Struttura dell Atomo

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1 LM85-bis Scienze della formazione primaria Struttura dell Atomo Prof. Federico Teloni Elementi di Chimica A. A

2 Materia e Particelle Definiamo materia tutto ciò che ha massa e occupa spazio. La materia ha natura particellare. Gli atomi sono i mattoni della materia e di tutto l universo.

3 Materia e cariche elettriche Tutta la materia è fatta di particelle cariche. Un oggetto neutro ha eguali particelle positive e negative Se non sono eguali l oggetto si carica (es. pettine) Effetto di particelle cariche Effetto di un campo magnetico su particelle cariche

4 Scoperta dei raggi catodici Faraday ( ) scoprì i raggi catodici emessi dal catodo, che viaggiano verso l anodo, applicando un voltaggio tra due elettrodi in un tubo vuoto: Stoney (1874) propose per i raggi catodici il nome di elettroni.

5 Raggi catodici (elettroni) Thomson (1897) stabilì il rapporto massa/carica dei raggi catodici essi sono particelle fondamentali, cariche negativamente, presenti in tutti i tipi di atomi (indipendenti dalla composizione del catodo). Elettrone m/e = g coulomb -1

6 Carica dell Elettrone Nel R. Millikan mostrò che gocce di olio ionizzate possono essere bilanciate da un campo elettrico contro la spinta della forza di gravità. La carica delle gocce è un multiplo intero della carica dell elettone.

7 Massa dell Elettrone Combinando il valore della carica dell elettrone con il rapporto massa su carica trovato da J. J. Thomson fu possibile ricavare la massa dell elettrone: m = x g Nel primo modello atomico proposto da Thomson, detto «plum pudding», si ipotizzava che gli elettroni fossero come «immersi» in una massa gelatinosa di carica positiva.

8 Scoperta della radioattività La Radioattività è l emissione spontanea di radiazione da una sostanza. I raggi X e sono radiazioni luminose ad elevata energia. Le particelle sono un fascio di nuclei di elio, He 2+. Le particelle sono un fascio di elettroni ad alta velocità che si originano dal nucleo. Le radiazioni emesse da sostanze radioattive costituirono un potente strumento per lo studio della struttura dell atomo: erano come dei «proiettili» con cui colpire gli atomi.

9 L Atomo Nucleare Geiger e Rutherford (1909) studiano la composizione interna degli atomi (sottilissima lamina di oro) usando un raggio di particelle emesse dal Radio.

10 L esperimento delle Particelle attese di Rutherford in base al modello atomico di Thomson gran parte della massa e tutta la carica positiva sono concentrate in una piccola regione detta nucleo Ci sono tanti elettroni al di fuori del nucleo quante sono le unità di carica positiva nel nucleo stesso.

11 Scoperta dei neutroni Se le particelle del polonio incidevano su nuclei di elementi leggeri, specificatamente berillio, boro e litio, veniva prodotta una radiazione particolarmente penetrante. Ripetendo l esperimento su altre sostanze elementari, veniva sempre prodotta la stessa radiazione. James Chadwick nel 1932 dimostrò che la radiazione penetrante era costituita da particelle neutre dotate di massa all incirca uguale a quella dei protoni. La scoperta dei neutroni permise di spiegare l esistenza degli isotopi, scoperti in precedenza da Thomson.

12 Scoperta degli isotopi Contrariamente a quanto Dalton pensava, non tutti gli atomi di un elemento hanno la stessa massa. Nel 1912 Thomson aveva scoperto che il Neon è formato da 3 isotopi: 20 Ne (90.51%), 21 Ne (0.27%), 22 Ne (9.22%) Isotopi = atomi di un elemento con lo stesso numero di protoni, ma con un differente numero di neutroni.

