Chimica e laboratorio

L’atomo: configurazione

elettronicaClassi Terze – Lic. Sc.

TecnologicoDocente: Luciano Canu

Anno Scolastico 2007/2008

L’atomo: configurazione

elettronicaClassi Terze – Lic. Sc.

TecnologicoDocente: Luciano Canu

Anno Scolastico 2007/2008

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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

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ObiettiviObiettivi

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

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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)

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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

E

B

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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

hEc = 299 792,458 km/s

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Spettro elettromagnetico Insieme ordinato (per lunghezza

d’onda/frequenza) delle radiazioni elettromagnetiche

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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

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Spettri di emissione

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

S C R

R

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nel 1913

nel 1911

nel 1900

nel 1803

nel IV secol

oa. C.

L’atomo da Democrito a RutherfordL’atomo da Democrito a Rutherford

Democrito

DaltonThomson

Rutherford

Bohr

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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

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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

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Uno scaffale per gli elettroniUno 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

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atomo

La quantizzazione dell’energiaLa quantizzazione dell’energia

nucleo

e-

e-

e-

e-

E1E2E3E4E5

Gli elettroni possono occupare solo i livelli a distanze ed energie ben precise

e-

e-e-

I livelli intermedi sono da considerarsi “proibiti”

Tra due livelli c’è una differenza di energia corrispondente ad un “pacchetto” di precise dimensioni

e-

Se si fornisce una confezione di energia adatta…

…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

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Gli stati dell’atomoGli 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

e-

e-

e-

e-

nucleo L1 L2

L3

atomo

quanto

e-

luce

e-

e-

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Approfondisci:

energia associata ai livelliApprofondisci:

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

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Approfondisci: livelli permessiApprofondisci: 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

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La ionizzazione: cationiLa 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

N

e-

E

N+

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La ionizzazione: anioniLa ionizzazione: anioni 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

Cl

e-E

Cl-

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Gli ioni: definizioniGli ioni: definizioni

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

+3 -

-

-EI+ -+3 -

-+

- ++3 -

-

-

-

-+AE

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Il diagramma delle EIIl diagramma delle EI

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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

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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

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Promuovere l’elettrone

Fornire l’energia necessaria per farlo “saltare” al livello elettronico superiore• Il salto può essere sul livello contiguo

o sui successivi

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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

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Livelli permessi e non

Perché l’energia dei livelli elettronici è quantizzata

Tutti i livelli caratterizzati da valori energetici

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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

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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

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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

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Elettroni di Valenza

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”

P Z=15Elettroni di valenza = 5

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Periodicità delle proprietà

Lungo un periodo (riga) le proprietà chimiche variano in modo costante

Lungo un gruppo (colonna) si riscontra una somiglianza chimica

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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-