Introduzione alla chimica

LA CHIMICA

La chimica è lo studio della materia e delle sue trasformazioni.

• Oggetto di studio:
  • Atomo
    • In natura esistono più di 100 atomi
    • Ogni atomo costituisce un elemento chimico
    • Gli atomi e i rispettivi elementi vengono categorizzati nella tavola periodica in base a certi parametri

Atomo

• Protoni
  • m_p = 1.6726 · 10^-27 kg
  • Carica positiva
• Neutroni
  • m_n = m_p
  • Carica neutra
• Elettroni
  • m_e = 9.1084 · 10^-31 kg
  • Carica negativa
• Allo stato naturale gli atomi sono elettricamente in equilibrio
• La massa di un atomo, essendo gli elettroni molto più piccoli dei protoni, si approssima alla massa dei protoni
• Dimensioni
  • D_a (diametro) ≈ ordine di 10^-10 m
  • D_n (nucleo) ≈ 10^-15 m

La maggior parte del volume occupato da un atomo è spazio vuoto

vuoto ( D_a / D_n = 10⁵ )

Reazioni chimiche

• particolare classe di trasformazioni che coinvolgono gli elettroni più esterni degli atomi
• non vengono mai coinvolti i nuclei
• energia delle reazioni chimiche
• da 60 a 5·10³ kJ/mol
• reazioni nucleari
• coinvolgono i nuclei
• energia da 5·10⁷ a 5·10⁸ kJ/mol

Simbologia degli atomi

• Z = numero atomico = numero di protoni
• ogni atomo ha un numero atomico Z tipico
• nella tavola periodica troviamo anche altri valori e ogni atomo viene individuato da un simbolo
• gruppi di 1 o 2 lettere
• derivano spesso dal nome latino o greco che richiama l’elemento, in generale

A

Z

X

con

• X = nome dell’elemento
• A = numero di massa (protoni + neutroni)
• Z = numero atomico

NUCLEONI

Esempi

• 12 C

  • 6 protoni
  • 12 - 6 = 6 neutroni

• 56 Fe

  • 26 protoni
  • 56 - 26 = 30 neutroni

NUCLIDE

• 80 elettroni 80 protoni
• 81 specifica la composizione del nucleo

Macroscopico = massa delle molecole

Dato che conosciamo la composizione della molecola d'acqua è possibile calcolare il rapporto di composizione relativa.

n_at H = 0,1148 3,985 · 10^-2 , 1 t_mo = 17,873m_mo = 2

N_h2ono = N_h2o·t_{mo-_mo_} = 0,8881m_h2o = 1,126m_o

M_o = N_o·m_o = N_h2o·m_o = 1 m_o = 7,837M_h = N_h·m_h 2N_h2o·m_h = 2 m_h

M_o = 2·7,837 = 15,874m_h

Possiamo concludere che la massa di un atomo si concentra tutta nel nucleo. Il calcolo della massa è dunque una stima che, nonostante l'approssimazione, è risultata molto utile. Avanzato nel tempo, grazie allo spettrometro di massa, è stato possibile calcolare in maniera precisa la massa dei singolo atomo

Esempio 2:

Calcola la quantità di Fe contenuta in 30 g di composto

q(Fe) = PA / PM = 0,1516

q(Fe) = 0,1516 · q(K₄Fe(CN)₆) = 0,1516 · 30 = 4,55 g

15,16% di Fe in 30 g di K₄Fe(CN)₆

Esempio 3:

Quale quantità di composto contiene 10,8 g di Cu

q(Cu) = q / PM = 0,4246

q(K₄Fe(CN)₆) = q(Cu) / 0,4246

Esempio 4:

Calcolare quanti grammi di Cu si possono estrarre da CuO

1. q(Cu) = PA(Cu) · q(Cu) = q(CuO) · PA(Cu) / PM(CuO)
2. nCu = nCuO = q(CuO) / PM(CuO)

qCu = nCu · PA(Cu) = q(CuO) · PA(Cu) / PM(CuO)

Esempio 5:

d'analisi di un composto di soli due isobo e ossigen

ho fornito la seguente composizione percentuale in peso

N = 30,43%, O = 68,57% determinare la formula del composto

Onde elettromagnetiche e effetto fotoelettrico

Onde elettromagnetiche

• Grandezze tipiche
  • Lunghezza d'onda (λ) m
  • Velocità di propagazione
    • C = 2,998 ⋅ 10⁸ m/s
  • Frequenza
    • f = c/λ (Hz = S^-1)
  • Energia
    • ∝ E² (energia del campo elettrico)
  • Spettro elettromagnetico
    • a seconda della lunghezza d'onda, le onde vengono classificate nello spettro elettromagnetico

Quando una luce bianca attraversa una fessura abbastanza stretta ed un prisma, essa si scompone nello spettro della luce visibile che è una parte dello spettro elettromagnetico (visibile ad occhio nudo).

Se però interponiamo un contenitore con un gas (idrogeno) tra la luce bianca e la fessura, gli elettroni degli atomi respingeranno onde di frequenza d'onda ridotte al livello di energia degli elettroni creando delle linee nere sullo spettro della luce visibile ossia lo spettro di assorbimento. Se eccitiamo gli atomi nel contenitore e ripetiamo la procedura otteniamo lo spettro di emissione, che

• la direzione è perpendicolare al piano
• modulo

L = r m e V

Formando un α = 90° il sin 90° è 1 e dunque la formula è questa

Così sembra che il momento angolare varii continuamente:

• Il postulato: il momento angolare è sempre dipendente da una certa quantità fissa n

r m e V = n ℏ _n / 2π con n = 1, 2, 3,... (numero quantico)

assumere valore discreto non continui

Possiamo scrivere la velocità dunque:

V = ℏ n / 2π m e r ⇒ V² = n² ℏ² / 4 π² m ² e² r²

n² ℏ² / 4 π² m² e² r² = 1 / 4 π ε₀ m r

Semplificando e ricavando il raggio

R_n = n² ℏ² ε₀ / π m e²

Il raggio assume dunque i valori ben precisi rispetto ad n che non sono altro che il multiplo intero della quantità fissa e moltiplicare n

E così va per ogni transizione intermedia.

Dunque per ogni transizione in assorbimento ci saranno poi transizioni in emissione con una transizione coincidente con quella in assorbimento.

Uno dei problemi dell’atomo di Bohr era che questo valeva solo per l’atomo di idrogeno, già per l’elio (con 2 atomi) i risultati erano completamente sbagliati.

C’è ancora una cosa positiva della struttura atomica di Bohr.

Se gli atomi vengono ionizzati Z-1 volte (con Z = numero atomico) si generano atomi definiti idrogenoidi, cioè quelli che hanno 1 elettrone nell’orbitale più esterna. Per questi atomi vale ogni considerazione fatta da Bohr.

r_n (idrogenoide) = r_n(H) / Z

Raggio della orbe degli atomi idrogenoidi

E_n (idrogenoide) = Z² · E_n(H)

Energia dei livelli

ESEMPIO:

E_n(H) = -13,6 eV

E_n(He⁺) = Z² · E_n(H) = 4(-13,6 eV) = -54,4 eV

sistema molto più stabile