ORBITALI E CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI ELEMENTI

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1 ORBITALI E CARATTERISTICHE CHIMICHE DEGLI ELEMENTI Nelle reazioni chimiche gli atomi reagenti non cambiano mai la loro natura ( nucleo ) ma la loro configurazione elettronica. Nello specifico ad interagire nelle reazioni sono sempre gli elettroni gravitanti sull orbitale più esterno. Si ricorda inoltre che per orbitale non deve essere inteso come livello energetico, in quanto i livelli energetici esterni a loro volta possono ospitare diversi orbitali, anche di diversa forma. Un orbitale atomico descrive il comportamento di un elettrone in un atomo. E La zona con più alta probabilità di trovare l'elettrone in una precisa zona di spazio attorno al nucleo dell atomo. esempi e forme degli orbitali atomici. Regola dell ottetto : tutti gli elementi tendono a completare gli orbitali atomici con un numero di elettroni pari a 8. gli orbitali con un numero di elettroni inferiore si completano in diverse modalità interagendo chimicamente con quelli di un altro atomo nelle vicinanze. Esempio : si osservino i due elementi ; il carbonio ha 4 elettroni sull orbitale esterno, mentre l ossigeno ne ha 6. Il diossido di carbonio, meglio conosciuto come anidride carbonica ( una sostanza aeriforme che troviamo sempre presente ad esempio nell aria, o in tutte quelle bevande che sviluppano bollicine, etc..) è formato da un atomo di carbonio e 2 atomi di ossigeno, che dispongono i loro elettroni secondo il seguente modello: si noti che ogni orbitale esterno di ogni elemento conta in totale 8 elettroni, ma alcuni di essi sono condivisi con l elemento accanto. 1

2 La tavola periodica degli elementi è un prospetto che elenca tutti gli elementi conosciuti in chimica secondo un ordinamento crescente del numero Z, ovvero il numero atomico ( protoni nel nucleo ). in essa viene poi indicato per ogni elemento una serie di numeri ( nella parte destra in alto di ogni riquadro di ogni elemento ) posti uno sotto l altro : essi sono il numero di elettroni disposti su ogni orbitale e il tipo di orbitale. Sotto il nome di ogni elemento viene indicata la massa assoluta atomica di ogni elemento ( che approssimativamente è ottenuta dal peso di un nucleone per il numero di nucleoni presenti nel nucleo, ovvero protoni più neutroni ). In alcuni tipi di tavole può essere invece indicato al posto della massa atomica il numero di massa A ( numero di nucleoni ), come possono essere indicati altri valori corrispondenti ad altre determinate caratteristiche dell elemento. REAZIONI CHIMICHE Una reazione chimica è una trasformazione della materia che avviene senza variazioni misurabili di massa, in cui una o più specie chimiche (dette "reagenti") modificano la loro struttura e composizione originaria per generare altre specie chimiche (dette prodotti ). REAGENTI PRODOTTI (+ O - ENERGIA) 2

3 le trasformazioni della materia che avvengono per via di reazioni chimiche, possono avvenire spontaneamente al contatto di due elementi ( si pensi ad esempio alla formazione di ruggine dall incontro di ferro e ossigeno che forma l ossido di ferro ) oppure con conferimento o sottrazione di energia ( termica meccanica etc ); le prime si chiamano reazioni spontanee, mentre le seconde sono reazioni controllate o di laboratorio. In termini di atomi, in chimica tutte le reazioni danno come prodotto la stessa quantità di atomi che si aveva nei reagenti. Questa viene definita come legge di conservazione della massa o legge di Lavoisier. 3

4 quello che viene a modificarsi, è il tipo di legame che esiste fra gli atomi e fra quali atomi. ne deriva che la rottura o il formarsi di legami comporta il conferimento o il rilascio di energia; va da se che più è elevato il livello energetico di un elemento, più elevata sarà la quantità di energia conferita o rilasciata. i legami chimici che avvengono fra atomi della stessa molecola più comuni sono il legame covalente ( che avviene fra non metalli ); quando avviene per condivisione di elettroni il legame ionico ( fra un metallo e un non-metallo ); quando avviene per trasferimento di elettroni il legame metallico ( fra metalli ); quando si formano nubi elettroniche che messe in comune tengono insieme gli ioni positivi di un elemento il legami che avvengono invece fra molecole sono di intensità energetica minore, e la loro intensità e numero determina gli stati fisici della materia. per conoscenza essi sono forze di Van Der Walls ( legami di natura molecolare fra molecole polarizzate ) legami a idrogeno ( legami che avvengono fra gli atomi di idrogeno presenti in molecole diverse ) altri tipi di forze come le forze di London ( particolari forme di polarizzazione delle molecole ) 4

5 n.b. il Plasma è un gas fortemente ionizzato, che sebbene fisicamente abbia un comportamento simile agli aeriformi per quanto riguarda forma e volume, chimicamente ed elettricamente hanno un comportamento simile ai solidi e ai liquidi. in generale tutti gli aeriformi non hanno una elevata conducibilità elettrica, mentre i plasma hanno elevata conducibilità. Essi si formano sottoponendo determinati tipi di gas a forte ionizzazione. Per queste ragioni essi vengono considerati come uno stato a parte della materia. 5

6 ISOTOPI E SOSTANZE RADIOATTIVE Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che differiscono fra loro per il numero di massa, e nello specifico nel numero di neutroni presenti nel nucleo. Non cambia ne il numero ne la configurazione degli elettroni. Per questo motivo il comportamento chimico dei vari isotopi di uno stesso elemento non cambia. Spesso sono ritrattabili in natura miscelati fra loro in percentuali diverse. Per esempio l idrogeno, presenta tre isotopi, il Prozio, il Deuterio e il Trizio, di cui il più comune è sicuramente il primo che viene semplicemente chiamato idrogeno, rappresentando quindi l elemento. anche deuterio e trizio sono idrogeno, ma hanno la caratteristica di essere più pesanti in quanto hanno delle particelle in più nel nucleo( neutroni ). in alcuni casi le forze nucleari all interno del nucleo possono essere scompensate proprio dalla presenza di neutroni in più, e tendono a compensare questo equilibrio espellendo una o più particelle dal nucleo. l espulsione di una particella o di energia dal nucleo si chiama radiazione. le sostanze che emettono radiazioni, vengono dette sostanze instabili, e si modificano nella loro natura, ossia mutano in altri elementi perché cambia la conformazione del nucleo originario. Questo processo si chiama decadimento. esempio: il carbonio possiede tre isotopi ( 12, 13 e 14 ) di cui il Carbonio14 è radioattivo. Questo espelle dal nucleo un elettrone negativo, il che significa che un neutrone perdendo una carica negativa sotto forma di elettrone, diventa positivo, non più neutro e quindi si trasforma in un protone. Aumentando il numero di protoni nel nucleo ( che nel carbonio è 6 ) si forma un elemento completamente diverso che ha numero di massa 7 ( azoto ) il carbonio14 ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni: il tempo di dimezzamento è il tempo necessario affinché la metà del carbonio radioattivo presente in un campione si trasformi in azoto. 6

7 le radiazioni nucleari possono essere di tre tipi radiazioni alfa: emissione di 2 protoni e 2 neutroni ( nucleo di elio ) radiazioni beta: emissioni di elettroni positivi o negativi radiazioni gamma : emissione di onde elettromagnetiche ionizzanti le radiazioni sono ionizzanti e possono essere nocive per la salute. esse hanno diverso potere di penetrazione come spiegato in figura 7