Basi di Chimica: struttura atomica e molecolare della materia

Basi della Chimica

La base della materia è composta da atomi e molecole. L'atomo è piccolo e indivisibile, si legano fra loro alla ricerca di una stabilità. La molecola è un insieme di atomi divisibili, sono legati fra loro attraverso i legami. La conoscenza scientifica è empirica, basata sull'osservazione e sulla sperimentazione. La materia si classifica attraverso una forma fisica e una chimica.

Macro Gruppi della Materia

Da esse troviamo tre macro gruppi:

• solido: atomi e molecole sono vicini e in posizioni fisse, ha volume proprio/fisso e forma propria/rigida; può essere cristallino, se atomi e molecole seguono un ordine che si ripete, oppure può essere amorfo, ovvero una sostanza composta da due o più elementi che possono essere divisi.
• liquido: atomi e molecole sono impacchettati ma liberi di muoversi, hanno un volume fisso ma prendono la forma del contenitore dove sono contenuti.
• aeriforme: atomi e molecole hanno la forma e volume del contenitore, sono compressibili.

Sostanze Pure e Miscele

La materia, inoltre, può essere una sostanza pura o una miscela.

• Sostanza pura: è un atomo o un elemento, composto da più elementi che possono essere divisi.
• Miscela: formata da due o più componenti, può essere eterogenea (composizione varia, sabbia) o omogenea (composizione uniforme, te zuccherato). I componenti di esse possono essere separati tramite la distillazione o la filtrazione.

Trasformazioni della Materia

Le trasformazioni possono essere fisiche che alterano lo stato e l'aspetto, mentre quelle chimiche alterano la composizione. Per entrambi l'energia è sempre conservata, non viene né creata né distrutta secondo la legge di conservazione dell'energia.

Teoria Atomica Moderna

La struttura dell'atomo viene descritta dalla teoria atomica moderna che si è sviluppata grazie:

1. Legge di conservazione della massa (Lavoisier)= in una reazione chimica la materia né si cre né si distrugge. I composti iniziali si chiamano "reagenti" mentre quelli che si formano sono i "prodotti".
2. Legge delle proporzioni definite (Proust)= tutti i campioni di un dato composto hanno la stessa proporzione dei loro elementi costitutivi.
3. Legge delle proporzioni multiple (Dalton)= quando due elementi (A e B) formano due composti differenti, le masse di B si combinano con quelle di A, vengono espresse come un rapporto di numeri interi piccoli.

Teoria Atomica di Dalton

Queste leggi ci portano alla teoria atomica moderna di Dalton:

• Ciascun elemento ha particelle piccole e indivisibili
• Gli atomi di un elemento hanno la stessa massa e proprietà che li distinguono
• Gli atomi si combinano in rapporti espressi da numeri interi piccoli
• Gli atomi di un elemento non possono essere trasformati. In una reazione chimica cambia il modo in cui gli atomi sono legati

Scoperta degli Elettroni

L'atomo è indivisibile ma non vuoto, è costituito de particelle cariche. Gli elettroni vengono scoperti da Thomson attraverso l'esperimento dei raggi catodici: costruì un tubo di vetro parzialmente sottovuoto dove applicò una differenza di potenziale fra i due elettroni alle estremità del tubo, scoprendo che il raggio di particelle viaggiava dall'elettrone negativo a quello positivo. Le particelle si muovevano su linee rette, indipendenti dalla loro origine e trasportavano una carica elettrica negativa. La carica elettrica contraddistingue gli atomi e dà luogo a forze attrattive repulsive che si trovano nel campo elettrico.Dopo il suo esperimento Thomson propose il modello a panettone, teorizzò che gli elettroni fossero piccole particelle (canditi) all'interno di una sfera carica positivamente (impasto). Ma successivamente venne scoperta la radioattività ovvero l'emissione di piccole particelle energetiche da parte dei nuclei di alcuni atomi instabili.

Esperimento di Millikan

Un altro esperimento che servì per individuare la carica di un singolo elettrone fu quello di Millikan della goccia d'olio: utilizzò un atomizzatore per nebulizzare l'olio in piccolissime gocce che cadevano attraverso un foro. Le goccioline catturavano gli elettroni che erano stati prodotti bombardando l'aria presente nella camera con radiazioni ionizzanti. Lui scoprì che gli elettroni impartivano una carica negativa le goccioline, avendo inserito due piastre elettriche alla base riuscì a capire la carica di ciascuna gocciolina, era uguale a quella di un elettrone.

Esperimento di Rutherford

Rutherford utilizzò per un esperimento le particelle Alfa che inviò su una lamina ultra sottile d'oro. Se gli atomi fossero stati come un panettone queste sonde in movimento avrebbero dovuto attraversare la lamina in una piccola percentuale. Invece successe che: -le particelle passano indisturbate attraverso la lamina -alcune furono deflesse e altre riflesse In questo modo Rutherford creò un nuovo modello. Egli teorizzo che la massa e la carica positiva dell'atomo si trovassero in uno spazio molto piccolo rispetto all'atomo e che la materia non fosse distribuita uniformemente ma concentrata in piccole regioni di materia molto densa.

Teoria Nucleare

Teoria nucleare:

1. La massa dell'atomo e la sua carica positiva è contenuta nel nucleo
2. Il volume dell'atomo è spazio vuoto dove sono dispersi gli elettroni. Essi entrano in gioco nelle reazioni, è da loro che dipende la reattività dell'atomo, i neutroni e i protoni sono indicativi per la massa dell'atomo.
3. Vi sono tanti elettroni al di fuori del nucleo quanti protoni nel nucleo.

