Chimica Organica: definizione, storia e struttura dell'atomo

Chimica Organica

Definizione La chimica organica è la chimica dei composti contenenti carbonio I carbonati, il biossido di carbonio e i cianuri metallici sono un'eccezione in quanto vengono classificati come composti inorganici. Una definizione più corretta è: La chimica dei composti contenenti legami carbonio-carbonio Il carbonio è l'unico elemento capace di legarsi fortemente con se stesso e formare lunghe catene o anelli e allo stesso tempo capace di legarsi fortemente con elementi non metallici come idrogeno, ossigeno, azoto e con gli alogeni. Per queste sue proprietà questo elemento dà origine a miriadi di composti (sono noti diversi milioni di composti, corrispondenti a circa il 98% di tutte le sostanze chimiche note, e il loro numero continua a crescere)

Breve storia della chimica organica

Il termine chimica organica deriva dal fatto che una volta con questo termine si definivano i composti che potessero essere sintetizzati da organismi viventi, come ad esempio legno, ossa, vestiti, cibi, medicine, e le sostanze complesse che formano il nostro corpo (in antitesi con la chimica inorganica che era quella basata sui composti sintetizzati artificialmente). Questa teoria fu abbandonata nel 1828 quando il chimico tedesco Friedrich Wohler preparò l'urea (componente dell'urina quindi materiale chiaramente organico) riscaldando un sale inorganico: il cianato di ammonio.

NH4OCN T H2N-C-NH2 O Fu quindi evidente che una sostanza organica poteva essere sintetizzata anche in laboratorio oltre che da organismi viventi. Nonostante ciò si ritenne opportuno mantenere la vecchia divisione tra materiali organici ed inorganici

Campi di interesse della chimica organica

Visto l'elevatissimo numero di composti organici esistenti, la chimica organica riveste un ruolo fondamentale in innumerevoli campi. In particolare, la chimica organica svolge un ruolo fondamentale per la comprensione dei sistemi viventi. Come detto in precedenza gli organismi viventi sono composti principalmente da molecole organiche e i meccanismi che permettono a questi organismi di sopravvivere e riprodursi, possono essere scomposti in una serie di semplici reazioni di chimica organica. La chimica organica e' stata quindi fondamentale per capire i processi biologici e per sintetizzare farmaci. Un altro importante campo di applicazione della chimica organica è nella sintesi dei materiali polimerici. I polimeri (o materie plastiche) sono infatti delle molecole organiche e i processi di sintesi (polimerizzazione) sono delle reazioni di chimica organica. I composti del carbonio (in particolare quelli ottenuti dal petrolio) svolgono inoltre un ruolo fondamentale nel soddisfare il nostro fabbisogno energetico (riscaldamento, trasporti, illuminazione ..... )

Cosa ha di speciale il CARBONIO?

• elemento del gruppo 4A
• condivide 4 elettroni di valenza
• forma 4 forti legami covalenti
• si lega con altri atomi di carbonio formando lunghe catene e anelli
• fornisce una varietà di composti praticamente infinita

STRUTTURA DELL'ATOMO

PARTICELLE FONDAMENTALI

Gli atomi, e quindi tutta la materia, sono principalmente costituiti da tre particelle fondamentali : elettroni, protoni e neutroni

Particella Massa Carica (scala relativa) elettrone (e-) 9,1066·10-28 g -1 protone (p o p+) 1,672614·10-24 g +1 neutrone (n o nº) 1,674920·10-24 g 0

TEORIE ATOMICHE

RUTHERFORD E L'ATOMO NUCLEARE

J.J. Thomson diceva che l'atomo era costituito da regioni di carica negativa e positiva. Rutherford definì l'atomo come formato da piccolissimi nuclei molto densi e a carica positiva e circondati da nuvole di elettroni poste a distanze relativamente grandi dai nuclei. Nel famoso esperimento di Rutherford usò una sorgente radioattiva per produrre particelle a ( He2+) che incidevano su una lamina d'oro. Le deviazioni delle particelle a erano rivelate da uno schermo di scintillazione.

Esperimento di Rutherford

Schermo di scintillazione Fenditure Fascio di particelle « Lamina d'oro Blocco di piombo (per schermatura) Sorgente « Figura 5-4 L'esperimento di Rutherford. Una sottile lamina di oro è colpita da un fascio di particelle « prodotte da una sorgente radioattiva. La maggior parte di queste passa dritta attraverso la lamina. Molte sono deflesse secondo piccoli angoli (rosso). Tali deviazioni sorpresero i ricercatori, ma totalmente inatteso fu scoprire che lo 0.001% delle particelle « veniva deviato secondo angoli acuti (blu). Risultati simili furono osservati usando fogli di altri metalli.

Interpretazione dell'esperimento di Rutherford.

A A . A Figura 5-5 Una interpretazione dell'esperimento di Rutherford. L'atomo è raf- figurato come costituito principalmente da spazio vuoto. Al centro c'è un pic- colo nucleo estremamente denso che contiene tutte le cariche positive dell'a- tomo e quasi tutta la sua massa. Gli elettroni sono distribuiti in tutto lo spazio vuoto. La maggior parte delle particelle « (frecce nere), cariche positivamente, attraversa lo spazio vuoto senza deflessioni poiché passa lontano dai nuclei di oro. Le poche che passano vicino ai nuclei (frecce rosse) sono respinte da forze elettrostatiche e perciò deviate. Una minima parte di esse, che trovano sulla loro traiettoria un nucleo di oro, sono respinte secondo angoli acuti (frecce blu). I calcoli effettuati sui risultati dell'esperimento indicarono che il diametro della porzione di spazio vuoto è da diecimila a centomila volte più grande del diame- tro del nucleo.

