La chimica è quella branca delle scienze naturali che si interessa dello studio della costituzione, delle proprietà della materia e delle

Transcript

1 La chimica è quella branca delle scienze naturali che si interessa dello studio della costituzione, delle proprietà della materia e delle trasformazioni di essa, naturali o provocate dall uomo

2 MATERIA (ATOMI) struttura e composizione trasformazioni energia MISCELE Metodi fisici di separazione (filtrazione, distillazione,cromatografia, centrifugazione, estrazione con solventi) SOSTANZE PURE Omogenee Sistema monofasico (o. soluzioni) Eterogenee Formate da due o più fasi Composti Procedimenti chimici (elettrolisi) Sostanze elementari

3 MATERIA: costituita da ATOMI a. COMPOSIZIONE: 1. SOSTANZE ELEMENTARI 2. COMPOSTI (insieme di atomi - rapporto stechiometrico) b. STRUTTURA: Legami fra atomi c. STATO di AGGREGAZIONE: SOLIDO (Volume e forma propri) LIQUIDO (Volume definito e forma indefinita) GASSOSO (Volume e forma indefiniti)

4 PASSAGGI di STATO sublimazione fusione evaporazione Stato SOLIDO Stato LIQUIDO Stato GASSOSO solidificazione condensazione brinamento endotermico H esotermico

5 Per caratterizzare un sistema abbiamo PROPRIETA INTENSIVE: -dipendono dalla NATURA delle sostanze e non dalla loro quantità o dimensioni: composizione, struttura, stato di aggregazione densità, conducibilità elettrica, o termica, calore specifico, temperatura, PROPRIETA ESTENSIVE: dipendono dalla QUANTITA di sostanza e da esse non si può individuare una sostanza massa, volume, entalpia, entropia, concentrazione.

6 Per caratterizzare un sistema si effettuano: a. ESPERIENZE e MISURE di tipo FISICO di tipo CHIMICO generalmente non distruttive generalmente distruttive b. MISURA: valore numerico moltiplicato per un UNITA di MISURA quantità fisica unità S.I. simbolo 7 UNITA BASE lunghezza metro m massa chilogrammo kg tempo secondo s corrente elettrica ampere A temperatura termodinamica kelvin intensità luminosa candela cd K quantità di sostanza mole mol

7 UNITA DERIVATE quantità fisica unità S.I. simbolo definizione S.I. energia joule J m 2 kg s -2 forza newton N m kg s -2 pressione pascal Pa m -1 kg s -2 potenza watt W m 2 kg s -3 carica elettrica coulomb C sa differenza di potenziale volt V m 2 kg s -3 A -1 resistenza elettrica ohm W m 2 kg s -3 A -2 frequenza hertz Hz s -1

8 MULTIPLI e SOTTOMULTIPLI delle UNITA ordine di grandezza prefisso simbolo 1O 12 tera T 1O 9 giga G 1O 6 mega M 1O 3 chilo k 1O 2 etto h 1O 1 deca da 1O -1 deci d 1O -2 centi c 1O -3 milli m 1O -6 micro µ 1O -9 nano n 1O -12 pico p 1O -15 femto f 1O -18 atto a

9 Per TRADIZIONE si usano correntemente anche altre unità di misura benchè le indicazioni degli organismi internazionali siano quelle di sostituirle con quelle base o derivate quantità fisica Nome simbolo definizione S.I. lunghezza ångstrom Å m = 10-1 nm lunghezza micron mm 10-6 m volume litro l 10-3 m 3 = dm 3 massa tonnellata t 10 3 kg = Mg forza dine dyn 10-5 N pressione bar bar 10 5 Pa pressione atmosfera atm Pa pressione torr Torr / 760 Pa pressione mm Hg convenzionale mm Hg / 760 Pa tempo minuto min 60 s tempo ora h 60 min = 3600 s energia caloria termochimica calth 4,184 J energia erg erg 10-7 J energia elettronvolt ev 1,60219 x J temperatura grado Celsius C 1 C=1K 0K (zero assoluto)= -273 C 0 C=273K 100 C=373K

