Introduzione all'Atomica e alle Proprietà Chimiche degli Elementi, Appunti di Chimica

Scarica Introduzione all'Atomica e alle Proprietà Chimiche degli Elementi e più Appunti in PDF di Chimica solo su Docsity! La TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI è un tabella in cui sono catalogati tutti gli elementi chimici in ordine crescente di numero atomico, cioè da quello che ha meno protoni, l'idrogeno, a quello che ne ha di più, l’uranio, per proseguire con gli elementi che non si trovano in natura ma che vengono creati dall'uomo. La forma della tavola e la sua disposizione in blocchi deriva dalla necessità di suddividere gli elementi in base alla loro configurazione elettronica esterna. In questo modo, gli elementi in cui l’elettrone più esterno si trova in un orbitale s stanno tutti insieme; lo stesso vale per quelli in cui gli elettroni esterni si trovano negli orbitali pd e f. Le righe della tavola periodica si chiamano PERIODI; ci sono in totale 7 periodi, corrispondenti ai 7 numeri quantici principali. Le colonne della tavola periodica si chiamano GRUPPI. La divisione in gruppi è particolarmente importante perché gli elementi che appartengono allo stesso gruppo hanno la stessa configurazione elettronica esterna. A seconda delle loro proprietà fisiche e chimiche gli elementi si possono suddividere in metalli, non metalli e semimetalli. I metalli sono più di 80 e occupano la parte sinistra della tavola periodica. Gli elementi metallici sono solidi, duri, lucenti, malleabili, duttili e conducono calore ed elettricità. Le proprietà chimiche dei metalli dipendono dalla loro tendenza a perdere elettroni diventando ioni positivi; le proprietà fisiche dal tipo di legame tra gli atomi. I non metalli occupano la parte destra della tavola periodica. Le proprietà chimiche dei non metalli dipendono dalla loro capacità di accettare elettroni diventando ioni negativi. I semimetalli presentano sia comportamento metallico sia non metallico. I semimetalli si trovano lungo il confine che separa i metalli e i non metalli. le 4 principali proprietà periodiche degli elementi, che sono: . raggio atomico . potenziale di ionizzazione . affinità elettronica . elettronegatività Raggio atomico La più diffusa definizione di raggio atomico è: la misura delle dimensioni degli atomi dell'elemento. L’unità di misura del raggio atomico è il picometro, pm. Tuttavia, è importante precisare che poiché gli atomi non hanno un confine netto, si può individuare il raggio atomico solo in maniera approssimativa. il raggio atomico diminuisce all'aumentare della carica efficace dell'elemento. Di conseguenza, devi sapere che lungo la tavola periodica degli elementi il raggio atomico decresce lungo il periodo e aumenta nel gruppo. Potenziale di ionizzazione La definizione di potenziale di ionizzazione è: l'energia minima necessaria per strappare un elettrone dal guscio di valenza di un atomo isolato e allo stato gassoso. Il potenziale di ionizzazione si misura in k//mol, infatti è l'energia necessaria per trasformare una mole di atomi in una mole di cationi monovalenti. Puoi osservare che, lungo la tavola periodica il potenziale aumenta da sinistra a destra del periodo, mentre diminuisce dall’alto in basso di un medesimo gruppo. Affinità elettronica Per affinità elettronica si intende: l'energia liberata o spesa dall’atomo per aggiungere un elettrone in uno stato neutro isolato in forma gassosa, per formare uno ione negativo, ovvero con carica -1. Più questa caratteristica dell'elemento è spontanea, più l'affinità elettronica sarà positiva. Tuttavia, comunemente si attribuiscono positività e negatività in maniera opposta. Cioè si riconosce valore negativo all’atomo che libera energia per aggiungere un elettrone e valore positivo quando spende energia. La maggior parte degli elementi della tavola periodica ha affinità elettronica negativa, quindi libera energia per acquisire un elettrone. Di norma, l’affinità elettronica negativa aumenta in un gruppo dal basso verso l’alto e da sinistra a destra in un periodo. | non metalli hanno più affinità elettronica negativa rispetto ai metalli. Infine, l’affinità elettronica è influenzata dalla regola dell’ottetto. La regola enuncia che quando un atomo possiede il livello elettronico esterno completo (detto "guscio di valenza"), in genere costituito da otto elettroni, esso è in una condizione di particolare stabilità