GLI ATOMI

Particelle Subatomiche

ELEMENTI

• I diversi atomi sono caratterizzati da un diverso numero di protoni e neutroni; il numero di elettroni è sempre uguale al numero dei protoni (negli atomi neutri)

• Gli elementi si identificano con un simbolo.

ELEMENTI

• Il numero di elettroni (o di protoni) viene detto numero atomico e si indica con Z

• Il numero dei protoni più i neutroni viene detto numero di massa e si indica con A

Isotopi

Abbondanza naturale

elemento atomi 100

isotopo atomi N

Atomi dello stesso elemento che contengono un diverso numero di neutroni si dicono isotopi.

Isotopi

Peso atomico

Peso atomico = Massa media

100

B Nat. x Abb.B Massa + A Nat. A x Abb.Massa

Unità di Massa Atomica

g10 x 1.6605 12

g10 x 1.9926 uma 1 24-

23

12

C Massa uma 1

12

g10 x 1.9926 Catomo 1 2312

Esempio

Peso atomico (Cl)

Massa A x Abb. Nat. A + Massa B x Abb. Nat. BPeso atomico =

100

34.97 uma x + 36.97 uma x = 35.454 uma

10

75.8 24

0

.2

35Cl (75.8%) = 34.97 uma 37Cl (24.2%)= 36.97 uma

La struttura dell’atomo

L’atomo

• L’atomo è costituito da un nucleo compatto contenente protoni e neutroni circondato da un numero di elettroni equivalente al numero di protoni (l’atomo è neutro) disposti in uno spazio molto grande.

• Essi sono in perenne movimento intorno al nucleo ed a causa delle loro piccole dimensioni (principio di indeterminazione di Heisemberg) è impossibile conoscere nel medesimo istante sia la posizione che la velocità di ognuno di essi.

Nucleo, formato da protoni e neutroni

Guscio di elettroni in movimento

Protoni mp

Neutroni mn

Elettroni me

mp : mn : me 1 : 1 : 0,00054

NUCLEO

L’ATOMO

Atomo.mov

ModelliAtomici.mov

Equazione di Schrödinger • Ognuno di questi elettroni è però caratterizzato

da uno stato di energia che viene detto stato stazionario che può essere descritto per mezzo dell’equazione generale usata per descrivere il moto di un'onda.

• Tale equazione d’onda (equazione di Schrödinger) che descrive lo stato dell’elettrone (stato stazionario) contiene 4 parametri e può essere risolta solamente quando tali parametri fondamentali, detti numeri quantici, assumono determinati valori.

y(n, l, m)

n = 1, 2, 3, 4, 5, ........., Numero quantico principale

l = 0 (n - 1) Numero quantico angolare

m = -l +l Numero quantico magnetico

ms = 1/2 Numero quantico di spin

Numeri quantici

• Uno studioso, Pauli, enunciò un principio che limita la variazione dei numeri quantici nella descrizione dello stato degli elettroni.

• Tale principio detto principio di esclusione di Pauli dice che considerato un atomo polielettronico, non possono esistere nello stesso atomo, elettroni che abbiano la stessa quaterna di numeri quantici.

ElectronOrbits.exe AtomoDiBohr.avi

Quanti.avi

y(n, l, m, ms)

Stato Stazionario

• Le funzioni d’onda definite da tali parametri, descrivono lo stato di energia che può assumere un elettrone in un atomo e quindi la distribuzione spaziale della sua carica elettrica;

• Tale stato di energia può variare solo per assorbimento o emissione di quantità discrete di energia in quanto l’elettrone può trovarsi solamente in determinati stati di energia descritti da determinate funzioni d’onda.

Orbitale

• Il quadrato di ognuna di queste funzioni d’onda viene detto orbitale e descrive la delocalizzazione, e cioè la probabilità che l’elettrone si trovi in una determinata posizione intorno al nucleo

• Ad essa è quindi associata una forma caratteristica che descrive lo spazio nel quale si ha una determinata probabilità di trovare un dato elettrone.

