Chimica. Lezione 1. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

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1 Chimica Lezione 1 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

2 Prof. Roberto Paolesse Dip. Scienze e Tecnologie Chimiche Università di Roma "Tor Vergata" Via della Ricerca Scientifica Roma, Italia Tel: Fax: roberto.paolesse@uniroma2.it 2

3 Esami: Sessione Invernale 06/02/ /03/2012 Sessione Estiva 02/07/ /07/2012 Sessione Autunnale 03/09/ /09/2012 Due esami per sessione 3

4 L esame consiste in una prova scritta ed in una prova orale Si è ammessi all orale se si supera la prova scritta (voto 18) E possibile partecipare a qualunque sessione di esame La prova scritta è composta da cinque esercizi numerici 4

5 Se si vuole sostenere la prova scritta, è necessario iscriversi online sul sito web: delphi.uniroma2.it 5

6 Tutte le informazioni relative al corso (programma, slide delle lezioni, esercizi, comunicazioni, ecc. ecc.) si trovano sul sito: 6

7 Libro di testo: Brown - Lemay - Bursten Murphy: Fondamenti di Chimica 2 edizione ISBN: Edises 7

8 Lo studio della Chimica Macroscopico Microscopico 8

9 Il Metodo Scientifico è un approccio sistematico alla ricerca: Un ipotesi è un tentativo di spiegazione di un certo numero di osservazioni sperimentali tested modified 9

10 Una legge esprime una relazione fra fenomeni che avvengono nella stessa maniera sotto le stesse condizioni. Forza = massa x accelerazione Una teoria esprime un principio unificante che spiega un insieme di osservazioni o leggi basate su queste. Atomic Theory 10

11 La Chimica è lo studio della materia e delle sue trasformazioni Materia è tutto ciò che occupa spazio ed ha una massa propria. Una sostanza è quella forma della materia che ha composizione e proprietà definite. Azoto liquido Lingotti di oro Cristalli di silicio 11

12 Un miscuglio è una combinazione di due o più sostanze in cui queste mantengono le relative identità. 1. Miscugli omogenei composizione costante del miscuglio. bibita, latte, lega 2. Miscugli eterogenei la composizione non è uniforme in tutto il miscuglio. cemento, polvere di ferro nella sabbia 12

13 Metodi fisici possono essere usati per separare il miscuglio nei suoi componenti. distillazione magnete 13

14 Un elemento è una sostanza che non può essere separata in sostanze più semplici mediante metodi chimici. 117 elementi sono stati identificati 82 elementi sono presenti sulla Terra oro, alluminio, piombo, ossigeno, carbonio, zolfo 35 elementi sono stati sintetizzati artificialmente tecnezio, americio, seaborgio 14

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16 Un composto è una sostanza formata da atomi di due o più elementi uniti chimicamente secondo proporzioni fisse. I composti possono essere separati nei loro elementi costitutivi solo tramite metodi chimici. Fluoruro di litio quarzo Ghiaccio secco CO 2 16

17 Classificazioni della Materia 17

18 Teoria Atomica di Dalton (1808) 1. Gli Elementi sono costituiti da particelle estremamente piccole chiamate atomi. 2. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici, con le stesse dimensioni, massa e proprietà chimiche. Gli atomi di un elemento sono diversi dagli atomi di tutti gli altri elementi. 3. I Composti sono formati da atomi di più di un elemento. In tutti i composti, il rapporto dei numeri degli atomi degli elementi presenti è un numero intero o una semplice frazione. 4. Una reazione chimica comporta solo la separazione, combinazione, o riarrangiamento di atomi; non comporta la loro creazione o distruzione. 18

19 + Legge di Conservazione di Massa 19

20 Tubo a raggi catodici J.J. Thomson, misura di massa/carica di e - (1906 Premio Nobel in Fisica) 20

21 Tubo a raggi catodici 21

22 Esperimento di Millikan Misura della massa di e - (1923 Premio Nobel in Fisica) e - charge = x C Thomson s charge/mass of e - = x 10 8 C/g e - mass = 9.10 x g 22

23 Tipi di Radioattività (uranium compound) 23

24 Modello di Thomson 24

25 Esperiment di Rutherford (1908 Premio Nobel in Chimica) α particle velocity ~ 1.4 x 10 7 m/s (~5% speed of light) 1. la carica positiva degli atomi è concentrata nel nucleo 2. Il protone (p) ha carica opposta (+) all elettrone (-) 3. La massa di p è 1840 volte la massa di e - (1.67 x g) 25

26 Modello dell Atomo di Rutherford atomic radius ~ 100 pm = 1 x m nuclear radius ~ 5 x 10-3 pm = 5 x m Se l atomo fosse grande come uno Stadio, allora il nucleo sarebbe una pallina da golf nel cerchio di 26 centrocampo.

