Bagatti, Corradi, Desco, Ropa. Chimica. seconda edizione

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1 Bagatti, Corradi, Desco, Ropa Chimica seconda edizione

2 Bagatti, Corradi, Desco, Ropa, Chimica seconda edizione Capitolo 4. Modelli e configurazione SEGUI LA MAPPA e distinguere di massa (A) Spettri 1

3 e distinguere di massa (A) Spettri La carica elettrica è una proprietà della materia che di solito non viene percepita dai nostri sensi; presenta due facce a cui sono stati attribuiti convenzionalmente termini e simboli semplici: carica elettrica positiva (+) e carica elettrica negativa ( ). Per strofinio alcuni corpi possono assumere temporaneamente una carica elettrica A B Le forze tra cariche elettriche dello stesso tipo (positive o negative) sono repulsive (figura A). Le forze tra cariche elettriche di tipo contrario sono attrattive (figura B). La legge di Coulomb consente di calcolare la forza, espressa in newton, che si manifesta tra cariche elettriche: F = k forza in newton (N) Q 1 Q 2 d 2 distanza in metri (m) carica in coulomb (C) Il valore della costante k nel vuoto, e per approssimazione anche nell aria, vale: 9, N m 2 /C 2 Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 1 Elettroni, protoni e neutroni 2

4 e distinguere di massa (A) Spettri e distinguere Gli elettroni (e ) sono le più piccole particelle con carica elettrica negativa che sono stabilmente presenti in tutti gli atomi. I protoni (p + ) sono le più piccole particelle con carica elettrica positiva che sono stabilmente presenti in tutti gli atomi I neutroni (n) sono particelle, presenti negli atomi, che non presentano carica elettrica. La massa del protone e del neutrone è quasi uguale, quella dell elettrone è molto più piccola. La carica dell elettrone e del protone ha lo stesso valore ma segno contrario. Valori di massa e carica delle particelle Massa Carica (kg) (u) (C) convenzionale elettrone ( e ) 9, , , protone ( p + ) 1, , , neutrone (n) 1, , Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 1 Elettroni, protoni e neutroni 3

5 e distinguere di massa (A) I tubi a raggi catodici rappresentati nelle figure hanno consentito di gli elettroni e i protoni. Spettri catodo anodo + + piccola differenza di potenziale raggi catodici (elettroni) elevata differenza di potenziale alla pompa da vuoto I raggi catodici che si generano hanno carica negativa e non cambiano anche se si cambia il metallo costituente il catodo e/o il gas contenuto nel tubo. i raggi catodici diretti verso l anodo urtano le particelle di gas, formando particelle positive chiamate raggi canale anodo raggi catodici (elettroni) raggi canale I raggi canale che si generano presentano una carica positiva che dipende dal gas contenuto nel tubo. Alla più piccola particella positiva fu dato il nome di protone. generatore di corrente elettrica alla pompa da vuoto + catodo i raggi canale, attratti dal catodo, colpiscono il fondo che diventa fluorescente Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 1 Elettroni, protoni e neutroni 4

6 e distinguere di massa (A) Il modello descrive l atomo come una specie di nuvola sferica con carica positiva diffusa in cui sono immersi corpuscoli di carica negativa. Spettri Rappresentazione dell esperimento : sorgente radioattiva di particelle α fascio rettilineo di particelle particelle deviate particelle respinte lamina sottile di oro la maggior parte delle particelle non viene deviata schermo fluorescente Le pochissime particelle (alfa) che vengono respinte trovano un ostacolo insormontabile, il nucleo, in cui è addensata tutta la carica positiva dell atomo. I risultati non sono compatibili con il modello. Thomson + Rutherford Secondo il modello di Thoms I risultati dell esperimento hanno consentito di elaborare il modello atomico. Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 2 Il modello atomico 5

7 e distinguere di massa (A) Spettri Il numero di protoni presenti nel nucleo degli atomi di un elemento ne rappresenta l identità chimica e si chiama numero. Il numero totale di neutroni e protoni, particelle dette anche nucleoni, si chiama numero di massa (A). di massa (A) Se si vuole conoscere il numero di neutroni in un atomo è sufficiente sottrarre ad A il valore Z. A Per esempio per il carbonio-12: numero di neutroni = Z 12 C 6 6 protoni 6 neutroni 6 elettroni Sono isotopi gli atomi di uno stesso elemento (uguale Z) che contengono un diverso numero di neutroni (diverso A). 1 1 H oppure H 2 1 H oppure idrogeno deuterio trizio D 3 1 H oppure T Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 2 Il modello atomico 6

8 e distinguere di massa (A) Spettri Si chiama radioattività il fenomeno per cui i nuclei di atomi di particolari elementi, chiamati radioisotopi, emettono radiazioni trasformandosi in nuclei di atomi diversi. 0 Gamma (γ) 0 γ 0 Beta (β) 1 e radiazioni radiazioni 4 Alfa (α) 2 He radiazioni carta piombo 0,5 cm Le radiazioni (gamma) sono certamente le più pericolose perché sono le più penetranti. piombo 10 cm Il tempo di (o emivita) indica il tempo necessario affinché una data massa di radioisotopo si dimezzi. Il grafico mostra il decadimento del trizio, un isotopo dell idrogeno la cui massa dimezza ogni 12,3 anni. Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 3 La radioattività quantità rimanente t = 0; 100 g t = 12,3 a; 50 g t = 24,6 a; 25 g t = 36,9 a; 12,5 g t = 49,2 a; 6,25 g numero di emivite 7