Questo modello era incompleto, ciò che cambiava tra alcuni atomi era la massa, dovuta ai neutroni, particelle neutre nel nucleo con massa simile a quella dei protoni ma senza carica elettrica. Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche. Un unità di misura per esprimere queste masse è l'unità di massa atomica (u). è definita come 1/12 della massa dell'atomo di carbonio. La carica in unità atomiche dell'elettrone è -1 mentre quella del protone è +1. Ciò che differenzia gli elementi risiede nei numeri di queste particelle. Il numero più importante che definisce l'identità di un elementi è il numero di protoni nel suo nucleo; il numero atomico (Z) Gli atomi con lo stesso numero di protoni ma con un differente numero di neutroni so chiamano isotopi. La somma del numero di neutroni e di protoni di un atomo è il numero di massa (A) Nelle reazioni chimiche gli atomi possono perdere o acquistare elettroni e diventare particelle cariche chiamate ioni. Gli ioni positivi sono i cationi, mentre quelli negativi sono gli anioni.

Tavola Periodica

Alla base di essa vi è la legge periodica di Mendeleev: quando gli elementi/atomi sono organizzati in ordine di massa crescente alcune proprietà si ripetono periodicamente.

Classificazione degli Elementi

Gli elementi possono essere divisi in metalli, non metalli, metalloidi: -metalli, sono duttili e malleabili, buoni conduttori di calore ed elettricità, sono lucenti e tendono a perdere elettroni -non metalli, sono solidi, liquidi e gassosi, acquistano elettroni -metalloidi, hanno proprietà intermedie e sono semiconduttori Gli elementi sono suddivisi in gruppi, ogni colonna è un gruppo: vi sono sia gli elementi dei gruppi principali, indicati con A, sia gli elementi dei gruppi di transazione/metalli di transazione, indicati con B. Gli elementi dei gruppi presentano proprietà simili, il gruppo 8 A comprende i gas nobili che sono poco reattivi e stabili, il gruppo 1 A sono i metalli alcalini, il gruppo 2 A sono metalli alcalino terrosi, il gruppo 7 A sono alogeni. Un metallo dei gruppi principali tende a perdere elettroni, formando un catione con lo stesso numero di elettroni del gas nobile più vicino; un non metallo di gruppi principali tende ad acquistare elettroni, formando un anione con lo stesso numero di elettroni del gas nobile più vicino.

Massa Atomica e Mole

Massa atomica/peso atomico (ma)= tutti gli atomi di un dato elemento hanno la stessa massa, ma per quanto riguarda la presenza degli isotopi gli atomi hanno masse differenti. Essa è rappresentata sotto il simbolo dell'elemento. La massa media degli isotopi che costituiscono quell'elemento viene pesata in base all'abbondanza naturale di ciascun isotopo. Si misura in "u". Numero di Avocadro (N)= permette di passare da dalton a grammi. N=6,023x10 alla 23 La mole(n)= è la quantità chimica che contiene un numero di particelle uguale al numero di atomi contenuti in 12 grammi esatti di carbonio puro-12 puro. Si misura in mol. Da moli ad atomi= 1mol di atomi/6,022x10 alla 23atomi. Massa molare (MM)= la massa molare (M) è uguale alla massa atomica relativa espressa in grammi. Si misura in g/mol. La massa atomica e massa molare hanno lo stesso valore numerico ma diversa unità di misura.

Configurazione Elettronica

Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg più accuratamente si conosce la posizione di un elettrone meno si conosce la sua velocità e viceversa. La velocità di un elettrone è correlata alla sua energia. La sua posizione è descritta in termini di orbitale. Ciascun orbitale è individuato da 4 numeri quantici:

• Numero quantico principale (n)= numero intero, determina la dimensione e l'energia complessiva di un orbitale. Va da 1 a +infinito.
• Numero quantico secondario/del momento angolare (l)= numero intero, determina la forma dell'orbitale. I valori che assume sono 0,1,2,3 ... (n-1)
• Numero quantico magnetico (m)= numero intero, specifica l'orientamento dell'orbitale. Va da -1 a +1 incluso 0) -2,-1,0,+1,+2 ...
• Numero quantico di spin (ms)= specifica lo spin. (1/2 e -1/2)

Orbitali e Nodi

Maggiore è la quantità di energia, maggiore sarà la distanza dal suo nucleo. Ciò avviene per la legge di Coulumb: 2 cariche opposte si attraggono, 2 cariche opposte si respingono. Vi è più possibilità di trovare un elettrone vicino al nucleo. La funzione della distribuzione radiale identifica la probabilità di trovare l'elettrone all'interno di un guscio sferico ad una distanza r dal nucleo. Negli orbitali vi sono i nodi.

• Orbitale s (I=0): ha simmetria sferica ed è l'orbitale dove l'energia è minore. Può contenere solo 2 elettroni.
• Orbitale s (l=1): ciascun livello con n=2 possiede 3 orbitali p. hanno 2 lobi di densità elettronica e un nodo localizzato sul nucleo. Sono perpendicolari fra loro, si indicano come orbitali px,py,pz. Può contenere 6 elettroni.
• Orbitale d (l=2): n=3, contiene 5 orbitali d. quattro orbitali hanno la forma a quadrifoglio con 4 lobi di densità elettronica attorno al nucleo e 2 piani nodali perpendicolari. Può contenere 10 elettroni.
• Orbitale f (l=3): n=4, ha 7 orbitali f e m è 0,+-1,+-2,+-3. Può contenere 14 elettroni.