13 L idrogeno è l unico elemento per il quale sono stati assegnati dei nomi specifici ai tre differenti isotopi Isotopi Si definiscono isotopi gli atomi di uno stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni, ma differente numero di neutroni Gli atomi più pesanti hanno in genere un numero maggiore di isotopi, ad esempio 6 isotopi per K e 11 isotopi per Ca:

14 Proprietà degli Isotopi 1 H 2 D ghiaccio ghiaccio pesante Gli isotopi di un elemento hanno le stesse proprietà chimiche ma differenti proprietà fisiche: 3 T acqua acqua pesante ghiaccio acqua acqua ghiaccio pesante ghiaccio pesante

15 Isotopi e Stabilità Nucleare La stabilità di un dato nucleo dipende dal rapporto tra numero di neutroni e protoni. Tale rapporto varia con numero atomico Z: Per Z < 20 il rapporto è circa 1, poi aumenta fino a circa 1.5 arrivando a Z = 82 (Pb). Gli isotopi instabili decompongono (decadimento radioattivo) emettendo radiazioni e trasmutando in altri nuclei.

16 Struttura dell Atomo Nucleare Rutherford protoni 1919 Chadwick neutroni 1932 L atomo è elettricamente neutro, sferico e composto da un nucleo centrale positivo circondato da elettroni carichi negativamente. Il nucleo atomico consiste di protoni e neutroni.

17 Numero Atomico Z Il numero atomico Z rappresenta il numero di protoni nel nucleo Per atomi elettricamente neutri il numero di protoni è uguale al numero di elettroni.

18 Numero di Massa A Il numero di massa A è il numero di protoni e di neutroni nel nucleo (anche detti nucleoni) X = simbolo atomico dell elemento A = numero di massa; A = Z + N Z = numero atomico (il numero di protoni nel nucleo) N = numero di neutroni nel nucleo Un differente numero di neutroni produce diversi ISOTOPI per uno stesso elemento.

19 Isotopi Gli isotopi sono atomi di un elemento con lo stesso numero di protoni, ma con diverso numero di neutroni. Gli isotopi hanno lo stesso numero atomico, ma diverso numero di massa.

20 Dimensioni e Masse degli Atomi Unità utili : 1 u (unità di massa atomica) = kg 1 pm (picometro) = m 1 Å (Angstrom) = m = 100 pm = cm che cosa è «u»?

21 Unità di Massa Atomica I chimici non potevano pesare direttamente un atomo, quindi hanno definito in maniera arbitraria una unità di massa atomica Ad 1 atomo di carbonio contenente 6 protoni e 6 neutroni è stata assegnata arbitrariamente una massa esatta di 12 u. 1/12 della massa di un atomo di 12 C corrisponde ad 1 u Le masse delle particelle atomiche fondamentali sono espresse in u (Dalton Da, uma o amu) 1u (1 Da = 1amu = 1uma) = 1.661x10-27 Kg = 1.661x10-24 g

22 E gli Elettroni? Modelli successivi della localizzazione degli elettroni negli atomi:

23 Emissione Luminosa di Atomi Eccitati luce emessa da una scarica elettrica attraverso gas He litio sodio potassio luce emessa da una scarica elettrica attraverso gas H 2 luce emessa quando composti di metalli alcalini sono eccitati in una fiamma a gas

24 Spettri Atomici a Righe Idrogeno gassoso (H 2 ) viene dissociato negli atomi H ed eccitato da una scarica elettrica. La luce, emessa dagli atomi H eccitati, attraversa una fenditura e un prisma, che disperde la radiazione emessa nelle lunghezze d onda componenti. Gli atomi eccitati si liberano dell energia eccedente emettendo una radiazione elettromagnetica a lunghezze d onda ben definite; in seguito, si ricombinano formando nuovamente molecole H 2.

25 Modello Atomico di Bohr Per la fisica classica gli elettroni verrebbero attratti dal nucleo, con un moto accelerato, irradiando energia, avvicinandosi ad esso con moto a spirale, fino a raggiungerlo atomo instabile? Ipotesi di Bohr 1. l elettrone si muove in orbite circolari attorno al nucleo (corrispondenti a certi livelli energetici permessi detti stati stazionari) 2. l elettrone possiede solo una serie fissa di orbite (stati stazionari) (energia dell elettrone costante, senza emissione di radiazione energetica) 3. L elettrone può passare da un orbita permessa ad un altra assorbendo (o emettendo) quantità fisse di energia (fotoni)

26 Modello Atomico a Gusci Il modello atomico a gusci può essere confermato dall analisi dell energia di ionizzazione, cioè l energia necessaria a strappare gli elettroni dall atomo, ionizzandolo: Questa rappresentazione scaturisce dall esame della variazione delle energie di progressiva ionizzazione dei vari atomi al crescere del numero atomico.