10 PRINCIPI, LEGGI e POSTULATI della CHIMICA MODELLO ATOMICO della materia MODELLO ELETTRONICO dell atomo MODELLO del legame chimico

11 TEORIA ATOMICA Democrito ( a.c.): descrive un primo completo e coerente sistema materialistico: esistono "atomi" (dal greco a-tomos = indivisibile) immersi in uno spazio vuoto; dal loro movimento derivano tutte le cose, in modo meccanico e deterministico. Epicuro ( a.c.): l'universo è eterno e immutabile ed è costituito da atomi immutabili; questi sono di infinite forme, pesi e grandezze; gli atomi, cadendo, possono deviare dalla loro traiettoria, creando eventi imprevedibili. ecc "teorie atomistiche" sono puramente filosofiche, poiché escludono l'esperimento per confermarle (lo escludono in quanto non lo prendono nemmeno in considerazione: le attività manuali erano considerate di basso livello, inadatte ai cultori della sapienza, cioè ai "filosofi")

12 TEORIA ATOMICA di DALTON Fine del XVIII secolo E la prima teoria atomica dotata di un valore scientifico perchè impostata su un sistema di misure, spiegazioni e previsioni: Furono fornite le PROVE della reale esistenza degli atomi nate dall osservazione che la materia coinvolta nelle trasformazioni chimiche segue: Legge di conservazione della massa (Lavoisier, 1783) In una reazione chimica, la somma delle masse delle sostanze reagenti è uguale alla somma delle masse delle sostanze prodotte Legge delle proporzioni definite (Proust, 1799) In una sostanza pura gli elementi che la costituiscono sono combinati secondo un rapporto in peso definito e costante John Dalton ( ) Partendo da queste due leggi Dalton elaborò la teoria atomica che porta il suo nome

13 TEORIA ATOMICA di DALTON La teoria di Dalton (presentata nel 1802) si basa sui seguenti 3 postulati: 1. Tutti gli elementi sono fatti di particelle piccolissime chiamate ATOMI 2. Nelle reazioni chimiche gli atomi conservano la loro identità 3. Gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro formando composti. - numero relativo sono costanti - tipo di atomi di ogni elemento Postulato 2 spiega la legge di conservazione della massa: se gli atomi si conservano anche la loro massa si conserva Postulato 3 spiega la legge delle proporzioni definite: se il rapporto tra gli atomi degli elementi presenti in un composto è fisso lo è anche il loro rapporto in peso

14 TEORIA ATOMICA di DALTON Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1803) Quando due elementi si combinano tra loro per dare un composto le quantità in peso di uno che si combinano con una quantità fissa dell altro, stanno tra loro in rapporti semplici esprimibili mediante numeri interi piccoli Questa legge è correlata con il postulato 2 secondo cui gli atomi si combianano mantenendo la propria individualità

15 Modello ATOMICO di Thomson (1906) Joseph John Thomson ( ) Nobel per la Fisica Gli elettroni hanno carica (-) ma l atomo nel suo complesso è privo di carica - Quindi gli atomi devono contenere anche particelle cariche positivamente ATOMO èun insieme di particelle con carica positiva, massicce e voluminose, tra le quali si muovevano gli elettroni, con massa molto inferiore e con carica negativa ma uguale a quella delle particelle positive

16 Modello atomico di Rutherford Atomo NUCLEARE Nel 1899 inizia a studiare la natura delle radiazione α e β emesse da elementi radioattivi Particelle β sono gli elettroni - e - - Particelle α sono nuclei di elio con due cariche positive - He ++ - Ernest Rutherford ( ) Nobel per la Chimica 1908 β - e α

17 Esperimento di Rutherford sottile lamina d oro la maggior parte delle particelle α passano quasi in linea retta (circa il 99%) l atomo è prevalentemente vuoto mentre pochissime, quelle che colpiscono direttamente il nucleo, subiscono amplissime deviazioni l intera carica positiva è concentrata in un nocciolo piccolissimo: nucleo In realtà i nuclei sono assai più piccoli rispetto agli atomi di quanto non appaia da questa illustrazione

