ATOMI
L'atomo è una struttura nella quale è normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. Più atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti subatomici quali i protoni (con carica positiva), neutroni (con carica neutra) ed elettroni (con carica negativa).
Era così chiamato perché inizialmente era considerato l'unità più piccola ed indivisibile della materia (in accordo con la dottrina filosofica dei filosofi greci Leucippo, Democrito ed Epicuro nota come teoria dell'"atomismo"). Verso la fine dell'Ottocento (con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo era in realtà divisibile, essendo a sua volta composto da particelle più piccole, alle quali ci si riferisce con il termine di particelle subatomiche.
La teoria atomica è dunque la teoria fisica secondo la quale tutta la materia è costituita da unità elementari chiamate atomi. La teoria atomica si applica agli stati della materia solido, liquido e gassoso, mentre è difficilmente collegabile allo stato di plasma, in cui elevati valori di pressione e temperatura impediscono la formazione di atomi.
Teoria atomica di John Dalton
John Dalton arrivò a dimostrare l'esistenza di una forma elementare della materia (atomo) solo nel 1803.
La sua teoria si basa sui seguenti postulati:
1. La materia è formata da particelle piccolissime ed invisibili, chiamate atomi.
2. Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro per dimensione, forma, massa e proprietà.
3. Gli atomi di elementi diversi hanno masse diverse.
4. Le reazioni chimiche consistono nella separazione e ricombinazione di atomi.
5. Nessun atomo di un elemento si trasforma nell'atomo di un altro elemento.
Punto 5 della teoria di Dalton non prevedeva la reazione nucleare
Sviluppo del modello atomico (fine del XIX secolo)
Caratteri distintivi dei principali componenti dell'atomo.
Rutherford's Experimental design (1908 Nobel Prize)
"La carica positiva dell'atomo è concentrata in una porzione limitata di spazio detto nucleo".
Numero atomico e numero di massa
Numero atomico
Si definisce numero atomico il numero di protoni presenti nel nucleo e si indica con la lettera Z.
In un atomo elettricamente neutro, il numero di protoni corrisponde al numero di elettroni in esso contenuti. Il numero atomico definisce unicamente un dato elemento e da esso dipende il comportamento chimico.
Numero di massa
N= numero neutroni.
Si definisce numero di massa, il numero di protoni più il numero di neutroni contenuti nel nucleo e si indica con la lettera A.
A=N+Z
Proprietà delle onde
Lunghezza d'onda ( Wavelenght- λ ) : è la distanza tra due punti identici successivi (creste).
Ampliezza d'onda (Amplitude) è la distanza dal centro dell'onda e il massimo picco.
Frequenza (v) è il numero di lunghezze d'onda che passano per un particolare punto in un 1 secondo.La velocità dell'onda (m/s).
Maxwell (1873) propose che la luce visibile è formata da radiazioni elettromagnetiche.
La radiazione elettromagnetica rappresenta l'emissione di trasmissione di energia.
Modello atomico di Bohr (1913)
1. Gli elettroni si muovono su traiettorie circolari (orbite) ed hanno specifici valori di energia (quanti).
2. Si emette luce quando l'elettrone si muove da un livello di energia più alto ad uno più basso.
n: (numero quantico principale): 1,2,3...
Rm : costante di Rydherg
All'aumentare di n aumenta l'energia dell'elettrone in maniera discreta.
" Effetto fotoelettrico" Albert Einstein (1905)
La luce è:
1. Un'onda
2. Un corpuscolo
Il fotone è una "particella" di luce
De Broglie (1924) estese a una qualsiasi particella elementare, e all'elettrone in particolare il dualismo, l'onda, il corpuscolo enunciato da Einstein.
Principio di indeterminazione di Heisemberg Premio Nobel 1932
Heisemberg dimostrò che non è possibile determinare simultaneamente la posizione e la velocità dell'elettrone.In conseguenza di ciò, non è possibile definire la traiettoria dell'elettrone a differenza di quanto previsto da Bohr.
Equazione di Shrodinger
Il movimento degli elettroni avviene in 3 dimensioni per cui le soluzioni accettabili dell'equazione d'onda derivano dalla combinazione di 3 costanti dette NUMERI QUANTICI ed indicati con le lettere n,l,m.
Ogni funzione d'ondacaratterizzata da 3 numeri quantici viene chiamata orbitale e corrisponde ad uno strato stazionario possibile per l'elettrone.
Numero quantico n (principale) :
n=1,2,3,4...
distanza dal nucleo
Numero quantico l (secondario o angolare) :
L= 0,1,2,3...(n-1)
n= 1, l=0
n=2, l=0,1
n=3, l=0,1,2
Numero quantico magnetico m
m, = -/,...,0,.../
l= 0 (orbitali s) m/=0
l= 1 (orbitali p) m/= -1,0,1
l= 2 (orbitali d) m/= -2,-1,0,1,2
l= 3 (orbitali f)
Orientamento degli orbitali nello spazio.
