Riassunto di Fondamenti di chimica

Chimica

Materia

Sostanza Miscela sistema chimicamente omogeneo che presenta combinazione di più sostanze composizione costante.

Elemento

Miscele composto miscele formati da atomi eterogenee formati da atomi omogenee appartenenti alla stessa presenza di più fasi, diversi in rapporto presenza di un’unica specie composizione non costante fra di loro fase, stesse proprietà uniforme per tutti i punti.

Numero di massa

→ Numero complessivo di nucleoni

Numero atomico

→ Numero di protoni

Unità di massa atomica

1 U.M.A. equivale ad 1/12 della massa dell’isotopo 12 del carbonio.

Massa atomica relativa

Numero di volte che l’unità di massa atomica è contenuta nella massa del singolo atomo, il peso atomico è relativo, si tratta di una media pesata in base alla presenza in natura.

Massa molecolare

Massa delle molecole, ovvero la somma delle masse degli atomi che costituiscono la molecola.

Mole

Quantità di sostanza o di entità pari al numero di atomi contenuti in 12 grammi dell’isotopo 12 del carbonio. Questo numero è chiamato numero di Avogadro.

Massa molare

Peso in grammi di una mole di una determinata sostanza, risulta numericamente uguale alla massa atomica.

Radioattività

Tutti gli elementi con numero atomico superiore ad 80 hanno isotopi che si decompongono per decadimento radioattivo. Si tratta cioè di tutti quegli elementi che cadono fuori dalla fascia di stabilità. Per essere stabili gli isotopi devono avere più neutroni rispetto ai protoni.

Processi di decadimento

• Decadimento alfa: Caratteristico de nuclei con numero atomico elevato, è dovuto alla grande stabilità dell’atomo di elio. In seguito al decadimento l’atomo perde due protoni (4 nucleoni) e si forma un atomo di elio. Le particelle alfa hanno elevata energia cinetica, ma dal momento che il loro peso è molto elevato hanno scarso potere di penetrazione.
• Decadimento beta-: Il decadimento beta meno si verifica quando un neutrone si trasforma in un protone, emettendo così un elettrone per bilanciare la carica, l’atomo emette inoltre un antineutrino.
• Decadimento beta+: Il decadimento beta meno si verifica quando un protone si trasforma in un neutrone, emettendo così un positrone per bilanciare la carica.
• Decadimento gamma: Il nucleo non si trasforma ma passa semplicemente ad uno stato ad energia inferiore emettendo così un elettrone ad altissima frequenza.

Il difetto di massa

La massa del nuclide è minore della massa dei singoli protoni e neutroni che lo costituiscono. Si ha conversione della massa in energia, come dalla legge di Einstein. Il difetto di massa è legato all’energia di legame fra i nucleoni, l’energia di legame corrisponde all’energia necessaria per separare i nucleoni del nuclide. Mettendo in grafico l’energia media per nucleoni ottengo che la massima energia la si ha in corrispondenza dell’atomo di ferro.

Energia nucleare ed elettrostatica

L’energia nucleare è molto intensa ma a corto raggio. Questo spiega perché nuclei formati da pochi elementi siano più instabili. L’energia elettrostatica è molto meno intensa ma a lungo raggio. Questo fa sì che più nuclidi ci sono in un atomo, più la repulsione elettrostatica è forte tra i protoni, spiegando perché andando verso numeri atomici elevati l’atomo è più instabile.

Composti

• → Formula molecolare: esprime il corretto numero di atomi presenti nella molecola.
• → Formula minima: indica il rapporto nel quale si trovano all’interno della molecola.
• → Formula di struttura: indica come gli atomi siano legati fra loro e come nello spazio.

Determinazione della composizione molare e ponderale

- Molare → xi=ni/ntot
- Ponderale → wi=mi/mtot

Radiazioni elettromagnetiche

La luce è costituita da fotoni, ciascun fotone ha energia pari alla sua frequenza E=h*v.

Comportamento corpuscolare della luce

• Alcuni materiali colpiti da frequenza elettromagnetica emettono elettroni.
• Quando la frequenza della luce incidente si trova al di sotto di un certo valore di soglia, l’elettrone non viene emesso.
• Gli elettroni emessi hanno energia cinetica proporzionale alla frequenza della radiazione incidente.
• Il numero di elettroni emessi risulta proporzionale all’intensità.

Interpretazione di Einstein

Energia cinetica degli elettroni espulsi = energia del fotone - energia di legame dell’elettrone.

Modelli atomici

Con la scoperta della radioattività naturale si intuì che gli atomi non erano particelle indivisibili.

Thompson, 1904, Modello a panettone

Con la formazione di un tubo a raggi catodici riuscì ad intuire la presenza di elettroni. Immaginò che l’atomo fosse costituito da una sfera fluida di materiale caricato positivamente nel quale erano immersi gli elettroni. Misurò il rapporto carica massa attraverso la deflessione nel tubo.

Rutherford, modello planetario, 1912

Bombardando una sottile lamina d’oro intuì che tutta la massa dell’atomo era concentrata in un unico punto. L’atomo era largamente composto da spazi vuoti, il modello planetario non spiegava come mai gli elettroni non collassavano attorno al nucleo, per questo servirà la fisica quantistica.

Bohr

Primo postulato di Bohr

(Quantizzazione del momento della quantità di moto): Il momento dell’elettrone che ruota attorno al nucleo deve essere un multiplo intero di h/2pigreco.

• Quantizzazione del raggio dell’orbita.
• Quantizzazione dell’energia dell’orbita.

Questo postulato dimostrava come mai gli elettroni non collassassero sul nucleo.

