LEZIONE 1 Struttura della materia e Gli argomenti trattati Composizione della materia materia, sostanze e miscele, elementi e composti Fondamenti di struttura atomica Molecole: formula empirica, formula molecolare, formula di struttura e formule tridimensionali
Materia universo eletrasformazioni che in esso avvengono possono essere descritte in termini di: materia ed energia Materia è tutto ciò che ha una massa ed occupa un volume IL 97,7%DELLA MATERIA COSMICA COSTITUITO DA DUE ELEMENTI: IDROGENO E ELIO SULLA DESTRA SONO RIPORTATI I CINQUE ELEMENTI CROSTA TERRESTRE: OSSIGENO, SILICIO, ALLUMINIO, FERRO E CALCIO
Materia Gli stati della materia sono: SOLIDO LIQUIDO GASSOSO La descrizione macroscopica della materia è basata sui sensi La descrizione microscopica è basata sulla teoria atomica Sostanze Le varie forme della materia sono dette sostanze Una sostanza ha composizione fissa e costante ed è caratterizzata da proprietà chimiche e fisiche Sostanze: sostanze elementari (gas monoatomici o aggregati di atomi uguali) o composti (aggregati di atomi differenti)
Sostanze elementari Cloro: gassoso a T ambiente; condensa sulla provetta fredda come liquido giallo Bromo: liquido abbastanza volatile da riempire la beuta di vapori Iodio: il vapore violetto dello iodio ricristallizza sul pallone freddo Composti
Miscele Una miscela è formata da più sostanze. Le sostanze che costituiscono una miscela possono essere separate con metodi fisici. Miscele omogenee: i componenti costituiscono fase (es. aria, leghe, sale disciolto in acqua) Miscele eterogenee: costituite da due o più fasi (es. acqua\olio, soluzioni sovrassature, sangue ecc.) MISCELE
..schematizzando.. Fondamenti di struttura atomica Elettroni, protoni e neutroni Numeri quantici Il numero atomico Isotopi
Atomi Gli atomi sono i costituenti fondamentali della materia. Si conoscono 109 specie differenti di atomi Per chiarire la struttura degli atomi e per rappresentarla mediante un modello è necessario conoscere: le parti che formano gli atomi; ; le forze che agiscono tra le varie parti e quindi la loro energia.
Atomi Un atomo è costituito da tre tipi di particelle: protoni e neutroni, localizzati nel nucleo ed elettroni che si muovono intorno al nucleo ATOMO Particella Neutrone Protone Elettrone carica nessuna positiva 1,6021x10-19 C negativa -1,6021x10-19 C massa 1,67x10-27 kg 1,67x10-27 kg 9,11x10-31 kg dimensioni 1 x 10-15 1 x 10-15 1 x 10-19
Studio del modello atomico MILLIKAN misurò la carica elettrica THOMSON misurò il rapporto carica/massa RUTHERFORD dimostrò che la massa di un atomo è concentrata nel nucleo e che il suo volume è dato essenzialmente dagli elettroni che girano attorno al nucleo -8 cm Il nucleo ha un raggio di 10-13 cm Modello atomico di Bohr PREVEDE PER GLI ATOMI LA QUANTIZZAZIONE DEI LIVELLI ENERGETICI Il singolo elettrone può occupare solo certe orbite o livelli energetici. o di radiazione da parte comporta il salto da. del fotone della radiazione emessa o assorbita (h) corrisponde esattamente alla differenza di energia tra di partenza e quella di arrivo.
Modello atomico di Bohr E 2 -E 1 = E 3 E 2 E 1 = frequenza della radiazione emessa Principio di indeterminazione di Heisenberg piccolo vi è incertezza nella posizione (x) ed incertezza sulla quantità di moto (p) di un elettrone. Tanto più uno dei valori è determinato con accuratezza, tanto più diviene incerto. La moderna MECCANICA QUANTISTICA non descrive in modo esatto la posizione o il moto di un elettrone, ma considera la probabilità di ritrovarlo in un certo punto di un atomo o di una molecola.
La distribuzione di probabilità di un elettrone é descritta da una funzione matematica, EQUAZIONE DI SCHRODINGER. La funzione che si ottiene dalla soluzione è caratterizzata da terne di numeri interi (n, 1, m,) detti numeri quantici. Una con associati valori di n, l, m si chiama orbitale. Il numero quantico principale (n) definisce il livello energetico Il numero quantico angolare (l) indica i sottolivelli possibili per ogni livello energetico e definisce la forma Il numero quantico magnetico (m) definisce n ed l definiscono il contenuto energetico totale di un orbitale. Orbitali con uguali valori di n ed l, che differiscono per il valore di m, sono detti degeneri (hanno la stessa energia) 2 è la probabilità di trovare in una determinata regione di spazio.