27 Esperimento di Chadwick (1932) (1935 Premio Nobel in Fisica) atomi H - 1 p; atomi He - 2 p massa He/massa H teorica = 2 massa He/massa H misurata = 4 α + 9 Be 1 n + 12 C + energia neutrone (n) è neutro (carica = 0) n massa ~ p massa = 1.67 x g 27

28 massa p massa n 1840 x massa e - 28

29 Proprietà delle Onde Lunghezza d onda (λ) è la distanza fra punti identici di onde successive. Ampiezza è la distanza verticale fra il picco di un onda e la sua intersezione con l asse delle ascisse. Frequenza (ν) è il numero di onde che passa in un punto particolare in 1 secondo (Hz = 1 ciclo/s). La velocità (u) dell onda = λ x ν 29

30 Maxwell (1873), propose che la luce visibile fosse costituita di onde elettromagnetiche. La radiazione elettromagnetica è l emissione e la trasmissione di energia in forma di onde elettromagnetiche. Velocità della luce (c) nel vuoto = 3.00 x 10 8 m/s Tutte le radiazioni elettromagnetiche λ x ν = c 30

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32 Mistero #1, Problema dei Solidi Riscaldati Risolto da Planck in 1900 Quando i solidi sono riscaldati, emettono radiazioni elettromagnetiche che coprono un ampia gamma di lunghezze d onda. L energia radiante emessa da un oggetto ad una certa temperatura dipende dalla sua lunghezza d onda. L Energia (luce) è emessa o assorbita in unità discrete (quanto). E = h x ν Planck s constant (h) h = 6.63 x J s 32

33 Mystero #2, Effetto Fotoelettrico Risolto da Einstein in 1905 hν La Luce ha caratteristiche sia: 1. onda 2. particella KE e - Fotone è una particella di luce hν = KE + W KE = hν - W dove W è la funzione lavoro e dipende da quanto sono fortemente legati gli elettroni nel metallo 33

34 Lo Spettro di Emissione a righe degli atomi di Idrogeno Hydrogen 34

35 Il modello di Bohr

36 Modello di Bohr dell Atomo (1913) 1. e - può assumere solo specifici (quantizzati) valori di energia 2. la luce è emessa quando e - passa da un livello energetico ad un altro 1 E n = -R H ( ) n 2 n (principal quantum number) = 1,2,3, R H (Rydberg constant) = 2.18 x J 36

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41 E = hν E = hν 41

42 n i = 3 n i = 2 n i = 3 n f = 2 E photon = ΔE = E f - E i 1 E f = -R H ( ) nf 2 1 E i = -R H ( ) ni 2 1 ΔE = R H ( ) ni 2 1 n 2 f n f f = 1 42

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45 Perchè l energia di e - è quantizzata? De Broglie (1924) propose per e - la natura sia di onda che di particella. 2πr = nλ λ = h mu u = velocity of e- m = mass of e- 45

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49 L equazione d onda di Schrodinger In 1926 Schrodinger scrisse un equazione che descriveva sia la natura di onda e particella di e - La funzione d onda (ψ) descrive: 1. energia di e - per una data ψ 2. probabilità di trovare e - in un volume di spazio L equazione di Schrodinger può essere risolta esattamente solo per l atomo di idrogeno. Per atomi polielettronici bisogna utilizzare soluzioni approssimate. 49

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51 Equazione d onda di Schrodinger ψ è una funzione di quattro numeri chiamati numeri quantici (n, l, m l, m s ) numero quantico principale n n = 1, 2, 3, 4,. La distanza di e - dal nucleo n=1 n=2 n=3 51

