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La struttura dellatomo Modulo 3 U.D. 2 Chimica Prof. Augusto Festino Liceo Scientifico G. Salvemini A.S. 2005/06.

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1 La struttura dellatomo Modulo 3 U.D. 2 Chimica Prof. Augusto Festino Liceo Scientifico G. Salvemini A.S. 2005/06

2 La struttura dellatomo La doppia natura della luce La doppia natura della luce Latomo di Bohr Latomo di Bohr Il modello atomico a strati Il modello atomico a strati Equazione donda ed orbitali Equazione donda ed orbitali Numeri quantici Numeri quantici Configurazione elettronica degli elementi Configurazione elettronica degli elementi

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4 Radiazione elettromagnetica

5 Equazioni matematiche e rappresentazioni grafiche che descrivono un Equazioni matematiche e rappresentazioni grafiche che descrivono un fenomeno ondulatorio: una oscillazione periodica (nel tempo e nello spazio) di un parametro fenomeno ondulatorio: una oscillazione periodica (nel tempo e nello spazio) di un parametro lunghezza donda ( spazio o tempo tra due punti nella stessa fase, es. tra due creste lunghezza donda ( spazio o tempo tra due punti nella stessa fase, es. tra due creste frequenza ( numero di oscillazioni complete nellunità di tempo) frequenza ( numero di oscillazioni complete nellunità di tempo) no spostamento di materia no spostamento di materia sì spostamento di energia sì spostamento di energia onde e fenomeni ondulatori Onde acustiche si propagano per successive compressioni e decompressioni del mezzo (aria, acqua, metallo) particelle che si allontanano e si avvicinano tra loro

6 onde elettromagnetiche luce, elettricità, magnetismo sono fenomeni ondulatori descritti da luce, elettricità, magnetismo sono fenomeni ondulatori descritti da onde elettromagnetiche che si spostano senza sostegno di un mezzo onde elettromagnetiche che si spostano senza sostegno di un mezzo tutte alla stessa velocità ( m/sec = c) tutte alla stessa velocità ( m/sec = c) si differenziano per e per, inversamente proporzionali tra loro si differenziano per e per, inversamente proporzionali tra loro E = h (h= costante di Planck) energia portata da un quanto (pacchetto di energia di quantità finita) E = h (h= costante di Planck) energia portata da un quanto (pacchetto di energia di quantità finita) = c / = c / Lunghezza donda

7 Fotoni di luce blu e rossa

8 spettri di emissione degli elementi spettri di emissione degli elementi una luce che attraversa un prisma, si scompone in una serie di righe, una per ogni onda che la compone una luce che attraversa un prisma, si scompone in una serie di righe, una per ogni onda che la compone a ogni riga corrisponde una quantità definita di energia che dipende dalla sua frequenza a ogni riga corrisponde una quantità definita di energia che dipende dalla sua frequenza un elemento eccitato - cui si fornisce energia - emette una luce costituita da un insieme di onde un elemento eccitato - cui si fornisce energia - emette una luce costituita da un insieme di onde ogni elemento ha un suo caratteristico spettro di emissione carta di identità dellelemento ogni elemento ha un suo caratteristico spettro di emissione carta di identità dellelemento spettro di emissione spettro di emissione

9 Un atomo eccitato di Litio emette un fotone di luce rossa per passare ad un livello più basso di energia

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11 Atomi di Idrogeno che ricevono energia da una sorgente esterna eccitandosi

12 Gli atomi di idrogeno eccitati rilasciano energia emettendo fotoni

13 Un atomo eccitato di idrogeno emettendo un fotone ritorna al suo stato stazionario

14 Niels Bohr ( ) e latomo di idrogeno latomo di idrogenolatomo di idrogeno Bohr misurò lenergia associata a ogni onda emessa da atomi di idrogeno ( 1 protone e 1 elettrone ) eccitati Bohr misurò lenergia associata a ogni onda emessa da atomi di idrogeno ( 1 protone e 1 elettrone ) eccitati ipotizzò che lelettrone potesse assorbire solo quantità discrete di energia (quanti) con cui ipotizzò che lelettrone potesse assorbire solo quantità discrete di energia (quanti) con cui vincere lattrazione del nucleo e allontanarsi da esso di una quantità legata allenergia assorbita, e quindi vincere lattrazione del nucleo e allontanarsi da esso di una quantità legata allenergia assorbita, e quindi ricadere al suo posto, cedendo i quanti assorbiti ricadere al suo posto, cedendo i quanti assorbiti la frequenza ( ) dellonda emessa dallelettrone eccitato = differenza di energia tra le dueposizioni o distanze dal nucleo alle quali può collocarsi (ΔE= h ) assorbendo e cedendo alternativamente lenergia la frequenza ( ) dellonda emessa dallelettrone eccitato = differenza di energia tra le dueposizioni o distanze dal nucleo alle quali può collocarsi (ΔE= h ) assorbendo e cedendo alternativamente lenergia

