Chimica e laboratorio

L’atomo: configurazione

elettronica e tavola periodica

Classi quarteDocente: Luciano Canu

Anno Scolastico 2005/2006

L’atomo: configurazione

elettronica e tavola periodica

Classi quarteDocente: Luciano Canu

Anno Scolastico 2005/2006

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PrerequisitiPrerequisiti

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 elettronicaCapire che attorno al nucleo sono disposti gli elettroni in livelli di energia crescenteConoscere e capire il significato di quantizzazione dell’energia nell’atomoRiconoscere nelle prove sperimentali la conferma del modello di Bohr e dell’esistenza dei livelli elettronici

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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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La ionizzazione: cationiLa ionizzazione: cationiQuando si fornisce il pacchetto d’energia giusto l’atomo può perdere un elettroneSi deve fornire energia all’atomo per allontanare l’elettroneIl primo elettrone perso è sempre il più lontano dal nucleoQuando un atomo neutro perde un elettrone si carica positivamenteSi è formato uno ione, un catione

N

e-

E

N+

6

La ionizzazione: anioniLa ionizzazione: anioniAlcuni elementi hanno la capacità di acquistare elettroniQuando uno di tali atomi acquista un elettrone emette un pacchetto di energiaIl primo elettrone acquistato occupa il livello più lontano dal nucleoQuando un atomo neutro acquisisce un elettrone si carica negativamenteSi 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 neutroL’affinità elettronica è l’energia emessa da un atomo neutro per addizione di un elettrone

+3 -

-

-EI+ -+3 -

-+

- ++3 -

-

-

-

-+AE

8

Il diagramma delle EIIl diagramma delle EI

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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 livelloI livelli più vicini al nucleo hanno meno energia, quelli più lontani ne hanno di piùLe orbite e quindi le energie permesse sono poche e ben preciseCome 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 fondamentaleDefinizione: l’atomo che ha assorbito un pacchetto di energia opportuno raggiunge lo stato eccitatoDefinizione: 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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Una prova sperimentaleUna prova sperimentaleIl modello di atomo di Bohr spiegava un

fenomeno già conosciuto: gli spettriL’atomo di idrogeno allo stato di gas, quando colpito da una radiazioni elettromagnetiche

Emette una serie di righe spettrali che corrispondono a valori di energia ben precisiNon sono emessi casualmente ma presentano valori ben definiti

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SpiegazioneSpiegazioneL’organizzazione degli elettroni in livelli energetici stabili era in ottimo accordo con l’esistenza degli spettri atomici L’atomo funzionerebbe come un filtro assorbendo solo i pacchetti energetici compatibili con i suoi salti elettronici e successivamente restituendoliSi ottengono emissioni energetiche ben precise (discrete) a lunghezze d’onda caratteristicheL’atomo può essere riconosciuto proprio da queste tipiche risposte spettrali

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Sistema periodicoSistema periodicoLa struttura elettronica degli elementi può essere descritta e risulta in effetti più comprensibile utilizzando la tavola periodica degli elementi Tutti gli elementi sono distribuiti su sette righe denominate periodi

Ciascun periodo corrisponde ad un livello elettronico

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Livello 1

Livello 2

Livello 3

Livello 4

Livello 5

Livello 6

Livello 6Livello 7

Livello 7

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Gli elementiGli elementiOgni elemento è rappresentato da una casella Gli elementi sono ordinati in ordine di numero atomico (Z) crescente

Ciascun casella del periodo corrisponde al posizionamento di un elettrone nel primo livello libero dell’elemento corrispondente

25

HZ=1

1 elettrone nel primo livello energetico

(incompleto)

He

Z=22 elettroni nel primo livello energetico (completo)

N

Z=77 elettroni:

2 primo livello energetico (completo)

5 elettroni nel secondo livello (incompleto)

Ar

Z=1818 elettroni:

2 primo livello energetico (completo)

8 elettroni nel secondo livello (completo)

8 elettroni nel terzo livello (completo)

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I livelliI livelliOgni riga inizia con un elemento che posiziona il primo elettrone nel livello energetico corrispondenteOgni riga termina con un elemento che posizione l’ultimo elettrone per quel livello corrispondente

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Inizio del livelloPrimo elettrone

Livello completoUltimo elettrone

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Disporre gli elettroniDisporre gli elettroniUtilizzando la tavola periodica possiamo descrivere la struttura elettronica di un elemento

