Chimica e laboratorio L’atomo: configurazione elettronica Classi Terze – Lic. Sc. Tecnologico Docente: Luciano Canu Anno Scolastico 2007/2008

Prerequisiti Conoscere l’evoluzione delle conoscenze sulla costituzione dell’atomo, da Democrito a Rutherford Conoscere e saper interpretare, guidati, i fatti sperimentali e i fenomeni quotidiani che indicano la natura elettrica della materia

Obiettivi Acquisire il concetto di energia di ionizzazione e di affinità elettronica Capire che attorno al nucleo sono disposti gli elettroni in livelli di energia crescente Conoscere e capire il significato di quantizzazione dell’energia nell’atomo Riconoscere nelle prove sperimentali la conferma del modello di Bohr e dell’esistenza dei livelli elettronici

Le onde In fisica con il termine onda si indica una perturbazione che nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio, trasportando energia (o quantità di moto senza comportare un associato spostamento della materia)

Parametri descrittivi Ampiezza (A) Variazione massima della grandezza caratteristica del tipo d’onda rispetto al valore di base Altezza (onde nei liquidi) Pressione (onde sonore) Intensità di E o di B (radiazioni elettromagnetiche) Frequenza ( ni) Numero di onde che passa in un certo punto in un secondo (Hz)(s-1) Lunghezza d’onda ( lambda) Distanza tra due picchi (massimi) successivi

Relazioni È dimostrata la relazione tra frequenza e lunghezza d’onda Nel vuoto sono in relazione inversa a meno della costante c (=velocità della luce) Relazione di Planck Tale relazione permette di ottenere l’energia trasportata dall’onda elettromagnetica E = h  dove h è la costante di Planck che vale 6,626 x 10-34 J.s c = 299 792,458 km/s

Spettro elettromagnetico Insieme ordinato (per lunghezza d’onda/frequenza) delle radiazioni elettromagnetiche

Spettri di assorbimento Spettro continuo derivato dalla luce bianca del sole oppure da una lampadina (candela) Se si fa attraversare un campione opportunamente preparato dalla luce bianca può capitare che la sostanza interferisca con la radiazione e ne assorba una parte Si ottiene uno spettro “continuo” che presenta righe, bande o fasce scure, si parla di spettro di assorbimento

Spettri di emissione C S R R Quando si fa attraversare un campione opportunamente preparato dalla luce bianca è possibile con opportuni strumenti registrare la radiazione precedentemente assorbita come radiazione emessa Si ottiene uno spettro nero che presenta righe, bande o fasce colorate, si parla di spettro di emissione

L’atomo da Democrito a Rutherford nel 1911 Democrito Dalton nel IV secolo a. C. Thomson nel 1803 nel 1900 Rutherford Bohr nel 1913

Da Rutherford a Bohr Il modello di Rutherford fallisce Gli elettroni sono particelle cariche molto veloci che emetterebbero in brevissimo tempo tutta l’energia posseduta collassando sul nucleo Le orbite “planetarie” non sono adatte a descrivere lo stato degli elettroni in un atomo Il concetto rivoluzionario venne da Bohr

L’atomo di Bohr Si scopre il neutrone che viene collocato nel nucleo dell’atomo Ma la rivoluzione più importante è stata quella di attribuire valori energetici stabili e quantizzati (ben precisi) a tutte le orbite elettroniche L’idea era stata presa dal Fisico Max Plank che ipotizzò che l’energia fosse quantizzata Bohr applicò questo concetto alle orbite elettroniche Il modello di Bohr funzionava molto bene per spiegare il comportamento dell’atomo di idrogeno ma aveva problemi con atomi più complessi

Uno scaffale per gli elettroni Un elettrone che si trova in una certa orbita possiede l’energia associata a quel livello I livelli più vicini al nucleo hanno meno energia, quelli più lontani ne hanno di più Le orbite e quindi le energie permesse sono poche e ben precise Come in uno scaffale: i libri possono trovare posto solo ad altezze ben precise, in corrispondenza di un ripiano

La quantizzazione dell’energia Gli elettroni possono occupare solo i livelli a distanze ed energie ben precise atomo e- I livelli intermedi sono da considerarsi “proibiti” e- Tra due livelli c’è una differenza di energia corrispondente ad un “pacchetto” di precise dimensioni e- e- e- Se si fornisce una confezione di energia adatta… nucleo E1 E2 E3 E4 E5 …è possibile promuovere un elettrone dal livello fondamentale a quello eccitato Pacchetti d’energia diversi non sono assorbiti dall’atomo e gli elettroni non si spostano verso livelli che risultano proibiti

Gli stati dell’atomo Definizione: lo stato dell’atomo in condizioni di stabilità ed energia minima si definisce fondamentale Definizione: l’atomo che ha assorbito un pacchetto di energia opportuno raggiunge lo stato eccitato Definizione: quando l’atomo assorbe un pacchetto d’energia e l’elettrone utilizza questa energia per raggiungere un livello più alto, l’elettrone si definisce promosso quanto e- nucleo L1 L2 L3 atomo luce e- e- e- e- e-