Secondo postulato di Bohr

(Assorbimento ed emissioni di energia): L’atomo assorbe o emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetiche e lo fa solo per determinati quando si verifica il passaggio dell’elettrone per determinati intervalli di energia, l’emissione avviene attraverso un unico fotone.

Estensione di Sommerfield

Estese il modello proposto da Bohr introducendo altri tre numeri quantici, ma questo fece scalpore in quanto l’estensione di Sommerfield si basava sulle leggi della fisica classica, introduceva il concetto di traiettorie e postulati senza giustificazioni.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Esiste un limite al quale possiamo misurare con precisione la velocità e la posizione di un oggetto in movimento.

De Broglie teoria ondulatoria

Dualismo onda particella: Mettendo insieme l’equazione di Einstein e la legge delle onde elettromagnetiche m*c²=h*v ed essendo la frequenza uguale a c/y dalla prima formula si otterrà: m*c=h/y. La prima parte dell’equazione rappresenta una massa e l’altra un’onda. Questo fece sì che un elettrone accelerato anche solo ad un centesimo della velocità della luce potesse essere considerato come un’onda, confermato dalla diffrazione dell’onda elettromagnetica. Fu abbandonato il concetto di orbita e preso in considerazione quello di orbitale.

Teoria ondulatoria

In modo che un’onda possa rimanere invariata attorno ad un elettrone deve essere formata da un numero intero n di lunghezze d’onda. Poiché solo determinati stati energetici possono formarsi, anche le onde sono limitate a quegli stati energetici dalla teoria ondulatoria.

La meccanica ondulatoria e l’equazione di Schrödinger

Equazione di Schrödinger per gli stati stazionari:

• Deve essere continua ed univoca così come le sue derivate.
• Soddisfare la condizione di normalizzazione.
• Essere nulla all’infinito.
• Soddisfare la condizione di ortogonalità.

Integrando l’equazione si ottengono valori accettabili solo per determinati valori di energia: n = definisce in particolare l’energia dell’orbitale, discretizzazione dell’energia, l = definisce la forma dell’orbita, discretizzazione della quantità di moto, ml= definisce l’orientazione nello spazio dell’orbitale.

Livelli energetici validi solo per l’atomo di idrogeno

Orbitali caratterizzati dallo stesso livello energetico n sono detti degeneri.

Rappresentazione degli orbitali atomici

L’orbita in meccanica classica è una funzione matematica che ne identifica il tipo e l’orientazione nello spazio. L’orbitale in meccanica quantistica invece non ha alcun significato fisico, il modulo della funzione al quadrato invece ne identifica la densità di probabilità di trovare elettroni in un determinato spazio. Per atomi polielettronici l’energia è definita anche da altri numeri quantici.

Principio di esclusione di Pauli

Vieta che ci possa essere in un atomo due elettroni aventi gli stessi numeri quantici. Posso disporre due elettroni sullo stesso orbitale con spin differenti.

Principio di massima molteplicità di Hund

Gli elettroni vanno a occupare il maggior numero di orbitali a minor energia. Le configurazioni elettroniche ci permettono di ricavare la valenza dell’elemento:

• Valenza ionica: numero di elettroni che l’atomo può perdere o acquistare per raggiungere la configurazione elettronica del gas nobile che lo segue o lo precede.
• Covalenza: numero di elettroni spaiati che l’atomo può utilizzare per formare altrettanti legami covalenti.

Proprietà periodiche

Carica nucleare efficace

Rappresenta il numero di cariche positive a cui è soggetto l’ultimo elettronegativo.

Raggio atomico

Semi distanza tra due nuclei in una molecola biatomica o nel reticolo cristallino. Spostandosi verso destra nel periodo aumenta la carica nucleare efficace e di conseguenza diminuisce il raggio atomico.

Energia di prima ionizzazione

Rappresenta l’energia necessaria per portare a distanza infinita l’elettrone più esterno. Dal momento che la carica nucleare efficace aumenta all’aumentare del numero atomico e del gruppo, anche l’energia di prima ionizzazione aumenta all’aumentare del periodo.

Affinità elettronica

Rappresenta l’energia coinvolta nella formazione di uno ione negativo a partire da un atomo isolato. Cresce al crescere del periodo in quanto gli atomi più vicini ai gas nobili sono voraci di elettroni.

Elettronegatività

Tendenza di un atomo ad attrarre a sé gli elettroni di legame. È favorita da valori alti di carica nucleare efficace e da dimensioni piccole dell’atomo.

Il legame chimico

Un legame chimico si forma quando si ha una diminuzione di energia in corrispondenza di una certa distanza internucleare. Ad energia più bassa si ha maggiore stabilità.

Energia di legame

Si definisce energia di legame tra due atomi dello stesso elemento o tra due elementi differenti allo stato gassoso l’energia necessaria per portare a distanza infinita due atomi, ovvero si tratta di energia di dissociazione di legame (curva di Morse).

Legame ionico

Il legame ionico si forma dall’attrazione elettrostatica tra due ioni con carica opposta.

Proprietà del legame ionico

• Non conduttori, conduttori invece allo stato fuso.
• Alte temperature di fusione.
• Duri ma fragili e solubili in acqua.

Il legame ionico secondo la teoria di Lewis

Il legame è dovuto essenzialmente al tipo di configurazione elettronica degli atomi coinvolti. Gli atomi che si combinano fra loro tendono ad avere la configurazione del gas nobile che segue o precede. Questa spiegazione è stata attribuita sia al legame ionico che al legame covalente. Come regola generale si dirà che la massima carica positiva che un atomo può assumere in un composto ionico è pari agli elettroni de...