Chimica. Lezione 2 La materia Il legame chimico (Parte I)

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1 Chimica Lezione 2 La materia Il legame chimico (Parte I)

2 Materia Tutte le sostanze che costituiscono l universo Infinita varietà di forme Classificazione a seconda dello stato FISICO (solido, liquido, gassoso) o della COMPOSIZIONE (elemento, composto, miscela)

3 SOSTANZE PURE (composizione costante) Composti Elementi MISCELE (composizione variabile) M. OMOGENEE: uguali proprietà in ogni punto M. ETEROGENEE: due o più fasi con un proprio insieme di proprietà

4 Elemento Porzione omogenea di materia costituita da atomi tutti dello stesso tipo Sostanza pura, caratterizzata da atomi tutti uguali, cioè aventi lo stesso numero atomico

5 Elementi Una sostanza che non può essere decomposta in due o più sostanze si definisce elemento. Si rappresenta con un simbolo (es. Au). L atomo è la più piccola particella di un elemento che possiede le proprietà chimiche di quell elemento. Le proprietà fisiche caratteristiche di un elemento sono la massa, la forma le dimensioni. neon rame cloro

6 Elementi e composti Composto: sostanza pura che si può decomporre, con trattamenti chimici, in sostanze più semplici Molecole formate da due o più atomi diversi Elemento: sostanza pura che non può essere decomposta in sostanze più semplici Molecole formate da atomi di un solo tipo HCl, H 2 O, NH 3 Ne, Cu, Cl 2 Atomi

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8 Sostanza pura Se si preleva un campione in un punto piuttosto che in un altro si incontrano molecole tutte dello stesso tipo (H 2 O) Le sostanze pure possono essere anche composti (H 2 O, NaCl)

9 Composto Porzione di materia non costituita da atomi di una sola specie che si presenta come OMOGENEA (cioè con caratteristiche uguali in ogni suo elemento di volume) Manifesta proprietà specifiche e composizione chimica costanti Può essere costituito da due o più specie di atomi, chimicamente combinati in rapporti definiti

10 Composti Molte sostanze pure possono essere separate in sostanze più semplici mediante trasformazioni chimiche. Una sostanza che può essere decomposta in due o più sostanze si definisce composto. Un composto si rappresenta con una formula chimica. (es. H 2 SO 4 ) e ha una composizione definita e costante. La molecola è la più piccola particella di un composto che possiede le proprietà chimiche di quel composto acqua: H 2 O cloruro di idrogeno: HCl ammoniaca: NH 3

11 Miscela Insieme di più INDIVIDUI CHIMICI Individuo chimico è una specie omogenea di materia con composizione definita ed invariabile Elementi e composti sono individui chimici

12 Confronto tra le caratteristiche di una miscela e quelle di un composto MISCELA I componenti possono essere presenti in qualsiasi rapporto di peso I componenti della miscela si possono separare con mezzi fisici Le miscele non possono essere rappresentate con una formula chimica, perché i componenti possono essere presenti in quantità variabile COMPOSTO I componenti sono presenti in quantità che stanno tra loro secondo precisi rapporti in peso I componenti di un composto si possono separare soltanto attraverso reazioni chimiche Ha un formula chimica definita zolfo ferro Miscela di zolfo e ferro zolfo ferro Solfuro di ferro FeS

13 Composti e miscele Un composto è una sostanza costituita da almeno due atomi di tipo diverso chimicamente combinati in rapporti definiti Una miscela è un insieme di due più sostanze di cui ciascuna mantiene la propria identità

14 Miscela omogenea Porzione di materia omogenea formata da due o più sostanze In qualsiasi punto si faccia un prelievo si trovano sempre le stesse molecole, nella stessa percentuale È un insieme di individui chimici (molecole o composti) Deve avere gli stessi composti in ogni punto, nella stessa percentuale

15 Miscela eterogenea È una porzione di materia di composizione diversa da punto a punto, nella quale sono cioè distinguibili FASI diverse Fase è una porzione omogenea di materia limitata da superfici di separazione fisicamente definite