Orbitale atomico
Un orbitale atomico è definito da tre numeri quantici (n,l,ml) che formalmente sono una conseguenza matematica della soluzione dell'equazione di Schrodinger.
L'elettrone è poi caratterizzato da un quarto numero quantico (ms) legato al moto di spin per l'elettrone.
Numero e forma degli orbitali
1. Un orbitale può contenere un numero massimo di 2 elettroni (principio di esclusione di Pauli). Se vi sono 2 elettroni nell'orbitale devono avere un numero quantico di spin ms apposito. Un orbitale può anche essere vuoto o contenere un solo elettrone spaiato.
2. Nel progressivo riempimento degli orbitali, l'elettrone va ad occupare sempre l'orbitale disponibile avente più bassa energia.
3. Se vi sono più orbitali con uguale energia (degeneri: ad esempio px, py, pz) la configurazione più stabile ( cioè a più bassa energia) è quella che porta alla massima molteplicità, cioè in cui gli elettroni si dispongono con spin parallelo e quindi in orbitali diversi.
Ibridazione del carbonio
Consideriamo l'atomo di carbonio: la configurazione elettronica del carbonio è 1s2 2s2 2p2.
Come si può notare, il carbonio ha solo due orbitali 2p semipieni e, pertanto, dovrebbe dare origine solamente a due legami covalenti.
In realtà il carbonio, come nel metano CH4, è prevalentemente tetravalente, cioè in grado di formare 4 legami con altri atomi.
Si suppone la promozione di un elettrone dall'orbitale 2s all'orbitale 2p vuoto.
Tale atomo di carbonio eccitato ha ora quattro orbitali semipieni, e potrebbe formare quattro legami. Tuttavia, siccome l'orbitale atomico 2s sferico ha energia inferiore e forma diversa da quella dei tre orbitali 2px, 2py, 2pz, dovremmo aspettarci tre legami uguali ed uno diverso.
Tutto ciò è in contrasto con i fatti sperimentali che accertano la presenza nel metano (CH4) di 4 legami covalenti identici.
Ibridazione sp3 singolo legame
La teoria suggerisce il "mescolamento" dell'orbitale 2s con i tre orbitali 2p. Tale mescolamento è matematico, delle funzioni d'onda dell'orbitale e quindi non è un reale fenomeno fisico.
Come risultato si ottengono 4 nuovi orbitali identici tra loro, di forma, energia e disposizione nello spazio del tutto diverse da quelle originarie. Questa operazione matematica prende il nome di ibridazione.
I nuovi 4 orbitali ibridi, chiamati sp3, hanno per 1/4 le caratteristiche dell'orbitale s di partenza e per 3/4 le caratteristiche degli orbitali 2p. Il 3 esponente di p indica il numero di orbitali p che partecipano alla formazione dell'ibrido.
I 4 orbitali ibridi sp3 sono tra loro identici e hanno la seguente forma:
Il lobo di dimensione maggiore è quello che viene utilizzato nei legami. Talvolta, per questioni di praticità, non si reppresenta il lobo di dimensione minore.
I quattro orbitali ibridi sp3 puntano verso i vertici di un tetraedro, disponendosi a 109,5° l'uno dall'altro:
Nella formazione della molecola del metano, si ha una sovrapposizione tra i 4 orbitali ibridi sp3 e 4 orbitali 1s appartenenti a 4 atomi di idrogeno diversi:
Ibridazione sp2 doppio legame
Oltre all'ibridazione sp3 esistono anche altre ibridazioni. Dal mescolamento di un orbitale s con due orbitali di tipo p si ottengono 3 orbitali ibridi detti orbitali sp2 che si dispongono su di un piano formando angoli di 120° l'uno dall'altro (geometria trigonale planare).
L'orbitale p non coinvolto nell'ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato dai tre orbitali ibridi sp2
Presentano ibridazione sp2 gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente doppio (>C=C<), come ad esempio nella molecola dell'etene (o etilene) H2C=CH2. Il doppio legame C=C si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp2 e alla sovrapposizione laterale tra i 2 orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.
Ibridazione sp triplo legame
La combinazione di un orbitale di tipo s e uno di tipo p dà origine a 2 orbitali ibridi sp. Ogni orbitale ibrido sp ha il 50% di carattere s e il 50% di carattere p.
I due orbitali ibridi sp (nei quali per questioni di praticità, si omette di rappresentare il lobo di dimensione minore) si dispongono a 180° l'uno rispetto all'altro (geometria lineare).
Gli orbitali p non coinvolti nell'ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro e sono perpendicolari ai due orbitali ibridi sp:
Presentano ibridazione sp gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente triplo (-C≡C-), come ad esempio nella molecola dell'etino HC≡CH. Il triplo legame -C≡C- si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp e alla sovrapposizione laterale tra le due coppie di orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.