Il numero atomico

Dopo l'esperimento di Rutherford, J. Moseley condusse una serie di esperimenti con i raggi X. Dai risultati sperimentali ottenuti concluse che : Ogni elemento differisce dall'elemento che lo precede per avere una carica positiva in più nel nucleo. Così fu possibile disporre gli elementi, nella tavola periodica, in ordine di carica nucleare crescente. Quindi si sa che un atomo neutro di un elemento contiene un numero intero di protoni nel nucleo, uguale esattamente al numero di elettroni fuori dal nucleo.

I neutroni

Il neutrone fu scoperto nel 1932. Si sono osservati durante un esperimento di bombardamento di atomi di berillio con particelle a di elevata energia.

Numero di massa (protoni + neutroni) 13 6 C Numero atomico (protoni) Figura 5-7 Simbolo di un nuclide. In chimica il numero atomico spesso si omette perché il simbolo dell'ele- mento indica senza ambiguità un ben preciso numero atomico. In tutti i nuclei degli atomi, insieme ai protoni si trovano anche i neutroni, ad eccezione dell'idrogeno 1H. Le dimensioni dei nuclei sono dell'ordine di 10-5 nanometri (nm) mentre il diametro degli atomi è dell'ordine di 10-1 nm (= 1 Å; l'Angstrom, Å, è l'unità di lunghezza usata in campo atomico e molecolare).

Il numero di massa e gli isotopi

Quasi tutti gli elementi sono costituiti da atomi di diversa massa, chiamati isotopi. Gli isotopi di un dato elemento contengono lo stesso numero di protoni ed elettroni, ma un numero differente di neutroni. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi differenti masse, in quanto contengono lo stesso numero di protoni ma differente numero di neutroni.

RICORDA:

• Z = numero atomico = numero dei protoni
• A = numero di massa = numero di protoni + numero dei neutroni

ISOTOPI = Atomi di un elemento con diverso numero di neutroni , cioè diverso A

n= A -Z

La struttura elettronica degli atomi

Il modello dell'atomo di Rutherford è di tipo "planetario": a)nucleo centrale nel quale risiede la quasi totalità della massa dell'atomo e in cui sono presenti cariche elementari positive in numero caratteristico per ciascuna specie atomica (numero atomico); b)elettroni con carica elementare negativa che ruotano attorno al nucleo in numero uguale al numero atomico. I raggi degli atomi, considerati sferici, sono di circa 10-8 cm (0,1 nm = 1 Å) e quelli del nucleo di circa 10-12-10-13 cm: pertanto, la struttura atomica può considerarsi come una struttura vuota.

PROBLEMA :

Il sistema planetaraio di Rutherford dovrebbe essere instabile. Gli elettroni devono muoversi con velocità adeguata per non cadere sul nucleo (come la Terra intorno al Sole), ma se ruotano dovrebbero - in base alle teorie dell'elettromagnetismo - emettere radiazioni elettromagnetiche, perdere energia e collassare sul nucleo ! Nella realtà, il sistema nucleo-elettroni è stabilissimo!

Interpretazione quantistica dell'atomo di idrogeno

Nel 1913 N. Bohr applicò la teoria quantistica di Planck all'atomo. Quando l'atomo è nello stato fondamentale esistono solo alcuni stati in cui l'elettrone si trova senza emettere energia nel suo movimento attorno al nucleo: gli stati stazionari. In particolare, Bohr postulò che il momento angolare dell'elettrone in uno stato stazionario debba essere un multiplo di h/2T (h = costante di Planck = 6,625.10-27 erg s): mvr = nh/2™ (1) con n = 1, 2, 3, 4 ...

LIVELLI ENERGETICI

Secondo Bohr gli elettroni si possono trovare solo in particolari orbite il cui raggio è quantizzato e definito da n (numero quantico principale). Quando l'elettrone si muove in queste orbite, non assorbe ed emette energia e si trova in un dato livello energetico. In genere l'elettrone si trova nell'orbita con n più basso.

n =4 n =3 n=2 n=1 Energia

Energia Salto quantico Assorbimento energia AE = E2-F1 E1 Livelli energetic Ez Stato fondamentale Stato eccitato SPETTRO DI ASSORBIMENTO fotone Emissione energia hv + AE = Ez-E1 = hV E1 fotone E2 Stato eccitato Stato fondamentale SPETTRO DI EMISSIONE

MODELLO A STRATI

PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE HEISEMBERG

TEORIA DI DE BROGLIE DUALISMO ONDA- PARTICELLA

ORBITALE

L'ORBITALE è lo spazio attorno al nucleo in cui è massima la probabilità di trovare l'ELETTRONE

• Gli elettroni hanno una duplice natura: corpuscolare e ondulatoria.
• Per gli elettroni non è possibile parlare di traiettoria.
• La posizione di un elettrone nell'atomo è un concetto esclusivamente probabilistico. Si deve parlare di ORBITALE.
• Risolvendo un'equazione differenziale a derivate parziali (Equazione di Schroedinger) si ha come soluzione una funzione chiamata funzione d'onda.

La regione dello spazio in cui si ha la probabilità massima di trovare un elettrone con una certa energia è detta ORBITALE. Ogni orbitale viene definito da 3 numeri quantici (n, l, m)