16 Lezione 2 Il legame chimico (parte I)

17 GLI ATOMI TENDONO A LEGARSI SPONTANEAMENTE FRA DI LORO, PER FORMARE DELLE MOLECOLE, OGNI QUALVOLTA QUESTO PROCESSO PERMETTE LORO DI RAGGIUNGERE UNA CONDIZIONE DI MAGGIORE STABILITA ENERGETICA. QUESTO PROCESSO DA LUOGO AL LEGAME CHIMICO

18 OGNI LEGAME TRA ATOMI COINVOLGE GLI ELETTRONI PERIFERICI, DETTI ELETTRONI DI VALENZA Elettroni di valenza

19 Gas nobili e regola dell ottetto Ci sono elementi che esistono in natura sotto forma di ATOMI ISOLATI Appartengono all ottavo gruppo della tavola periodica e vengono chiamati gas nobili o gas inerti. La configurazione elettronica esterna di ciascuno di essi è s 2 p 6. È costituita da 2 elettroni nel sottolivello s e 6 nel sottolivello p (otto elettroni nel loro ultimo livello).

20 s 2 p 6 Questa configurazione è chiamata OTTETTO conferisce agli atomi stabilità e inerzia chimica: i gas nobili non hanno tendenza a reagire e sono noti pochissimi composti di cui essi entrino a far parte; infatti sono gli unici elementi che esistono in natura sotto forma di atomi isolati mentre la gran parte della materia che ci circonda è costituita da molecole. Sono tutti presenti nell'atmosfera in piccole quantità (il più abbondante è l'argon: circa 1%).

21 La regola dell ottetto Un atomo è stabile quando possiede 8 elettroni nel suo livello di valenza. Gli atomi che non hanno tale configurazione tendono ad acquistarla legandosi con altri atomi in modo da modificare il loro assetto elettronico e renderlo simile a quello di un gas nobile che precede o segue l atomo considerato. Ogni elemento tende ad assumere la configurazione elettronica del gas nobile ad esso più vicino nella tavola periodica.

22 Gli elementi dei primi gruppi della tavola periodica perdono elettroni (ionizzazione) assumendo in tal modo la struttura elettronica del gas nobile che li precede; Gli elementi del VI e VII gruppo tendono invece ad acquistare elettroni raggiungendo la struttura elettronica del gas nobile che segue

23 Ricordiamo che la tavola periodica si legge da sinistra a destra e dall alto verso il basso: quindi, ad esempio, l ossigeno tenderà ad acquisire la configurazione elettronica del gas nobile a esso più vicino sulla tavola periodica, che è il gas che lo segue, ovvero il neon Il potassio perdendo un elettrone tenderà sempre ad assumere la configurazione del gas più vicino che però è quello che lo precede (l argon)

24 Eccezioni alla regola dell ottetto Idrogeno ed elio, possedendo solamente un orbitale s, raggiungono una configurazione completa con due elettroni. Metalli di transizione (gli elementi che stanno tra i metalli e i non metalli), nel cui guscio di valenza possono essere ospitati fino a 18 elettroni (ottetto espanso). Gli elementi a partire dal terzo periodo (cioè dalla terza colonna), come i metalli di transizione, possono sfruttare gli orbitali d espandendo anche loro l'ottetto (ad esempio PCl 5 e SCl 6 ).

25 I metalli del I, II e III tendono a perdere rispettivamente 1, 2 e 3 elettroni per raggiungere la configurazione del gas nobile che li precede. I non metalli che appartengono al V VI e VII gruppo tendono ad acquistare 3, 2 e 1 elettroni per assumere la configurazione elettronica del gas nobile che li segue.

