Lezione 2: Struttura Atomica e Legami Atomici 21-10-2010

Sommario Elementi costitutivi di un atomo; Definizione delle grandezze d’interesse; Struttura dell’atomo: Bohr vs Teoria Quantistica; Elettroni di valenza; La Tavola Periodica; Legami Atomici Primari; Legami Atomici Secondari; Effetto dei legami sulle proprietà dei materiali.

Elementi costitutivi di un atomo Gli elementi costitutivi di un atomo sono:

Definizione delle grandezze d’interesse Numero Atomico (Z): numero di protoni nel nucleo atomico Massa Atomica (A): somma delle masse dei protoni e neutroni che costituiscono il nucleo. Isotopo: atomi di alcuni elementi che differiscono per la massa atomica in quanto i neutroni presenti nel nucleo possono differire da atomo ad atomo per lo stesso elemento (es. isotopi dell’ossigeno 168O, 178O e 188° 8=numero atomico; 16,17,18 numero di massa). Unità di Massa Atomica (UMA): 1/12 della massa (in grammi) del 12C Peso Atomico: peso di 6.023x1023 molecole o atomi in gr/mole---> corrisponde al valore mediato delle masse atomiche degli isotopi naturali

Alcuni esempi di valori per le grandezze di riferimento Una grammomole o mole di un elemento esprime la quantità di tale elemento avente una massa, espressa in grammi, pari alla massa atomica molare relativa di quell’elemento. Es. L’alluminio (Al) ha una massa atomica pari a 26.98 gr/mole. Quindi 1 gr/mole di alluminio pesa 26.98 gr e contiene 6.023x1023 atomi.

Struttura dell’atomo: Bohr vs Teoria Quantistica Modello di Bohr Nel modello di Bohr l’elettrone si comporta come una particella. Nella teoria quantistica l’elettrone si comporta come onda. Nella teoria quantistica si introduce il concetto di probabilità.

I numeri quantici Numero Quantico Designazione n = principale (livello energetico) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.) l = azimutale s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n -1) ml = magnetico 1, 3, 5, 7 (-l : +l) ms = spin ½, -½

Le energie relative degli elettroni per i diversi valori di numeri quantici

La struttura di alcuni elementi

Elettroni di valenza e configurazione elettronica Configurazione STABILE: se il guscio esterno è completamente riempito Configurazione NON STABILE: se il guscio esterno non è completamente riempito

La tavola periodica • Colonne: Struttura di valenza simili Cedono 1e Gas nobili accettano 1e accettano 2e O Se Te Po At I Br He Ne Ar Kr Xe Rn F Cl S Li Be H Na Mg Ba Cs Ra Fr Ca K Sc Sr Rb Y Elementi più elettronegativi: Tendono a cedere elettroni Caricandosi positivamente (Cationi) . Elementi più elettronegativi: Tendono ad attrare elettroni Caricandosi negativamente (Anioni)

La tavola periodica: valori di elettronegatività

Legami Atomici

Legami Atomici: rationale

Legami Atomici Primari Legame IONICO; Legame Metallico; Legame COVALENTE.

Legame Ionico Legame ionico : Metallo + Non Metallo Cede Elettroni Accetta Elettroni 3.5 1.2 Catione Anione

Legame Ionico: NaCl Tra gli ioni si esercitano forze di Coloumb Energia di Attrazione Energia di Repulsione

Legame ionico altri esempi NaCl MgO CaF 2 CsCl

Legame Ionico: Forza di legame e adirezionalità Il legame ionico è ADIREZIONALE

Legame covalente Elettronegatività simili: condividono elettroni Legami determinati dalla valenza- orbitali s & p dominano il legame Esempi CH4, H2

Legame Covalente: singolo, doppio, triplo

Legame Covalente: energia di legame e direzionalità Il legame covalente è direzionale

Legame covalente: ibridizzazione Struttura del metano Struttura del diamante

Legame covalente: idrocarburi

% Carattere ionico

Legame Metallico Nel legame metallico gli elettroni di valenza sono delocalizzati su una nube elettronica condivisa da tutti gli atomi. Il legame può essere debole (es. mercurio, 68kJ/mol Tf=-39°C) o forte (Es. tungsteno, 850 kJ/mole Tf=3410°C)

Legame Metallico: energia di legame e direzionalità Il legame metallico è adirezionale

Legami Secondari

Legami secondari: Van der Walls I legami secondari originano dall’interazione tra dipoli • Dipoli fluttanti Nuvole elettroniche asimettriche + - H 2 ex: idrogeno liquido H • Dipoli Permanenti + - -Caso Generale: Cl Cl -ex: HCl liquido H H secondary bonding -ex: polimeri

Legami secondari: legame idrogeno

Legami secondari

Legami Secondari: energie di legame Notare la differenza di energia di legame tra il legame idrogeno e i legami di van der Walls.

Legami atomici e proprietà

Energia di legame e temperatura di fusione • Bond length, r • Melting Temperature, Tm r o Energy r • Bond energy, Eo Eo = “bond energy” Energy r o unstretched length smaller Tm larger Tm Tm is larger if Eo is larger.

Energia di legame e coefficiente di espansione termica • Coefficient of thermal expansion, a coeff. thermal expansion D L length, o unheated, T 1 heated, T 2 D L = a ( T - T ) 2 1 L o • a ~ symmetry at ro r o larger a smaller a Energy unstretched length Eo a is larger if Eo is smaller.