52 Il 90% della densità di e - dell orbitale 1s 52

53 Equazione d onda di Schrodinger Numeri quantici : (n, l, m l, m s ) numero quantico del momento angolare l per un dato valore di n, l = 0, 1, 2, 3, n-1 n = 1, l = 0 n = 2, l = 0 or 1 n = 3, l = 0, 1, or 2 l = 0 l = 1 l = 2 l = 3 orbitale s orbitale p orbitale d orbitale f Forma del volume di spazio occupata da e - 53

54 l = 0 (s orbitals) l = 1 (p orbitals) 54

55 l = 2 (d orbitals) 55

56 Equazione d onda di Schrodinger numeri quantici : (n, l, m l, m s ) Numero quantico magnetico m l per un dato valore di l m l = -l,., 0,. +l se l = 1 (orbitale p), m l = -1, 0, o 1 se l = 2 (orbitale d), m l = -2, -1, 0, 1, o 2 orientazione dell orbitale nello spazio 56

57 m l = -1, 0, or 1 3 orientations is space 57

58 m l = -2, -1, 0, 1, or 2 5 orientations is space 58

59 Equazione d onda di Schrodinger (n, l, m l, m s ) numero quantico di spin m s m s = +½ o -½ m s = +½ m s = -½ 59

60 Equazione d onda di Schrodinger numeri quantici: (n, l, m l, m s ) L esistenza (e l energia) dell elettrone nell atomo è descritta dall unica funzione d onda ψ. Principio di esclusione di Pauli non possono coesistere in un atomo due elettroni aventi gli stessi quattro numeri quantici. Ciascun posto è identificato univocamente (E, R12, S8) Ciascun posto può ospitare solo un idividuo per volta 60

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63 Equazione d onda di Schrodinger numeri quantici: (n, l, m l, m s ) Cella elettroni con lo stesso valore di n Livello elettroni con lo stesso valore di n ed l Orbitale elettroni con lo stesso valore di n, l, ed m l Quanti elettroni sono presenti in un orbitale? Se n, l, and m l sono fissati, allora m s = ½ o - ½ ψ = (n, l, m l, ½) o ψ = (n, l, m l, -½) Un orbitale può contenere 2 elettroni 63

64 Quanti orbitali 2p ci sono in un atomo? n=2 2p l = 1 se l = 1, allora m l = -1, 0, or +1 3 orbitali Quanti elettroni possono essere posti in un livello 3d? n=3 3d Se l = 2, allora m l = -2, -1, 0, +1, or +2 5 orbitali possono contenere un totale di 10 e - l = 2 64

65 Energia degli orbitali in un atomo monoelettronico L Energia dipende solo dal numero quantico principale n n=3 n=2 1 E n = -R H ( ) n 2 n=1 65

66 Energia degli orbitali in un atomo poli-elettronico L Energia dipende da n ed l n=3 l = 2 n=3 l = 0 n=2 l = 0 n=3 l = 1 n=2 l = 1 n=1 l = 0 66

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68 Aufbau principle?? B 1s 2 2s 2 2p 1 Be 1s 2 2s 2 Li 1s 2 2s 1 B 5 electrons Be 4 electrons Li 3 electrons H 1 electron H 1s 1 He 2 electrons He 1s 2 68

69 L arrangiamento più stabile di elettroni in un livello è quello con il maggior numero di spin paralleli (Principio di Hund). 69

70 Ordine di riempimento di orbitali in un atomo poli-elettronico 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s 70

71 La configurazione elettronica descrive come gli elettroni sono distribuiti nei vari orbitali atomici in un atomo. numero quantico principale n 1s 1 numero di elettroni nell orbitale o livello numero quantico momento angolare l Diagramma orbitalico H 1s 1 71

72 Qual è la configurazione elettronica del Mg? Mg 12 electrons 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s 1s 2 2s 2 2p 6 3s = 12 electrons Abbreviated as [Ne]3s 2 [Ne] 1s 2 2s 2 2p 6 Quali sono i possibili numeri quantici per gli ultimi (più esterni) elettroni in Cl? Cl 17 electrons 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Last electron added to 3p orbital 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s = 17 electrons n = 3 l = 1 m l = -1, 0, or +1 m s = ½ or -½ 72

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78 Outermost subshell being filled with electrons 78

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80 Paramagnetico elettroni spaiati Diamagnetico tutti elettroni accoppiati 2p 2p 80