Chimica (per Ingegneria) - Riassunto Completo

Chimica

Struttura dell'atomo

Atomo composto da elettroni, protoni e neutroni.

Elettroni

• Thompson (1856-40) dimostra che sono carichi negativamente grazie ad un esperimento (all'interno di un tubo di vetro deviavano verso il polo positivo) e ne determina anche il rapporto carica/massa (e/m) sottoponendoli contemporaneamente ad un campo elettrico e magnetico: → o 2 2 11Hev=mv/r | Hev=Ee e/m=E/H r dove E,H e r sono noti perciò è stato possibile definire e/m=-1.76 ∙ 10 C/kg.
• Millikan (1860-53) misurò la carica dell'elettrone con un esperimento: tramite delle gocce d'olio rimaste in equilibrio tra forza di gravità e forza elettrica è stato possibile ricavare la carica dell'elettrone mg=zeE, Millikan trovò tutti multipli di -1.6 ∙ 10^-19 C.
• Essendo noto il rapporto carica/massa si ricavò anche la massa dell'elettrone: 9 ∙ 10^-31 kg.

Protoni

• Poiché gli atomi erano elettricamente neutri, dovevano avere anche una particella carica positivamente di 1.6 ∙ 10^-19 C.
• La massa del protone fu misurata tramite un catione dell'idrogeno: 1.67 ∙ 10^-27 kg.

Neutroni

• Alcuni atomi avevano peso maggiore, così furono scoperti successivamente i neutroni con massa leggermente superiore ai protoni e carica neutra.

Modelli atomici

• Thompson pensava all'atomo come una sfera di protoni nella quale erano distribuiti gli elettroni, ma Rutherford (1871-37) smentì questo modello grazie al suo esperimento (particelle α [He senza elettroni] su lamina d'oro: deviate e non deviate = nucleo – vuoto - elettroni).

Numero atomico e di massa

• Numero atomico (Z): numero di protoni (e di elettroni).
• Numero di massa (A): numero di protoni + neutroni (nucleoni).
• A – Z = numero di neutroni.
• Isotopi: stessi elementi con diversi neutroni. Il peso atomico presente sulla tavola periodica è una media ponderata fatta sulle misurazioni dei vari isotopi mediante uno spettrometro di massa.

Radiazione elettromagnetica

• In un'onda elettromagnetica campo elettrico e campo magnetico oscillano perpendicolarmente tra di loro e rispetto alla direzione dell'onda.
• Lunghezza d'onda (λ): distanza tra due minimi (o massimi) [m].
• Frequenza (ν): onde al secondo [Hz=s^-1].
• Ampiezza (): altezza di un massimo [m].
• Velocità nel vuoto (c): 300.000 km/s.
• L'insieme delle onde elettromagnetiche è riportata nello spettro elettromagnetico.

Spettri atomici

• Spettro di emissione: mediante l'eccitamento di una sostanza.
• Spettro di assorbimento: mediante l'attraversamento di una luce bianca attraverso la sostanza.

Spettro di emissione di un corpo nero

• Corpo nero: sostanza capace di assorbire tutte le radiazioni elettromagnetiche.
• Il grafico sperimentale dell'irradiazione di energia da parte di un corpo nero era in contrasto con il grafico teorico: teoricamente al diminuire della frequenza l'energia sarebbe dovuta salire all'infinito, cosa che non succedeva.
• Planck spiegò questo fenomeno grazie all'introduzione del quantum (pacchetto) di energia (sotto al quale valore l'energia non può scendere) tramite la relazione E=hν dove h è la costante di Planck (6,626∙10^-34 J∙s).

Effetto fotoelettrico

Modello atomico di Bohr

Principio d'esclusione di Pauli

Ogni orbitale atomico può contenere al massimo 2 elettroni purché di spin opposto.

Principio d'indeterminazione di Heisenberg

Non è possibile determinare con sufficiente precisione la posizione e la velocità di una particella microscopica. L'errore che si commette è inversamente proporzionale alla massa della particella in esame. (Per particelle macroscopiche es. automobile o pallone l'errore che si commette è insignificante, ma invece per gli elettroni (m=9x10^-31 kg) è molto significativo) Δx Δp ≥ ħ/4π.

Principio di massima molteplicità di Hund

La configurazione di minima energia di un atomo è quella che presenta il maggior numero di elettroni a spin paralleli.

Sistema periodico

• Mendeleev ordinò gli elementi secondo il loro peso atomico (inserendo anche elementi non noti) intabellandoli secondo le comuni proprietà fisiche e chimiche (alcuni elementi erano in contrasto con questa classificazione perché erano isotopi e quindi con un peso atomico diverso).

Proprietà periodiche degli elementi

• Dimensioni atomiche:
• Volume atomico (V) m³:
• Raggio atomico (r) m: è la distanza fra il nucleo, aumenta verso il basso e verso sinistra.
• Energia di ionizzazione (EI) kj/mol: è l'energia necessaria per allontanare un elettrone da un atomo isolato che si trova allo stato gassoso, aumenta verso l'alto e verso destra.
• Affinità elettronica (AE) kj/mol: energia che viene liberata da un atomo neutro isolato allo stato gassoso quando esso acquista un elettrone, aumenta verso l'alto e verso destra.
• Elettronegatività (x): tendenza di un atomo ad attrarre a sé gli elettroni di legame, aumenta verso l'alto e verso destra.

Legami chimici

• L'energia di legame è l'energia necessaria per rompere un legame chimico.

Legame ionico

• Trasferimento di uno o più elettroni da un atomo a un altro con formazione di ioni di segno opposto.
• Forti interazioni di tipo elettrostatico tra i 2 ioni di segno opposto (formazione di solidi cristallini Es. NaCl).

Legame covalente

• Messa in compartecipazione di una coppia di elettroni tra 2 atomi (uguali: legame omeopolare o puro, diversi: legame eteropolare).
• Legame covalente eteropolare: forma molecole polari (o polarizzate).
• Avviene uno spostamento degli elettroni verso l'atomo più "forte" e si crea un dipolo elettrico formato da 2 cariche elettriche di segno opposto (Es. HF, H₂O, NH₃).

Legame dativo (o di coordinazione)

• Avviene quando entrambi gli elettroni condivisi in un legame covalente provengono da un solo atomo (detto donatore, l'altro è detto accettore).

Strutture di Lewis

Lunghezza di legame: distanza tra i 2 nuclei degli atomi legati.

Teoria del legame di valenza (Valence Bond o VB)

• I due orbitali atomici degli elettroni spaiati si sovrappongono "creando" una zona dove è massima la probabilità di trovare il doppietto elettronico che forma il legame.
• Se il legame è singolo si crea sulla congiungente dei 2 nuclei.