Nucleo di

Magnesio

Primo livell

o

Secondo livello

Terzo livello

Due elettro

ni

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I gruppi e le famiglieI gruppi e le famiglieGli elementi che costituiscono una colonna individuano un gruppoTutti gli elementi di un gruppo hanno l’ultimo livello riempito con un numero di elettroni ugualiGli elementi di un gruppo si somigliano chimicamente perché la situazione elettronica del livello più esterno è quella che determina il comportamento chimico

Gruppo dei

metalli alcalini

Gruppo dei

metalli alcalino-terrosi

Gruppo dei gas nobili

Gruppo degli

alogeni

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La periodicitàLa periodicitàLe proprietà chimiche e fisiche all’interno di un periodo variano con continuitàMa una volta che un livello è riempito con il suo numero massimo di elettroni

Si riparte con il primo elettrone nel livello successivoLe proprietà seguono un andamento simile a quello del livello precedente (periodicità)

1

2

3

Elettroni dell’ultimo livello

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Gli elettroni di valenzaGli elettroni di valenzaGli elettroni dell’ultimo livello di ciascun elemento ne determinano il comportamento chimicoSono chiamati elettroni di valenza

Il numero del gruppo indica quanti elettroni di valenza caratterizzano quell’elemento e quella famiglia chimicaI gruppi sono indicati con numeri romani

I II III IV V VI VII VIII

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I sottolivelliI sottolivelliOsservando meglio il diagramma delle energie di ionizzazione dei primi 20 elementi della tavola periodica si osserva

Tutti gli otto elettroni di un livello non si trovano alla stessa energiaIn un livello gli elettroni si raggruppano in due insiemi energetici leggermente diversi

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Quanti sottolivelli?Quanti sottolivelli?Lo schema evidenzia solo 2 sottolivelli

In realtà i sottolivelli energetici occupati da elettroni sono 4La tavola periodica evidenzia gli elementi che posizionano almeno il loro ultimo elettrone in questo tipo di sottolivello

Elementi del blocco d

Sottolivelli dElementi del blocco

fSottolivelli f

Elementi del blocco p

Sottolivelli p

Elementi del blocco s

Sottolivelli s

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Un tabella riassuntivaUn tabella riassuntiva

Livello

N° sottolivelli

Nome e ordine di riempimento

N° massimo di e- per ogni sottolivello

1° Uno s 2

2° Due s, p 2, 6

3° Due s, p 2, 6

4° Tre s, d, p 2, 10, 6

5° Tre s, d, p 2, 10, 6

6° Quattro s, f, d, p 2, 14, 10, 6

7° Quattro s, f, d, p 2, 14, 10, 6

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Metalli e non metalliMetalli e non metalli

La tavola periodica sotto mette in evidenza gli elementi

Metallici (in giallo)Non-metallici (in arancione scuro)Semimetallici (in arancione chiaro)

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CaratteristicheCaratteristicheI metalli sono in numero maggiorePresentano in misura variabile:

Malleabilità, duttilità (plasticità)LucentezzaConducibilità termica ed elettricaSolidi molto densi

I non-metalli non presentano queste caratteristiche

Ma non hanno comportamento uniformePossono essere solidi, liquidi e gassosi

I semimetalli hanno comportamento ibrido

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Pagine da cui studiarePagine da cui studiare

Pg 172 I metalliPg 173 non metalli e semimetalliPg 178-179 Tavola periodica (le famiglie chimiche)Pg 186 La valenza chimicaPg 228-237 Struttura elettronica degli atomi

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Approfondisci:

energia associata ai livelli

Approfondisci:

energia associata ai livelli

Un libro posizionato in un ripiano acquista energia in relazione all’altezza del ripianoL’energia acquisita dal libro caratterizza il ripiano o meglio la sua altezzaIl libro è sempre lo stesso ma se si trova vicino a terra quando cade non provoca danniSe 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 precisePoche 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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Un trucco graficoUn trucco graficoPer ricavare la sequenza degli orbitali senza ricordarla a memoria si può utilizzare lo schema seguente

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Esercitazioni sulle configurazioni 1Esercitazioni sulle configurazioni 1

Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Zn; Z=30)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10

Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

4s2

3d10

E

31

Esercitazioni sulle configurazioni 2Esercitazioni sulle configurazioni 2Scrivere la configurazione elettronica completa dello zinco (Bi; Z=83)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p3

Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

6s2

4f14

E

5d10

6p3

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Esercitazioni sulle configurazioni 3Esercitazioni sulle configurazioni 3Scrivere la configurazione elettronica completa dello stagno (Sn; Z=50)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p2

Rappresentare la configurazione di valenza utilizzando le caselle quantiche

5s2

E

4d10

5p2