18 Il modello che scaturisce da queste osservazioni è detto MODELLO PLANETARIO

19 Modello atomico di Rutherford quasi tutta la massa dell atomo occupa una ridottissima porzione del suo volume totale gli elettroni, dotati di carica elettrica negativa, ruotano su orbite a grande distanza dal nucleo, come pianeti attorno al sole gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche positive-protoni- negativeelettroni-e probabilmente da altre neutre (neutroni-ipotizzati da Rutherford e scoperti da J. Chadwich, 1932) conclusioni il protone e la particella incognita formano un corpo centrale compatto (nucleo) mentre gli elettroni ruotano attorno al nucleo su orbite circolari o ellittiche (nuvola elettronica)

20 nucleoni protone neutrone elettrone + - massa (grammi) 1,673 x ,675 x ,110 x carica elettrica (Coulomb) + 1,602 x ,602 x 10-19

21 Modello atomico di Rutherford (1911) - nel nucleo è concentrata tutta la carica positiva dell atomo e la gran parte della massa di esso raggio dell atomo 10-8 cm raggio del nucleo cm il nucleo è volte più piccolo dell intero atomo di cui fa parte /10-8 = la carica del nucleo corrisponde al numero dei protoni che contiene e viene chiamata numero atomico Z gli elettroni vengono trattenuti dal nucleo mediante forze di natura elettrostatica (coulombiane)

22 L elettrone ruota intorno al nucleo percorrendo un orbita circolare o ellittica

23 Tale modello risulta però in disaccordo con la teoria elettromagnetica classica,, secondo la quale una carica elettrica in movimento, come l elettrone, dovrebbe perdere gradualmente energia descrivendo orbite sempre più piccole fino a annichilirsi nel nucleo

24 Modello atomico di Bohr (1913) Postulato dello stato STAZIONARIO Gli elettroni si muovono lungo orbite STAZIONARIE caratterizzate ognuna da una ben definita quantità di energia Niels Henrik David Bohr ( ) Postulato dello stato ECCITATO Quando un elettrone salta da un orbita stazionaria a energia minore a una a energia maggiore si verificano assunzione di energia e quando ritorna allo stato stazionario si verifica emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche.

25 Un tentativo di adattamento del modello di Bohr fu fatto nel 1915 dal tedesco Arnold-Sommerfeld: 1) Per ogni livello energetico indicato dal numero quantico principale n, sono possibili orbite ellittiche di diversa eccentricità individuate da un secondo numero quantico l (numero quantico orbitale) legato al momento angolare dell'elettrone 2) Il numero quantico orbitale l assume valori interi da 0 fino a n-1. Quanto minore è il valore di l, tanto più schiacciata è l'orbita dell'elettrone: n=1 l=0; n=2 l=0 l=1 Ad ogni livello energetico definito dal numero quantico n pertanto viene associata non una singola orbita, ma uno strato di orbite con una piccola differenza energetica.

26 Modello atomico di Bohr-Sommerfeld Livelli energetici E 3 E 3 > E 2 > E 1 E1 E 2 E 1 = 0,53Å E 2 = 2,12Å E 3 = 4,77Å

27 Modello atomico di Bohr-Sommerfeld

28 L energia di un elettrone in un atomo CRESCE al crescere di n La posizione dell elettrone dipende dal suo contenuto energetico: più un e - è lontano dal nucleo maggiore è la sua energia quindi gli e - più lontani dal nucleo sono quelli con n maggiore

29 Postulato dello stato STAZIONARIO Un elettrone appartiene ad un orbita stazionaria (non emette energia) se il valore del suo momento angolare mvr è un multiplo intero di h/2π (h= costante di Plank, 6,625 x Js) mvr = n x h 2π quantizzazione del raggio delle orbite e dell energia totale dell elettrone n = 1, 2, 3, numero quantico principale gli elettroni si muovono su orbite stazionarie caratterizzate da livelli di energia definiti non sono possibili posizioni intermedie l elettrone che si muove sul suo livello (quello più vicino possibile al nucleo) non perde energia e quindi non cade sul nucleo