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27 Appendice La configurazione elettronica degli elementi

28 Regole per stabilire la configurazione elettronica degli elementi Teoricamente il numero di strati è infinito; per gli elementi noti è stato individuato un numero massimo di 7 strati (o livelli o gusci) di elettroni intorno al nucleo Gli strati possono contenere un numero diverso di elettroni. Questo numero aumenta andando dallo strato più vicino al nucleo alla periferia. Gli elettroni degli strati più vicini al nucleo possiedono energie MINORI degli elettroni appartenenti agli strati più lontani dal nucleo. Gli elettroni si dispongono sempre negli strati di minor energia e riempiono questi prima di occupare posizioni più lontane dal nucleo a maggiore energia; soltanto l'ultimo strato può quindi essere incompleto.

29 Nella tabella sono indicati i numeri massimi di elettroni che possono occupare i primi quattro livelli. Questo numero può essere calcolato dalla formula: 2n 2 in cui n rappresenta il numero che contraddistingue il livello. Es: il livello numero 3 può contenere 2 x 9 =18 elettroni. livello n di elettroni

30 Da un'analisi più approfondita dei dati sperimentali in ogni livello sono stati individuati dei SOTTOLIVELLI che vengono indicati con le lettere s, p, d e f. Ciò significa che all'interno di un singolo livello non tutti gli elettroni possiedono la stessa energia (anche se le differenze fra di essi sono sicuramente minori che tra elettroni che occupano livelli differenti).

31 Riempimento elettronico dei sottolivelli Nel 1 livello esiste solamente il sottolivello s. Nel 2 livello esistono i sottolivelli s e p. Nel 3 livello esistono i sottolivelli s, p e d. Nel 4 livello e in tutti quelli successivi esistono i sottolivelli s, p, d e f. Il sottolivello s può contenere 2 elettroni, il sottolivello p ne può contenere 6, il sottolivello d ne può contenere 10 e quello f 14. All'interno di ogni livello l'energia dei sottolivelli cresce nell'ordine s, p, d, f e questo quindi è anche l'ordine con cui vengono riempiti

32 Esempio: proviamo a mettere in pratica le regole e a determinare la configurazione elettronica del boro L'elemento boro ha atomico 5 (Z=5). La sua configurazione elettronica può venire indicata nel seguente modo: 1s 2 2s 2 2p 1 I numeri scritti in grande rappresentano il livello, le lettere rappresentano i sottolivelli e gli esponenti delle lettere indicano il numero di elettroni presenti in quel sottolivello.

33 Primo livello: 1s 2 La configurazione elettronica del boro inizia col numero 1 perchè questo è il primo livello a riempirsi (essendo quello di minor energia). Dopo il numero 1 troviamo la lettera s perchè nel primo livello esiste solamente il sottolivello s ed il suo esponente è 2 perchè è riempito dai primi 2 elettroni.

34 Secondo livello (sottolivello s) 2s 2 Il 1 livello è pieno; passiamo al secondo. Ora dobbiamo scrivere 2 (perchè i sottolivelli che andiamo a riempire appartengono al 2 livello). Incontriamo di nuovo il sottolivello s che è quello a minore energia del suo strato, e si riempie con altri 2 elettroni (e questo numero lo mettiamo di nuovo come esponente).

35 Secondo livello (sottolivello p) 2p 1 L'ultimo elettrone rimasto (ne abbiamo sistemati 4 dei 5 che l'atomo di boro possiede) si posiziona nel sottolivello p; gli scriviamo davanti 2 per ricordarci a che livello appartiene e come esponente scriviamo il numero 1. Se facciamo la somma degli esponenti presenti nella configurazione elettronica otteniamo 5 che è il numero atomico del boro: siamo così sicuri di avere sistemato tutti gli elettroni dell'elemento Il boro ha il primo livello completo e possiede 3 elettroni nel 2 livello che per lui è il più esterno.

36 Il riempimento dei sottolivelli non avviene però sempre con la regolarità che abbiamo indicato perchè nei livelli più lontani dal nucleo le differenze di energia fra i diversi sottolivelli tendono a diminuire sempre più (e anzi in alcuni casi avvengono delle "sovrapposizioni" tra sottolivelli). Per poter stabilire le configurazioni elettroniche di tutti gli elementi chimici è però sufficiente seguire lo schema riportato sotto:

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