energetica, e tende a non formare ulteriori legami. Elettronegatività L'elettronegatività è una proprietà correlata alle tre proprietà periodiche legate agli atomi isolati. Infatti, più l'atomo è elettronegativo, maggiore è la sua tendenza ad acquisire elettroni di legame. Non sempre però, in quanto entra in gioco anche la misura del raggio atomico: . più è elevato il valore del raggio atomico, meno gli elettroni degli orbitali esterni sono soggetti alla repulsione degli elettroni di valenza; . minore è il raggio atomico e maggiori sono il potenziale di ionizzazione e l'affinità elettronica, più l'atomo risulta elettronegativo. L'elettronegatività cresce lungo un periodo da sinistra verso destra e decresce dall'alto verso il basso in un gruppo. Gli elettroni non si trovano più al centro fra i due atomi, ma sono spostati più verso l'atomo a maggiore elettronegatività su cui si forma una parziale carica negativa ($—). L'altro atomo acquisisce una parziale carica positiva ($+). La molecola prende il nome di dipolo Tanto maggiore è la differenza di elettronegatività fra due atomi, tanto più è polarizzato il legame che li unisce. Come scrivere le formule di struttura di Lewis Procedimento per scrivere le formule di struttura di Lewis: 1.stabilire qual è l'atomo centrale e disporre i simboli degli altri atomi in base al criterio di maggiore simmetria; 2. contare gli elettroni di valenza di tutti gli atomi coinvolti; 8.posizionare una coppia di elettroni tra ogni coppia di atomi legati; 4.completare gli ottetti degli atomi legati intorno all’atomo centrale; 5. disporre gli elettroni rimanenti sull’atomo centrale; 6.se l'atomo centrale non raggiunge l’ottetto, disegnare doppi o tripli legami; 7 nerificare di aver usato il numero corretto di elettroni di valenza. La forma delle molecole Per descrivere la forma delle molecole è necessario definire alcuni parametri: la lunghezza di legame e l’angolo di legame. La lunghezza di legame è la distanza che intercorre tra i nuclei dei due atomi uniti da un legame covalente. L’angolo di legame è l'angolo formato dagli assi che congiungono i nuclei degli atomi legati. Per la molecola d’acqua, è pari a 104,5°. Intorno all’ossigeno, che è l'atomo centrale della molecola d’acqua, si distribuiscono due coppie elettroniche di legame; altre due coppie, appartenenti all’ossigeno, sono invece coppie elettroniche libere, cioè non condivise, e sono chiamate coppie solitarie. La teoria VSEPR Nel 1957, Ronald 4. Gillespie mette a punto una teoria che consente di ricavare le architetture molecolari dalle formule di struttura di Lewis. La teoria, indicata con la sigla VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion), è detta teoria della repulsione delle coppie di elettroni del guscio di valenza, perché presuppone che le coppie di elettroni esterni, che hanno la stessa carica negativa, si respingano reciprocamente. I principi fondamentali della teoria sono i seguenti: * la disposizione degli atomi in una molecola dipende dal numero totale di coppie elettroniche, libere e condivise, appartenenti al livello di valenza, che circondano l'atomo centrale; *poiché coppie elettroniche di uguale segno si respingono, esse si collocano alla maggiore distanza possibile l’una dall’altra. In base al numero di coppie elettroniche intorno all’atomo centrale si ha che: «due coppie elettroniche determinano un assetto lineare della molecola, con angoli di legame di 180°;tre coppie elettroniche determinano un assetto triangolare equilatero della molecola, con angoli di legame di 120° «quattro coppie elettroniche determinano un assetto tetraedrico della molecola, con angoli di legame di 109,5°. * se le coppie elettroniche sono cinque la struttura è trigonale bipiramidale; se le coppie sono sei è ottaedrica. PARTICELLE E ATOMI Le particelle e la struttura dell'atomo. Gli atomi di tutti gli elementi sono formati da tre particelle fondamentali: protoni, neutroni ed elettroni. All’insieme di protoni e neutroni si dà il nome di nucleoni; questi, a loro volta sono costituiti da altre particelle, i quark. L’elettrone fu scoperto dal fisico inglese Thomson che, utilizzando i tubi di Crookes, dimostrò che i raggi catodici che si formavano era costituiti da particelle cariche negativamente (1874); a lui si dove inoltre di un modello atomico che fu definito modello a panettone in cui l'atomo veniva rappresentato come una distribuzione di