... n: numero quantico secondario
• m = -l, 0, +l: " " magnetico

Per l'atomo di idrogeno n=1, l=0, m=0.

Per n=2, l=1, m=+1,0.

Queste funzioni vengono scritte con un numero (che corrisponde a n) seguito da una lettera (che corrisponde a l) con un pedice (corrisponde a m):

• s → l=0
• p → l=1
• d → l=2
• f → l=3

E.g. 2p_x, 2p_y, 2p_z

Affinità elettronica

energia liberata nel processo di acquisto di un elettrone da parte di un atomo neutro.

A + e → A^-

Si forma l'anione A^- che sarà più stabile all'emissione dell'energia libera.

La diminuzione o l'aumento di questa grandezza varia come l'energia di ionizzazione (il più maggiore hanno gli alogeni). I gas nobili hanno affinità elettronica negativa perché non reagiscono con nulla.

Raggio atomico

Per definire il raggio atomico si prende una molecola biatomica (H₂), si calcola la distanza tra atomo e atomo e si divide per 2. Abbiamo ottenuto il raggio atomico (R_a).

Se ci spostiamo a destra della tavola lungo periodi il R_a diminuisce mentre aumenta se si scende lungo i gruppi.

Elettronegatività

ci fornisce la tendenza di un elemento ad attirare gli elettroni di legame nel legame polare (che vedremo poi). Si misura con la formula di Mullinker

E = 1/2 (A_I + E_I)

Ho la somma dell'affinità elettronica e l'energia di prima ionizzazione diviso 2.

Il valore è indicato sulla tavola periodica e il fluoro è l'elemento più elettronegativo.

Se ΔE > 2 → legame ionico

ΔE < 2 → covalente

Metodo V.S.E.P.R

(Valence Shell Electron Pair Repulsion) Per determinare la geometria delle molecole si considera un esempio. Prendiamo la molecola BF₃ e consideriamo il boro al centro di una sfera. Si immaginano molte (le 3 coppie di legame con il fluoro tutte di carica uguale e poste sulla superficie della sfera. Esse si vengono a disporre in modo tale che la repulsione tra le cariche sia minima. Nel caso delle molecole scelte andranno a formare un triangolo equilatero.

Si ricorda inoltre che la presenza di doppi o tripli legami non influisce sulla geometria; infatti si considerano singoli. Invece verranno considerati doppietti liberi dell'atomo centrale se presenti.

Esempi:

CH₄

• Forma tetraedrica