ATOMO. Legge della conservazione della massa Legge delle proporzioni definite Dalton

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1 Democrito IV secolo A.C. ATOMO Lavoisier Proust Legge della conservazione della massa Legge delle proporzioni definite Dalton (808) Teoria atomica Gay-Lussac volumi di gas reagiscono secondo rapporti interi e semplici 2 H 2 + O 2 2 H 2 O H 2 + Cl 2 2 HCl Avogadro Volumi uguali di gas contengono un ugual numero di MOLECOLE (N A ) Cannizzaro Determinazione dei PESI MOLECOLARI da densità relative dei gas (d rel = d A /d B = M A /M B ) e poi dei PESI ATOMICI

2 ATOMO ATOMO Raggio 0-0 m = Å NUCLEO (+) FORZE ELETTROSTATICHE PROTONI (+) FORZE NUCLEARI NEUTRONI ELETTRONI (-) CARICA MASSA (kg) PROTONE +,6 x 0-9 C (+e),673 x0-27 NEUTRONE 0,673 x0-27 ELETTRONE -,6 x 0-9 C (-e) 9, x0-3 N. ELETTRONI = N. PROTONI N. PROTONI N. ATOMICO (Z) N. PROTONI + N. NEUTRONI N.DI MASSA (A)

3 A Z 2 C 6 3 C 6 4 C 6 ISOTOPI UGUALE N. ATOMICO DIVERSO N. DI MASSA H 2 H = D 3 H = T 6 O 7 O 8 O % 99,762 0,038 0,20 abbondanza 0, , ,0020 isotopica relativa UNITA DI MASSA ATOMICA = /2 DELLA MASSA DI 2 C PESO ATOMICO = MASSA DELL ATOMO A /2 DELLA MASSA DI 2 C MISCELA ISOTOPICA PESO ATOMICO di un elemento = Σ i x i m i x i = abbondanza isotopica relativa m i = massa dell isotopo

4 MOLECOLA INSIEME DI ATOMI TENUTI INSIEME DA LEGAMI CHIMICI Es H 2 O 2 atomi H + atomo O H 2 SO 4 2 atomi H + atomo S + 4 atomi O PESO MOLECOLARE SOMMA DEI PESI ATOMICI MOLTIPLICATI PER I RISPETTIVI COEFFICIENTI STECHIOMETRICI PM H 2O = 2 x PA H +PA O = 2 x,008 +5,9999 = 8,05 8 u.m.a. PM H 2SO4 = 2 x PA H +PA S +4 x PA O = 2 x x6 = 98 u.m.a. MOLE PESO IN GRAMMI PARI A: a) GRAMMOATOMO IL PESO ATOMICO DELL ELEMENTO b) GRAMMOMOLECOLA IL PESO MOLECOLARE DEL COMPOSTO Una mole contiene un numero di particelle (atomi o molecole) pari al NUMERO DI AVOGADRO N = 6,022 x0 23 Esempio: mole di acqua (H 2 O) pesa 8 g; quante moli ci sono in un litro di acqua? litro Kg = 000 g n = g/pm = 000/8 = 55,5 moli g = n x PM

5 +n e - Atomo di Bohr: L energia dell elettrone è Modelli atomici Atomo di Rutherford (modello planetario) Gli elettroni si muovono intorno al nucleo secondo orbite circolari Problema: per le leggi della fisica questo sistema è instabile! L elettrone dovrebbe emettere energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e ricadere sul nucleo in 0 - s QUANTIZZATA Non può variare con continuità ma solo assumere alcuni valori

6 Atomo di Bohr ATOMO di IDROGENO Quantizzazione del momento angolare m. v. r = n. h n =, 2, 3. numero quantico 2π h = costante di Planck =6, J. s + e - r n = n 2. a 0 E n = - E 0 a n 2 n = stato fondamentale a 0 = 0,529 Å raggio di Bohr quantizzazione del raggio atomico r = a 0, 4a 0, 9a 0, 6a 0 quantizzazione dell energia E n = - E 0, - E 0 /4, - E 0 /9, - E 0 /6 n > stati eccitati E = -E 0 ( - ) variazione di energia per l elettrone n 2 2 n 2 che passa da un livello n ad un livello n 2 ATOMI IDROGENOIDI E n = - Z 2. E 0 a n 2

7 MECCANICA QUANTISTICA DE BROGLIE DUPLICE NATURA (CORPUSCOLARE e ONDULATORIA) della MATERIA FOTONE ONDA PARTICELLA ELETTRONE e - nλ = 2πr n h = 2πr mv PARTICELLA ONDA mvr = nh 2π λ = h mv HEISENBERG PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (mv). x h a v. x h a E. t h a 4π 4πm 4π e -

8 FUNZIONI D ONDA Ψ = Ψ(x,y,z) Funzione matematica che descrive il comportamento dell elettrone. funzione d onda Ψ ENERGIA DENSITA DI PROBABILITA Ψ 2 Ψ 2 dv probabilità di trovare l elettrone nell elemento di volume dv ATOMO DI IDROGENO FUNZIONI D ONDA ORBITALI Ψ(x,y,z) = Ψ n,l,m n, l, m numeri quantici Principale n =, 2, 3,.. Secondario l = 0,,..n- n valori di l Magnetico m = +l, (l-),0, -l 2l+ valori di m n determina l energia degli orbitali E n = - E 0 /n 2 l, m determinano la forma e l orientamento degli orbitali Meccanica CLASSICA ORBITA Meccanica QUANTISTICA ORBITALE