15 atomo di Bohr atomo di Bohr gli elettroni si muovono su orbite stazionarie caratterizzate da livelli di energia definiti gli elettroni si muovono su orbite stazionarie caratterizzate da livelli di energia definiti non sono possibili posizioni intermedie non sono possibili posizioni intermedie lelettrone che si muove sul suo livello (quello più vicino possibile al nucleo) non perde energia e quindi non cade sul nucleo lelettrone che si muove sul suo livello (quello più vicino possibile al nucleo) non perde energia e quindi non cade sul nucleo

16 Energia ed elettroni fornendo energia a un elettrone, questo assume uno stato eccitato e salta su di un livello energetico superiore e poi ricade al suo livello emettendo - sotto forma di luce -stato eccitato lenergia che aveva assorbito energia Stato eccitato

17 Elettrone: onda o corpuscolo? 1924: Louis De Broglie se londa elettromagnetica si può comportare da particella ( quanto, da cui dipende anche leffetto fotoelettrico ), 1924: Louis De Broglie se londa elettromagnetica si può comportare da particella ( quanto, da cui dipende anche leffetto fotoelettrico ), la particella - elettrone- si può comportare come onda elettromagnetica ( descritta dallequazione di Schrödinger-1926 ) la particella - elettrone- si può comportare come onda elettromagnetica ( descritta dallequazione di Schrödinger-1926 ) 1927: principio di indeterminazione di Heisenberg non si possono misurare contemporaneamente posizione e velocità dellelettrone 1927: principio di indeterminazione di Heisenberg non si possono misurare contemporaneamente posizione e velocità dellelettrone ma solo esprimere con una equazione la probabilità di trovare lelettrone su di una porzione di spazio attorno al nucleo ma solo esprimere con una equazione la probabilità di trovare lelettrone su di una porzione di spazio attorno al nucleo Energia associata con mc 2 = h materia E=mc 2 onda E=h

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22 Dal modello atomico di Bohr si passa quindi al modello atomico corrente modello atomico correntemodello atomico corrente

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24 Rappresentazione fisica degli orbitali s e p orbitale p y I 3 orbitali p Gli orbitali vengono rappresentati come porzioni di spazio nelle quali è massima la probabilità di trovare un elettrone orbitale s orbitale p x orbitale p z

25 Relative sizes of the spherical 1s, 2s, and 3s orbitals of hydrogen.

26 The three 2p orbitals.

27 The shapes and labels of the five 3d orbitals.

28 Forma e nomi dei 7 orbitali f

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30 Numeri quantici la porzione di spazio dove è massima la probabilità di trovare un elettrone: la porzione di spazio dove è massima la probabilità di trovare un elettrone:ORBITALE ogni elettrone viene identificato da 4 numeri quantici ogni elettrone viene identificato da 4 numeri quantici in un atomo non possono esistere 2 elettroni con tutti e 4 i numeri quantici uguali in un atomo non possono esistere 2 elettroni con tutti e 4 i numeri quantici uguali principio di esclusione del Pauli (1925) principio di esclusione del Pauli (1925) n principale : da 1 a 7 (interi) = livello di energia dove si trova [dimensione dellorbitale] n principale : da 1 a 7 (interi) = livello di energia dove si trova [dimensione dellorbitale] sottolivello: per ogni valore di n : da 0 a (n - 1) [forma dellorbitale] sottolivello: per ogni valore di n : da 0 a (n - 1) [forma dellorbitale] m magnetico: per ogni valore di : da - a + [numero di direzioni nello spazio dellorbitale] m magnetico: per ogni valore di : da - a + [numero di direzioni nello spazio dellorbitale] spin ogni elettrone assume un valore :o -½, o + ½ [verso di rotazione dellelettrone sul proprio asse spin ogni elettrone assume un valore :o -½, o + ½ [verso di rotazione dellelettrone sul proprio asse

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32 Numeri quantici e distribuzione elettronica n=1 m= 0 =0 =0 -½+½ I livello energia, 1 orbitale s, 2 elettroni -½+½ n=2 m= 0 =0 =0 =1 =1 --1 m = ½+½ -½+½ -½+½ II livello energia 1 orbitale s, 3 orbitali p 8 elettroni n=3 -2 m = m= 0 =1 =1 =0 =0 =2 =2 --1 m = ½+½ -½+½ -½+½ -½+½ -½+½ -½+½ -½+½ -½+½ -½+½ III livello energia 1 orbitale s, 3 orbitali p 5 orbitali d 18 elettroni