carica positiva diffusa, contenente delle cariche negative disposte in maniera regolare, in anelli rotanti. Se consideriamo un panettone, i canditi rappresentano gli elettroni immersi in una pasta carica positivamente. Questo modello propone quindi che le cariche negative siano in grado di neutralizzare la presenza delle cariche positive in cui sono immerse, stabilendo che l'atomo è neutro. STRUTTURA DELL'ATOMO In seguito lo scienziato neozelandese Rutherford propose il modello atomico planetario, rimasto valido per poco tempo. Lo scienziato dopo aver determinato la natura delle radiazioni a, le utilizzarono per bombardare gli atomi d’oro di una sottilissima lamina Dopo l’urto con gli atomi di oro, le particelle a, venivano raccolte da un apposito schermo capace di evidenziare la loro presenza. | risultati dell'esperimento furono i seguenti: Gran parte delle particelle a attraversava la lamina senza subire alcuna deviazione; * Alcune particelle venivano deviate di angoli più o meno grandi rispetto alla direzione iniziale (angoli di diffusione); . 3.pochissime rimbalzavano indietro, erano cioè riflesse dalla lamina; quelle che rimbalzavano indietro lo facevano con grande violenza. il numero atomico (2) è il numero di protoni (uguale al numero di elettroni in un atomo neutro); si indica in alto sinistra al simbolo dell’elemento. - Il numero di massa (A) è la somma del numero di protoni e del numero di neutroni, si indica in basso a sinistra al simbolo dell’elemento. LE PARTICELLE DELL'ATOMO Ciò che permette il decadimento radioattivo, dimostra Rutherford, è l'emissione di tre radiazioni differenti: - | raggi a (4He2+) costituiti da nuclei di elio privi di due elettroni (2 protoni, 2 neutroni, 2 elettroni), con carica 2+. Il decadimento a è tipico dei nuclidi con numero di protoni e di neutroni elevati; il nucleo atomico di partenza diminuisce di due unità e il suo numero di massa di quattro unità, perciò il nuovo nuclide risulterà spostato di due unità posizioni indietro nella tavola periodica. - | raggi p, elettroni veloci, caratteristici dei nuclei troppo ricchi di neutroni che isolati si scindono in un protone, un elettrone e un antineutrino. Nel decadimento B il numero atomico del nucleo che si forma è superiore di un’unità rispetto al nucleo di partenza, mentre rimane invariato il numero di massa; il nuovo nuclide risulta quindi spostato di una posizione a destra nella tavola periodica, - Le emissioni y, che consistono in pacchetti di energia, liberati da un nucleo dopo un’emissione a o B; sia il numero atomico sia il numero di massa del nuclide rimangono invariati. Formule chimiche e composizione percentuale La formula minima indica il rapporto di combinazione minimo con cui gli atomi si legano per formare una molecola. La formula molecolare è un multiplo della formula minima ricavata dall'analisi del composto. © analisi qualitativa + permette di determinare quali sono gli elementi presenti in un campione ® analisi quantitativa + consente di risalire alle quantità di ogni elemento Unità di massa atomica (u): corrisponde a 1/12 della massa di un atomo di carbonio-12. La massa molare di un elemento (o di una molecola o di un composto ionico) equivale alla sua massa atomica (o molecolare o peso formula) espressa in grammi/mole. Na = 6,022 - 1023 particelle le moli (n) sono uguali al rapporto tra la massa in grammi e la massa molare espressa in g\mol. Una mole di qualsiasi sostanza gassosa, in condizioni STP, occupa sempre un volume molare (Vw) di 22,4 L. Standard Temperature and Pressure (STP) = 0 °C e 1 atm Leggi ponderali Legge della conservazione della massa (Lavoisier, 1774) La somma delle masse delle sostanze prima della reazione è sempre uguale a quella dei prodotti ottenuti, perciò nulla si crea e nulla si distrugge. Legge delle proporzioni definite (Proust, 1806) Quando gli elementi si combinano per formare un composto, il loro rapporto in massa è sempre definito e costante, specifico di quel composto. Legge delle proporzioni multiple (Dalton, 1803) Quando due elementi si combinano per formare composti diversi, il rapporto tra la quantità in massa di un elemento che si combina con una quantità fissa di un altro elemento è esprimibile con numeri interi e piccoli. Leggi gas La legge di Boyle o legge isoterma (1) La pressione di una determinata quantità di gas, a temperatura costante, è inversamente proporzionale al volume.