9 l 0 s p 2 d 3 f n valori di l 2l+ valori di m n 2 orbitali n l m ψ n,l,m Orbitale N tot 0 0 ψ,0,0 s ψ 2,0,0 2s 4 -, 0, + ψ 2,,- ;ψ 2,,0 ; ψ 2,, 2p ψ 3,0,0 3s 3 -, 0, + ψ 3,,- ; ψ 3,,0 ; ψ 3,, 3p ,-, 0, +,+2 ψ 3,2,-2 ; ψ 3,2,- ; ψ 3,2,0 ; ψ 3, 2, ; ψ 3,2,2 3d ψ 4,0,0 4s 4 -, 0, + ψ 4,,- ; ψ 4,,0 ; ψ 4,+, 4p ,-, 0, +,+2 ψ 4,2,-2 ; ψ 4,2, - ; ψ 4,2,0 ; ψ 4,2, ; ψ 4,2,2 4d 5 3-3,-2,-, 0, +,+2, +3 ψ 4,3,-3 ; ψ 4,3,-2 ; ψ 4,3,- ; ψ 4,3,0 ; ψ 4,3, ; ψ 4,3,2 ; ψ 4,3,3 4f 7

10 n=, l=0 Ψ,0,0 = Ψ s Orbitale s s ψ 2 DENSITA' DI PROBABILITA' ψ 2 2πr 2 PROBABILITA' RADIALE n=2 l=0 Ψ 2,0,0 = Ψ 2s r a 0 r s 2s

11 n=2 l=0 m=0 Ψ 2s n= 2 l= m =0, ± Ψ 2p ψ 2,,- ; ψ 2,,0 ; ψ 2,, 3 ψ px ψ pz ψ py n 2 =4 z y z y z y x x x p x p y p z

12 n= 3 l=0 m=0 Ψ 3s n 2 =9 n= 3 l= m =0, ± Ψ 3p 3 n= 3 l= 2 m =0, ±, ± 2 Ψ 3d 5 y z z x x y d xy d xz d yz y z x d x 2 -y 2 y d z 2 x

13 n= 4 l=0 m=0 Ψ 4s n 2 =6 n= 4 l= m =0, ± Ψ 4p 3 n= 4 l= 2 m =0, ±, ± 2 Ψ 4d 5 n= 4 l= 3 m =0, ±, ± 2, ± 3 Ψ 4f 7 Ψ 4f 8 lobi

14 Riepilogo -n numero quantico principale n =, 2, 3 energia E= -E 0 Determina n 2 dimensioni per ogni valore di n ci sono n 2 orbitali - l numero quantico secondario l = 0,, 2 n- determina la forma degli orbitali Per ogni n, può assumere l valori -m numero quantico magnetico m = 0, ±, ± 2 ± l determina la direzione degli orbitali Per ogni l, può assumere (2l + ) valori -m s numero quantico di spin ms = ± /2 determina il verso di rotazione dell elettrone su se stesso

15 ATOMI POLIELETTRONICI Impossibile risolvere esattamente l equazione di Schroedinger Soluzione con metodi approssimativi Ψ n,l,m Forma degli orbitali come per l atomo di idrogeno Energia degli orbitali dipende da n,l Carica nucleare Z Effetto di schermo (elettroni su orbitali più interni) Carica nucleare efficace Z eff RIEMPIMENTO DEGLI ORBITALI -Principio di Aufbau -Principio di esclusione di Pauli -Principio della massima molteplicità

16 s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f< 5d<6p<7s<5f Z s 2 H He s s 2 I periodo Z 3 Li [He] 2s 2s 2p 4 Be [He] 2s 2 5 B [He] 2s 2 2p II periodo 6 C [He] 2s 2 2p 2 7 N [He] 2s 2 2p 3 8 O [He] 2s 2 2p 4 9 F [He] 2s 2 2p 5 0 Ne [He] 2s 2 2p 6

17 Z 3s 3p III periodo Na [Ne] 3s 2 Mg [Ne] 3s 2 3 Al [Ne] 3s 2 3p 4 Si [Ne] 3s 2 3p 2 5 P [Ne] 3s 2 3p 3 6 S [Ne] 3s 2 3p 4 7 Cl [Ne] 3s 2 3p 5 8 Ar [Ne] 3s 2 3p 6 IV periodo Riempimento orbitali d: elementi di transizione Riempimento orbitali f: terre rare

18 PROPRIETA PERIODICHE DEGLI ELEMENTI POTENZIALE DI IONIZZAZIONE M (g) + I M + (g) + e- I potenziale di prima ionizzazione M + ione (catione) monovalente M + (g) + I 2 M2+ (g) + e- I 2 potenziale di seconda ionizzazione M 2 + catione bivalente AFFINITA ELETTRONICA A e X (g) + e - X - (g) + A e A e negativa X - anione METALLI I basso A e bassa NON METALLI I alto A e alta (fortemente negativa) I cresce al crescere del gruppo decresce al crescere del periodo A e cresce (diventa più negativa) al crescere del gruppo decresce al crescere del periodo ELETTRONEGATIVITA I

19 I II III IV V VI VII VII s s 2 p s 2 p 3 s 2 p 5 s 2 p 6 s 2 s 2 p 2 s 2 p 4 Riempimento orbitali d Riempimento orbitali f

20 Proprietà fisiche Proprietà chimiche