33 Distribuzione elettronica: rappresentazione grafica Ogni orbitale viene rappresentato da un quadrato: s p x,y,z Ogni orbitale viene rappresentato da un quadrato: s p x,y,z Gli elettroni vengono indicati con frecce Gli elettroni vengono indicati con frecce orbitale con un elettrone semioccupato orbitale con un elettrone semioccupato Un elettrone da solo elettrone spaiato o singoletto Un elettrone da solo elettrone spaiato o singoletto orbitale con 2 elettroni completo orbitale con 2 elettroni completo 2 elettroni in un orbitale doppietto 2 elettroni in un orbitale doppietto Principio di esclusione del Pauli in un orbitale 2 soli elettroni con spin opposto: () Principio di esclusione del Pauli in un orbitale 2 soli elettroni con spin opposto: ()

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35 Energia degli orbitali orbitali che si trovano allo stesso livello di Energia hanno diversa energia: orbitale s : meno energetico ; viene sempre riempito per primo in ogni livello 3 orbitali p hanno uguale energia massima distribuzione degli elettroni 5 orbitali d : energia maggiore rispetto lorbitale s del livello successivo che verrà quindi riempito prima massima distribuzione = gli elettroni in un particolare livello tendono a distribuirsi su tutti gli orbitali dello stesso tipo ordine di distribuzione elettronica 1 s 4 s 3 d3 p3 s 2 s2 p 4 p4 d4 f 5 s5 p5 d5 f 1 s 2 s 2 p 3 s, 3 p, 4 s 3 d, 4 p, 5 s 4 d, 5 p,…

36 E 1s 2s 2p 3 p 3s 3 d Gli elettroni occupano sempre gli orbitali a più bassa energia !

37 Scrittura rapida della distribuzione elettronica numero arabo livello di energia numero arabo livello di energia lettera minuscola tipo di orbitale lettera minuscola tipo di orbitale esponente numero di elettroni esponente numero di elettroni 2 p 3 Livello energia orbitale Numero elettroni Livello 2 di Energia 5 elettroni da distribuire 2 s 2 2 p 3

38 distribuzione elettronica II e III livello 2 s 2 p x 2 p y 2 p z Elemento Li litio Be berillio B boro C carbonio N azoto O ossigeno F fluoro 3 s 3 p x 3 p y 3 p z Elemento Na sodio Mg magnesio Al alluminio Si silicio P fosforo S zolfo Cl cloro

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40 Regola dellottetto il livello più esterno -qualunque esso sia, escluso il I°- non può ospitare più di 8 elettroni il livello più esterno -qualunque esso sia, escluso il I°- non può ospitare più di 8 elettroni Gli elettroni periferici si distribuiscono tra lorbitale s e i 3 orbitali p (esclusi H e He, livello 1: un orbitale s) Gli elettroni periferici si distribuiscono tra lorbitale s e i 3 orbitali p (esclusi H e He, livello 1: un orbitale s) un atomo tende a raggiungere la stabilità di un gas nobile ossia a mostrare un livello esterno completo un atomo tende a raggiungere la stabilità di un gas nobile ossia a mostrare un livello esterno completo gli atomi -dello stesso elemento o di elementi diversi- si avvicinano ed attirano reciprocamente i rispettivi elettroni periferici per raggiungere lottetto gli atomi -dello stesso elemento o di elementi diversi- si avvicinano ed attirano reciprocamente i rispettivi elettroni periferici per raggiungere lottetto la forza con cui un nucleo attira elettroni la forza con cui un nucleo attira elettroni forza elettrostatica tra nuclei di atomi diversi e gli elettroni forza elettrostatica tra nuclei di atomi diversi e gli elettroni legame chimico elettronegatività

41 Configurazione elettronica degli atomi Configurazione elettronica degli atomi

42 distribuzioni elettroniche B 1s 2 2s 2 2p 1 C 1s 2 2s 2 2p 2 N 1s 2 2s 2 2p 3 O 1s 2 2s 2 2p 4 F 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 Ca 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 Metalli I e II gruppo Orbitali p semiliberi: gruppi III, IV, V, Completamento doppietti orbitali p: gruppi VI, VII, gas nobili

43 Elementi transizione Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 Ti 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 riempimento orbitali d del livello precedente

44 Gas nobili o inerti: ultimo livello completo Ne neon Ar argon 2 s 2 p x 2 p y 2 p z 3 s 3 p x 3 p y 3 p z Un caso particolare: elio 2 elettroni che completano lunico orbitale -s- del primo livello H idrogeno He elio 1 s

45 Scrittura rapida Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 o p p ur e [Ne]3s 2 S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 3p 1 3p 1 [Ne]3s 2 3p 2 3p 1 3p 1 Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 3p 2 3p 2 [Ne]3s 2 3p 2 3p 2 3p 2 tra parentesi quadra, la distribuzione fino al gas inerte del periodo precedente

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