9 e distinguere di massa (A) Spettri Nelle reazioni gli atomi non si conservano e la formazione di nuovi nuclei è accompagnata da una diminuzione della massa. La trasformazione di massa in energia avviene secondo l equazione di Einstein. massa (kg) E = m c 2 energia (J) velocità della luce nel vuoto (3, m/s) Nelle reazioni di fusione due o più nuclei si uniscono per formare un nucleo più grande H + 1 H 2 He + 0 n + E Nelle reazioni di fissione un nucleo grande viene spezzato in nuclei più piccoli U + 0 n 36 Kr + 56 Ba n + E deuterio trizio elio neutrone energia prodotti di fissione neutroni Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 3 La radioattività 8

10 e distinguere di massa (A) Spettri Secondo il modello atomico gli elettroni si distribuiscono su orbite circolari quantizzate, cioè caratterizzate da precisi valori di energia. Spettri elettrone nucleo E 1 E 0 I passaggi di elettroni da un orbita a un altra prendono il nome di transizioni ; l insieme di tutte le radiazioni emesse a seguito dell costituisce lo spettro di emissione, caratteristico per ciascun elemento. cristallo di cloruro di sodio E 0 stato fondamentale E 1, E 2, E 3 stati eccitati E 3 E 2 stato eccitato Per tutte le radiazioni, lunghezza d onda (λ) e frequenza (f ) sono grandezze inversamente proporzionali e vale la seguente relazione: λ f = c dove c è la velocità della luce (nel vuoto vale 3, m/s) energia stato eccitato stato fondamentale Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 4 Il modello atomico 9

11 e distinguere di massa (A) Spettri L energia (Ei) è la minima energia sufficiente per sottrarre un elettrone a un atomo libero, cioè non legato ad altri atomi. di prima ionizzazione dei primi venti elementi Ei Negli atomi il numero di elettroni è uguale a quello dei protoni e quindi, sottraendo elettroni, si creano particelle con carica elettrica positiva chiamate cationi. Per esempio: N(g) + Ei e + N + (g) L analisi dei valori di tutte le energie di tutti gli atomi conferma la validità del modello atomico a livelli. Nel modello atomico a livelli gli elettroni occupano lo spazio attorno al nucleo disponendosi in livelli di energia che si trovano a precise e diverse distanze dal nucleo. Presentiamo gli aspetti fondamentali che caratterizzano questo modello. Gli elettroni in movimento si dispongono intorno al nucleo soltanto in ben precisi livelli di energia disposti a distanza crescente dal nucleo. I livelli di energia sono 7; ogni livello può contenere un numero massimo di elettroni come si vede nella Tabella 1. Gli elettroni di un atomo occupano i livelli energetici a partire dal primo e vanno Hnel Helivello Li Besuccessivo B C N solo O Fse i Ne precedenti Na Mg Alsono Si completi. P S Cl Ar K Ca Z Tabella 1 Livello massimo di elettroni L analisi dei valori di tutte le energie mostra che gli elettroni si dispongono in livelli di energia che Esercizi si trovano a 5precise L energia e diverse distanze dal nucleo. Nel modello atomico a livelli si individuano 1 Completa per la seguente gli elettroni frase. 7 livelli di energia; ogni livello può L energia di prima ionizzazione è l energia neces- contenere un numero massimo di elettroni come indicato nella tabella. saria per sottrarre un a un atomo libero. 2 L energia di prima ionizzazione del berillio è 899 kj/mol. Capitolo 4 Modelli e configurazione Correggi la seguente espressione relativa al processo: Lezione 5 L energia Be 2+ + e Be kj/mol 10

12 e distinguere di massa (A) Il modello atomico a orbitali individua le zone (orbitali) in cui è alta la probabilità di trovare l elettrone in movimento. Spettri Lo stato energetico di ogni elettrone è individuato da quattro numeri : numero quantico principale (n) numero quantico secondario (l) numero quantico magnetico (m) numero quantico di spin (m s ) 1s 2s 1 e 2 sono numeri principali p z z z x p y p z y y x x x y Il tipo di orbitale s, p, d, f è correlato al numero quantico secondario l. Il numero quantico magnetico descrive l orientazione nello spazio degli orbitali. m s = m s = 1 2 numero quantico di spin Principio di esclusione di Pauli: in un atomo non possono esistere due elettroni che abbiano uguali tutti e quattro i numeri. Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 6 Il modello atomico a orbitali 11

13 e distinguere di massa (A) In base al principio di Aufbau gli elettroni si distribuiscono negli orbitali partendo da quello a energia minore. Spettri La distribuzione degli elettroni negli atomi di sodio (Z = 11) può essere rappresentata in questo modo: 1s 2s 2p 3s e elettroni nell orbitale 1s, nel Le due frecce-elettrone con verso contrario nello stesso quadratino-orbitale simboleggiano i valori opposti di spin. La struttura o configurazione di un elemento può essere rappresentata riportando dopo il simbolo la successione degli orbitali con il relativo numero di elettroni. Per scriverla si può seguire l ordine di riempimento degli orbitali rappresentato in figura. Per esempio, per lo zinco (Z = 30) si scrive: 7s 6s 5s 4s 3s 2s 7p 6p 5p 4p 3p 2p 6d 5d 4d 3d 5f 4f Zn 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 10 1s Capitolo 4 Modelli e configurazione Lezione 6 Il modello atomico a orbitali 12

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