Approfondisci: energia associata ai livelli Un libro posizionato in un ripiano acquista energia in relazione all’altezza del ripiano L’energia acquisita dal libro caratterizza il ripiano o meglio la sua altezza Il libro è sempre lo stesso ma se si trova vicino a terra quando cade non provoca danni Se lo stesso libro ci cade in testa da un ripiano molto alto può farci molto male poiché possiede molta energia

Approfondisci: livelli permessi I libri dello scaffale possono essere posizionati ad altezze ben precise Poche altezze sono consentite (5 piani solo 5 altezze) Moltissime altezze sono proibite (i libri cadrebbero a terra) Per gli elettroni si parla di distanze dal nucleo e di energia permessa

La ionizzazione: cationi Quando si fornisce il pacchetto d’energia giusto l’atomo può perdere un elettrone Si deve fornire energia all’atomo per allontanare l’elettrone Il primo elettrone perso è sempre il più lontano dal nucleo Quando un atomo neutro perde un elettrone si carica positivamente Si è formato uno ione, un catione E N+ N e-

La ionizzazione: anioni Cl- Cl Alcuni elementi hanno la capacità di acquistare elettroni Quando uno di tali atomi acquista un elettrone emette un pacchetto di energia Il primo elettrone acquistato occupa il livello più lontano dal nucleo Quando un atomo neutro acquisisce un elettrone si carica negativamente Si è formato uno ione, un anione E e-

Gli ioni: definizioni + + + + +3 - +3 - +3 - + EI AE + + + - - Uno ione è un atomo o un gruppo atomico che ha acquisito o perso uno o più elettroni (anioni, cationi) L’energia di ionizzazione è l’energia necessaria a estrarre un elettrone da un atomo neutro L’affinità elettronica è l’energia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettrone

Il diagramma delle EI

Domanda 1 Obiettivo dell’esperienza Verificare l’esistenza dei livelli elettronici e le caratteristiche Quantizzazione dell’energia Dimostrare la peculiarità delle configurazioni elettroniche Riconoscimento qualitativo

Spettri di assorbimento e emissione Si ottiene uno spettro di assorbimento Misurando il pacchetto assorbito dall’atomo Otteniamo uno spettro continuo costellato di righe nere Si ottiene uno spettro di emissione Misurando il pacchetto emesso dall’atomo Otteniamo uno spettro nero costellato di righe di emissione

Promuovere l’elettrone Fornire l’energia necessaria per farlo “saltare” al livello elettronico superiore Il salto può essere sul livello contiguo o sui successivi

Spettro visibile È costituito da onde elettromagnetiche che il nostro occhio può percepire Il rosso è la radiazione visibile a minore frequenza, quindi è la meno energetica Il violetto è la radiazione a maggiore frequenza, quindi trasporta i pacchetti energetici più elevati

Livelli permessi e non Perché l’energia dei livelli elettronici è quantizzata Tutti i livelli caratterizzati da valori energetici

La prima tavola periodica Il primo scienziato che ordinò gli elementi in una tavola (tabella) fu Mendeleev gli elementi conosciuti allora (1869) vennero disposti in base al peso atomico Attualmente si utilizza il numero atomico (Z) Mendeleev ebbe una grande intuizione: Incolonnò gli elementi che, secondo lui, presentavano comportamento chimico simile Il ripresentarsi periodico delle proprietà ha dato il nome alla tavola e ha permesso di individuare e caratterizzare le famiglie chimiche

Tavola periodica Le righe della tavola periodica corrispondono ai livelli elettronici Infatti in ciascuna riga troviamo un numero di caselle (elementi) corrispondente al numero massimo di elettroni ospitabili Le righe sono chiamate periodi Le colonne della tavola sono denominate gruppi Altro nome è “famiglie” chimiche

Le famiglie chimiche Tutti gli elementi ordinati lungo un gruppo (colonna) presentano Una certa somiglianza chimica (reattività) Possiedono il guscio più esterno con una disposizione elettronica simile Gli elettroni più esterni si chiamano di valenza La somiglianza chimica è più spiccata per i gruppi che si trovano agli estremi della tavola periodica Gruppo I – Metalli alcalini Gruppo II – Metalli alcalino-terrosi Gruppo VII – Alogeni Gruppo VIII – Gas nobili o inerti

Elettroni di Valenza P Z=15 Elettroni di valenza = 5 Perché certi elementi hanno un comportamento chimico simile? Mendeleev non dava nessuna spiegazione della sua tavola Gli elementi che si comportano in modo simile lo fanno perché mostrano una configurazione elettronica esterna simile Situazione elettronica nello strato più esterno Gli elettroni più esterni sono detti “di valenza” Lo strato più esterno è detto “di valenza”

Periodicità delle proprietà Lungo un periodo (riga) le proprietà chimiche variano in modo costante Lungo un gruppo (colonna) si riscontra una somiglianza chimica

Energia di prima ionizzazione Energia necessaria per estrarre un elettrone da un atomo gassoso e portarlo alla distanza infinita Ci sono elementi che perdono facilmente l’elettrone e altri che richiedono molta energia A + EI  A+ + 1e-