27 Energie di Ionizzazione L energia di ionizzazione è l energia richiesta per la rimozione completa di di elettroni da atomi o ioni gassosi. Be (g) Be + (g) + e - EI 1 = 0.90 MJ/mol Be + (g) Be +2 (g) + e - EI 2 = 1.76 MJ/mol Be +2 (g) Be +3 (g) + e - EI 3 = MJ/mol EI 1 = Energia di prima ionizzazione, sempre positiva o endotermica poiché l energia deve essere ceduta all atomo per rimuovere l elettrone più esterno. EI 2 = Energia di seconda ionizzazione, sempre maggiore di quella di prima ionizzazione. EI 3 = Energia di terza ionizzazione, sempre maggiore di quella di seconda ionizzazione...

28 Energie di Ionizzazione

29 Ionizzazioni Successive L aumento delle energie di ionizzazione successive non è però regolare, perché ciascun elettrone viene rimosso da uno ione con carica positiva sempre maggiore: aumento dell energia di ionizzazione per gli elettroni dei gusci interni completi

30 Energie di Ionizzazione Dove trovare i valori delle energie di ionizzazione successive degli elementi? Vedi sito: fino a Z = 21 (Zn) sono tutte note per Z > 21 sono note solo per gli elettroni più esterni

31 Energie di Ionizzazione Cosa otteniamo se costruiamo un grafico della radice quadrata delle energie di ionizzazione in funzione del numero atomico Z dei primi 42 elementi?

32 Modello a Gusci di Elettroni (1) Le energie di ionizzazione si raggruppano in una serie di fasce, separate l una dall altra da una grande gap di energia, poiché la distanza di un elettrone dal nucleo è tanto minore quanto maggiore è l energia che lo lega al nucleo stesso modello a gusci di elettroni. gusci di elettroni

33 Differenze tra Elettroni ns e np (2) all interno di ciascuna fascia il gap tra i primi due elettroni (elettroni ns) rispetto agli altri (elettroni np) è maggiore rispetto a quelli tra gli elettroni stessi gli elettroni ns sono legati con maggior forza rispetto agli altri. elettroni ns più fortemente legati al nucleo

34 Posizione degli Elettroni nd (3) La banda da Z = 19 (K) fino a Z = 30 (Zn) arriva a contenere 12 valori. Dallo zinco in poi si osserva un gap tra i primi 10 e i 2 successivi vi è un gruppo di 10 elettroni nd con energie di ionizzazione tra quelle degli elettroni 3p e degli elettroni 4s. elettroni nd con EI tra i 3p ed i 4s

35 Modello Atomico a Gusci Il modello a gusci può quindi essere ricavato deduttivamente ragionando sulla distribuzione dei livelli energetici. Il modello atomico a gusci è però parziale, poiché esso rappresenta in modo eccellente la distribuzione radiale degli elettroni, ma NON la loro distribuzione angolare. La distribuzione angolare diventa importante soprattutto nella razionalizzazione dei legami chimici e delle strutture molecolari. distribuzione radiale degli elettroni

36 Livelli Elettronici dell Atomo Il riempimento dei livelli elettronici, all aumentare del numero atomico (cioè del numero di protoni nel nucleo) procede dal livello ad energia inferiore verso energie progressivamente superiori. A parte il livello 1, gli altri (dal livello 2 in poi) sono costituiti da sottolivelli (indicati con le lettere s, p, d ed f). Gli elettroni del livello più esterno incompleto contribuiscono alla reattività chimica degli atomi.

37 Livelli Incompleti e Reattività Gli atomo di elementi con LIVELLI COMPLETI sono NON REATTIVI: Gli atomo di elementi con LIVELLI INCOMPLETI sono REATTIVI: