Chimica, prof. Mozzon

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Sommario

Primi modelli atomici ......................................................................................................................................... 4

Esperimento dei tubi di Crookes ................................................................................................................... 4

Struttura del nucleo atomico............................................................................................................................. 5

Nucleoni ......................................................................................................................................................... 5

Numero di massa e Numero atomico............................................................................................................ 5

Nuclidi e isotopi ............................................................................................................................................. 5

Isobari ............................................................................................................................................................ 6

Atomo ................................................................................................................................................................ 6

Unità di massa atomica ................................................................................................................................. 6

Peso atomico ................................................................................................................................................. 7

Peso molecolare ............................................................................................................................................ 7

Mole e Numero di Avogadro ......................................................................................................................... 7

Massa molare ................................................................................................................................................ 8

Struttura elettronica degli atomi ....................................................................................................................... 8

La crisi della fisica classica ............................................................................................................................. 8

Generalità sulle onde elettromagnetiche ..................................................................................................... 8

Teoria di Maxwell ...................................................................................................................................... 8

Teoria di Plank ........................................................................................................................................... 9

Spettro di emissione dell’atomo di idrogeno .............................................................................................. 11

Equazione di Rydberg .............................................................................................................................. 11

Modello atomico di Bohr (1913) ................................................................................................................. 11

Primo postulato di Bohr .......................................................................................................................... 12

Secondo postulato di Bohr ...................................................................................................................... 13

Principio di indeterminazione di Heisenberg (1927) ................................................................................... 14

Equazione di De Broglie (1924) ................................................................................................................... 15

Equazioni ordinarie ...................................................................................................................................... 15

Equazioni differenziali ................................................................................................................................. 15

Equazioni differenziali alle derivate parziali ............................................................................................ 15

Equazione di Schrödinger generale (1926) .................................................................................................. 16

Equazione di Schrödinger degli stati stazionari ........................................................................................... 16

Stato stazionario ...................................................................................................................................... 16

Equazione di Schrödinger applicata all’atomo di idrogeno ..................................................................... 18

Numeri quantici ....................................................................................................................................... 19

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Orbitali ......................................................................................................................................................... 19

Livelli energetici dell’atomo di idrogeno ................................................................................................. 20

Orbitali dell’atomo di idrogeno ............................................................................................................... 20

Rappresentazione degli orbitali atomici .................................................................................................. 21

Atomi polielettronici

.................................................................................................................................... 23

Struttura dell’atomo polielettronico ....................................................................................................... 23

Successione dei livelli energetici negli atomi polielettronici ................................................................... 23

Spin dell’elettrone ................................................................................................................................... 24

Principio di esclusione di Pauli (1925) ..................................................................................................... 24

Regola di Hund o regola della massima molteplicità (1925) ................................................................... 24

Configurazione elettronica degli atomi ................................................................................................... 24

Regola di Aufbau ...................................................................................................................................... 25

Stati di aggregazione della materia ................................................................................................................. 25

Stato gassoso ............................................................................................................................................... 25

Gas ideali ................................................................................................................................................. 26

Gas reali ................................................................................................................................................... 29

Liquefazione dei gas ................................................................................................................................ 30

Stato liquido ................................................................................................................................................ 31

Pressione di vapore di un liquido ............................................................................................................ 31

Soluzioni................................................................................................................................................... 31

Le reazioni chimiche ........................................................................................................................................ 32

Elementi e composti .................................................................................................................................... 32

Simboli e formule chimiche ..................................................................................................................... 33

Rappresentazione delle reazioni chimiche .............................................................................................. 33

Reazioni complete o irreversibili ............................................................................................................. 33

Reazioni di equivalenza ........................................................................................................................... 34

Fasi di studio di una reazione chimica ..................................................................................................... 34

Regole di bilanciamento .......................................................................................................................... 34

Calcoli stechiometrici .............................................................................................................................. 35

Classificazione periodica degli elementi ...................................................................................................... 35

Proprietà periodiche degli elementi nella tavola periodica ........................................................................ 37

Carica nucleare efficace ........................................................................................................................... 37

Raggio atomico ........................................................................................................................................ 38

Energia di ionizzazione ............................................................................................................................ 38

Energia di affinità elettronica .................................................................................................................. 38

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Elettronegatività ...................................................................................................................................... 39

Carattere metallico .................................................................................................................................. 39

Legame chimico ........................................................................................................................................... 39

Parametri della struttura molecolare ...................................................................................................... 40

Simboli di Lewis ....................................................................................................................................... 40

Classificazione dei legami chimici ............................................................................................................ 41

Legame ionico (trasferimento) ................................................................................................................ 41

Legame covalente (condivisione) ............................................................................................................ 44

Legame metallico ..................................................................................................................................... 57

Legami deboli .......................................................................................................................................... 60

Termodinamica ............................................................................................................................................ 62

Sistemi termodinamici ............................................................................................................................. 62

Grandezze estensive ed intensive ........................................................................................................... 63

Variabili di stato e funzioni di stato ......................................................................................................... 63

Primo principio della termodinamica ...................................................................................................... 64

Equazioni termochimiche ........................................................................................................................ 65

Funzione di stato entropia ....................................................................................................................... 67

Secondo principio della termodinamica .................................................................................................. 68

Equazioni e trasformazioni spontanee per sistemi non isolati a temperatura e pressione costante: la

funzione di stato energia libera ............................................................................................................... 68

Energia libera di reazione ed energia libera standard di reazione ......................... 71

Equilibrio termico .................................................................................................................................... 72

Elettrochimica .............................................................................................................................................. 78

Reazione di ossidoriduzione .................................................................................................................... 80

Struttura atomica della materia

La materia è composta da atomi, che compongono tutto ciò che ci circonda.

Gli atomi sono composti da particelle più piccole, ossia protoni, neutroni ed elettroni.

Particella Simbolo Massa Carica elettrica Anno di scoperta

Elettrone 1890

Protone 1896

Neutrone 1932

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Primi modelli atomici Scopritore Modello

1 John Dalton (1803) Sfera indivisibile di materia

compatta

2 Joseph John Thomson (1904) Sfera cava carica positivamente di

natura ignota entro la quale

erano presenti gli elettroni

3 Ernest Rutherford (1908) Modello planetario dell’atomo

Esperimento dei tubi di Crookes

I tubi di Crookes sono tubi di vetro contenenti gas rarefatto che, sottoposto a elevate differenze di

potenziale, permette di osservare l’emissione di particelle. In seguito, tramite altri esperimenti che ne

deviavano la traiettoria tramite campi elettrici e magnetici, si scoprirono essere elettricamente cariche. La

particella fu chiamata elettrone perché era emessa dal catodo del tubo.

Cambiando il tipo di gas all’interno dei tubi erano emesse sempre le stesse particelle, e da ciò si concluse

che tutta la materia doveva composta da essi. Altri esperimenti permisero di determinarne la massa

La natura ignota positiva del modello di Thomson fu chiarita da Rutherford colpendo una sottile lastra di

metallo con particelle alfa (due volte cariche positivamente il valore della carica dell’elettrone).

Tramite questo esperimento si notò che quando una particella passava vicino a un atomo del foglio di

metallo non avvenivano cambiamenti di traiettoria, se transitava al suo interno viene deviata, mentre se

colpiva il centro torna indietro. Pag. 5 a 89

L’atomo era composto quindi da un nucleo centrale pieno carico positivamente e da una parte esterna

vuota in cui si trovavano gli elettroni. Le traiettorie degli elettroni erano circolari o ellittiche secondo lui.

Dagli angoli di deviazione delle particelle Rutherford, cambiando le lastre, riuscì a determinare il numero di

protoni nel nucleo atomico. Si accorse che, sommando i pesi dei protoni ed elettroni non tornavano i conti,

e mancavano quindi delle particelle.

Nel 1932 James Chadwick scopre i neutroni.

Il nucleo non è mai intaccato dalle reazioni chimiche, poiché ma solo da quelle fisiche.

Struttura del nucleo atomico

Nucleoni

Sono detti nucleoni i protoni e i neutroni.

Del nucleo si sanno poche informazioni, mentre sono note molte proprietà degli elettroni. È tenuto insieme

da forze nucleari, diverse da quelle magnetiche e gravitazionali.

Numero di massa e Numero atomico

Il numero dei protoni corrisponde con quello degli elettroni.

In chimica tutte le specie che hanno lo stesso numero di elettroni hanno le stesse reazioni chimiche, quindi

tutte le specie che hanno lo stesso numero di protoni hanno le stesse reazioni chimiche.

Se Z = 8 l’elemento è chiamato “ossigeno” simbolo “O”.

Se Z = 6 l’elemento chiamato “carbonio” simbolo “C”.

Nuclidi e isotopi

Si definisce nuclide una specie atomica caratterizzata da una ben definita composizione del nucleo, ed è

rappresentata da un simbolo con due indici: A e Z.

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- Nuclide con 16 nucleoni (8 protoni e 8 neutroni)

- Nuclide con 17 nucleoni (8 protoni e 9 neutroni)

- Nuclide con 18 nucleoni (8 protoni e 10 neutroni)

Si definiscono isotopi, dal greco isos topos (stesso posto), i nuclidi di uno stesso elemento caratterizzati

dallo stesso numero atomico aventi diverso valore del numero di massa. Gli isotopi no hanno nomi

particolari, con l’esclusione degli isotopi dell’idrogeno.

Tutti gli isotopi di un dato elemento hanno le stesse proprietà fisiche con l’eccezione degli isotopi di

idrogeno

Isotopo Bolle a Fonde a Abbondanza isotopica in natura

Idrogeno

Deuterio

Trizio

In natura gli isotopi di un certo elemento sono presenti in una certa quantità chiamata Abbondanza

isotopica in natura, ossia il numero di quell’isotopo su 100 atomi.

- Abbondanza isotopica in natura: 99,76%

- Abbondanza isotopica in natura: 0,04%

- Abbondanza isotopica in natura: 0,20%

Gli isotopi hanno la stessa casella nella tavola periodica.

Isobari

Si definiscono come isobari i nuclidi che hanno diverso numero atomico ma uguale numero di massa, deriva

dal greco isos baros (stesso peso).

e sono isobari tra di loro.

Atomo

Unità di massa atomica

Tramite lo spettrometro di massa (che esegue la spettrometria di massa) è possibile determinare i pesi

degli atomi (immessi sotto forma di gas) e degli isotopi.

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Poiché l’atomo più pesante ha una massa intorno ai grammi è stato necessario definire una nuova

unità di misura per evitare di mantenere costantemente la notazione esponenziale. Quest’unità di misura è

chiamata Unità di massa atomica (uma).

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