n: il numero quantico principale nergia che un elettrone di un atomo può avere è quantizzata, cioè limitata a certi valori calcolabili con la formula: E k 2 n n, dal punto di vista matematico può assume valori interi da 1 a, dal punto di vista fisico descrive. Se si rimuove un elettrone (ionizzazione), si dice che è eccitato alla stato quantico n =. Se n tende E tende a zero. l: il numero quantico secondario l dal punto di vista matematico può assumere tutti i valori interi da 0 a n-1, dal punto di vista fisico descrive la. Orbitali con l = 0 (s) hanno simmetria sferica Orbitali con l > 1 (p, d e f) hanno simmetria lobata
m: il numero quantico magnetico m dal punto di vista matematico può assumere i valori interi compresi tra - l<m<+ l, dal punto di vista fisico descrive l = 1, m = -1, 0,+1 3 orbitali p l = 2, m = -2, -1, 0, +1, +2 5 orbitali d Numero quantico di spin Dal punto di vista matematico ha due valori +½ o ½, dal punto di vista fisico descrive il senso di rotazione. sul proprio asse (spin), genera un campo magnetico la cui polarità dipende dal verso di rotazione. La rotazione oraria genera un campo allineato con quello terrestre, condizione di minore energia rotazione antioraria genera una condizione a più alta energia.
Numero atomico e numero di massa Numero atomico (Z): numero di protoni Numero di massa (A): numero totale di protoni e neutroni Numero di neutroni (N) = A-Z 1 1H A Simbolo Z 4 35 2 He Cl 37 17 17Cl ISOTOPI Elementi che hanno uguale numero atomico (Z) ma diverso numero di massa (A) Z N A simbolo 20 20 40 40 Ca 20 20 22 42 42 Ca 20 20 23 43 43 Ca 20 20 24 44 44 Ca 20 20 25 45 45 Ca 20 20 26 46 46 Ca 20 20 28 48 48 Ca 20 Gli isotopi del calcio hanno 20 protoni nel nucleo ma il numero dei neutroni varia da 20 a 28. Z: numero atomico N: numero di neutroni (A-Z) A: numero di massa (N+Z)
ISOTOPI Tutti gli isotopi (= stesso posto) di un elemento occupano lo stesso posto nella Tavola Periodica Gli isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche ma diverse proprietà fisiche. Molti elementi sono presenti in natura come miscela isotopica a composizione costante. 16 8O O 17 18 8 8O Molecole Numerose sostanze sono formate da atomi uguali o diversi, legati a piccoli gruppi secondo rapporti di combinazione definiti e costanti. Questi aggregati di atomi sono detti molecole. Le molecole possono essere biatomiche, se formate da due atomi (O 2,H 2, CO), triatomiche (H 2 O, CO 2 )e poliatomiche (P 4,S 8 ).
Simboli chimici degli elementi Fe ferro N azoto Al alluminio Ca calcio Cl cloro C carbonio K potassio F fluoro S zolfo Na sodio Mg magnesio Ba bario C carbonio P fosforo B boro Formule chimiche H 2 O Nella formula della molecola : H è il simbolo O è il simbolo i pedici indicano il numero di atomi di ogni elemento presenti nella molecola (2 di H e 1 di O)
Formule chimiche Na 2 CO 3 Nella formula del carbonato di sodio: Na è il simbolo del sodio C è il simbolo del carbonio O è il simbolo 2, 1 e 3 sono, rispettivamente, gli atomi di Na, C e O presenti nella molecola. RAPPRESENTAZIONI DI UNA MOLECOLA Formula empirica (o minima) - indica gli atomi costituenti il composto ed il loro rapporto numerico di combinazione. Formula molecolare - Ci dice quanti atomi di ciascun tipo sono presenti in una molecola della sostanza. Sostanza Formula empirica Formula molecolare Acqua H 2 0 H 2 0 Ac. ossigenata HO H 2 O 2 Etano CH 3 C 2 H 6
Formula di struttura Ci dice come i vari atomi sono legati (concatenati) tra di loro. Formula tridimensionale indica la disposizione spaziale degli atomi in una molecola CH 4 H H C H formula minima formula molecolare H formula di struttura Formula tridimensionale (rappresentazione a cuneo e modello a sfere e bastoncini) Struttura e proprietà Uno degli scopi della chimica moderna è quello di correlare proprietà e struttura di una sostanza, intendendo per struttura spaziale degli atomi di una molecola Per esempio, carbonio (C) si conoscono più forme allotropiche diverse, come il diamante e la grafite, che hanno proprietà molto differenti. GRAFITE DIAMANTE
C 120 C 109 GRAFITE Il carbonio forma una struttura 2D in cui un doppio legame e due legami semplici sono orientati secondo i vertici di un triangolo equilatero DIAMANTE Il carbonio forma una struttura 3D con i suoi 4 legami orientati secondo i vertici di un tetraedro