30 Energia ed elettroni energia Stato eccitato fornendo energia a un elettrone, questo assume uno stato eccitato e salta su di un livello energetico superiore e poi ricade al suo livello emettendo - sotto forma di luce - l energia che aveva assorbito

31 SULLA NATURA DELLA LUCE SI È DISCUSSO PER SECOLI - Newton riteneva che la luce fosse formata da uno sciame di particelle chiamate fotoni (Natura corpuscolare) - Huygens, fisico olandese, sosteneva che la luce aveva un comportamento ondulatorio e che si propagava nello spazio come un onda (Natura ondulatoria) Chi aveva ragione?

32 Elettrone: onda o particella? L'energia di un fotone è proporzionale alla sua frequenza (equazione Di Planck) e = h ν Al fotone è associata una massa proporzionale alla sua energia (equazione di Einstein) e = m c 2 h = 6, J. s mc 2 = h c λ h ν = m c 2 m = c = 2, m.s -1 h λ c λ = h m c

33 Per un elettrone che percorre un orbita intorno al nucleo si possono fare valutazioni analoghe e dire che: All elettrone di massa m che ruota nella sua orbita con velocità v è associata un onda elettrica di lunghezza λ λ = h m c λ = h m v Principe Louis-Victor de Broglie ( ) Nobel per la Fisica nel 1929

34 Modello meccanico - quantistico La scoperta della natura ondulatoria dell elettrone consentì una rielaborazione matematica radicale di tutti gli studi precedentemente condotti sull atomo che portò a formulare il MODELLO MECCANICO- QUANTISTICO oggi comunemente accettato Particelle che ruotano su ORBITE circolari o ellittiche Per OGNI FUNZIONI d ONDAd che OGNI elettrone si hanno descrivono figure intorno al nucleo, gli ORBITALI

35 Modello meccanico - quantistico ORBITALE: REGIONE di SPAZIO IN CUI E MASSIMA LA PROBABILITA DI TROVARE L ELETTRONE IN UN DATO ISTANTE il movimento dell elettrone intorno al nucleo può essere rappresentato solo ricorrendo al concetto di PROBABILITA l e - si trova confinato in regioni di spazio (orbitali) nelle quali non è identificabile come particella fisica poichè si comporta come se fosse una nuvola elettronica più o meno densa Principio di Indeterminazione di Heisenberg (1927) E impossibile conoscere simultaneamente e con grande precisione posizione e velocità di una particella

36 Meccanica QUANTISTICA L orbitale è definito da una funzione matematica, detta FUNZIONE d d ONDA Ψ, Erwin Schrödinger Premio Nobel 1933 La funzione d onda Ψ rappresenta una funzione matematica soluzione dell equazione di Schroedinger (1927), equazione differenziale che rappresenta i moti ondulatori (periodici) delle particelle in moto vincolato (elettrone all interno dell atomo atomo): E cin

37 Schroedinger formulò un equazione matematica che descrive il comportamento ondulatorio dell elettrone; Ψ 2 rappresenta la densità di probabilità di trovare l elettrone in base all energia che esso possiede (E) in una certa regione dello spazio attorno al nucleo. In prossimità del nucleo Ψ 2 è elevatissima, lontano dal nucleo il valore della funzione d onda diminuisce si parla di nuvola elettronica

38 Ogni autofunzione Ψ definita da una data terna di valori di numeri quantici n, l, m rappresenta un ORBITALE ψn,λ,m I tre numeri quantici caratterizzano l orbitale e,m ne definiscono rispettivamente la dimensione, la forma e l orientamento dell orbitale n = 1, 2, 3, λ = 0, 1, (n-1) m = 0,, ±λ ψ n,λ,m (x)

39 n, l, m sono definiti: Numeri Quantici n : numero quantico principale l : numero quantico secondario m : numero quantico magnetico I numeri quantici possono assumere solamente i valori che rispettano le seguenti regole: n = 1, 2, 3, 4,... l = 0, 1, 2, 3,,, n-1n m = 0, ±1, ±2, ±3,, ±l