Rappresentazione Orbitali

|y|2 in funzione di r

• Un modo di descrivere graficamente un orbitale, e quindi la probabilità di trovare un elettrone in una determinata porzione di spazio, è quella di rappresentarlo con delle nubi di probabilità o di densità elettronica, dove ad una maggiore probabilità corrisponde una maggiore densità di puntinatura. Bisogna però tenere presente che poiché lo spazio in cui può trovarsi un elettrone è infinito, le nubi dovrebbero essere estese fino all'infinito. Per convenzione, si usa quindi tracciare il limite di ciascuna nube facendo in modo che il volume di spazio da essa definito contenga il 95% della densità di carica elettronica: in questo modo avremo una probabilità del 95% di trovare l'elettrone all'interno della nube elettronica rappresentata.

Funzione d’onda

• Ogni orbitale viene quindi descritto da una funzione d'onda che viene rappresentata con il simbolo ψ(n, l, m) e che contiene i primi tre numeri quantici n, l, m.

• Tali parametri descrivono rispettivamente la grandezza (n), la forma (l) e l’orientamento nello spazio (m) dell’orbitale descritto da un determinato elettrone.

Momento di spin

• Il numero quantico ms non ha invece influenza sullo spazio occupato dall’elettrone (l’orbitale) ma si riferisce solamente al movimento dell’elettrone intorno a se stesso ed indica il

verso di rotazione.

ElectronSpin.exe

Livelli

• Per designare l'insieme degli orbitali che hanno lo stesso valore di n si usa il termine livello elettronico o livello energetico, mentre orbitali aventi la stessa n e la stessa l si dicono dello stesso sottolivello.

Livelli

• Ad ogni numero l corrispondono orbitali con una determinata forma che vengono contraddistinti con una determinata lettera:

• se l = 0 abbiamo orbitali s, • se l = 1 abbiamo orbitali p, • se l = 2 abbiamo orbitali d, • se l = 3 abbiamo orbitali f. • Per quanto riguarda il numero

quantico m, esso invece descrive la diversa orientazione degli orbitali di uno stesso sotto livello: i tre orbitali 2p (n = 2, l = 1, m = -1, 0, +1) ad esempio sono orientati rispettivamente lungo i tre assi cartesiani.

ORBITALI s

Orbitale2s.mov Orbitale3s.mov

Orbitale-s.mov Orbitale1s.mov

ORBITALI p

Orbitali2Periodo.mov p-OrbitalDiagram.exe

ORBITALI p

Orbitals.dir(Flash)

ORBITALI d

Orbitali3Periodo.mov

ORBITALI f

Configurazione atomica

• Ogni atomo è formato da un nucleo, contenente protoni e neutroni circondato dagli elettroni che si muovono descrivendo gli orbitali.

• Ognuno di questi orbitali è definito da tre numeri quantici e per il principio di esclusione di Pauli non può essere “riempito” da più di due elettroni che abbiano diverso numero di spin

• Un orbitale può quindi essere: – non occupato (non esistente), – monoccupato (formato da un elettrone) – completamente occupato (formato da due elettroni).

Il verbo “riempire” è usato al posto di “descrivere” per rendere più “reale” la visualizzazione degli orbitali

Energia Relativa Orbitali

• Abbiamo visto che l'energia di un orbitale dipende dal valore dei numeri quantici n ed l; in quanto gli orbitali aventi la stessa n e la stessa l sono degeneri in assenza di campo magnetico.

• Bisogna però considerare che negli atomi polielettronici, tale energia dipende anche dalla carica nucleare dell'atomo che andiamo a considerare. Infatti gli elettroni sono sottoposti ad una forza elettrostatica da parte dei protoni del nucleo, ma tale forza non è effettivamente proporzionale alla carica nucleare in quanto viene deschermata dagli elettroni che si trovano nei livelli energetici più interni; ciò fa si che in ogni atomo gli orbitali hanno una determinata energia proporzionale a n, a l e in misura molto piccola alla carica nucleare effettiva (che tiene conto della schermatura degli elettroni).

E

1s

2s 2p

3p 3s

3d 4s 4p

4d 4f

5s 5p

5d 5f

Livelli energetici o gusci

Configurazione fondamentale dell’atomo

• Ora, sulla base delle considerazioni appena fatte, andiamo a vedere come possiamo stabilire la configurazione fondamentale di un atomo; tale configurazione viene determinata in base alle seguenti regole: – gli elettroni “riempiono” prima gli orbitali disponibili ad

energia minore. – ogni orbitale non può essere “riempito” da più di due

elettroni e tali elettroni devono avere spin opposto (Principio di Pauli).

– se gli elettroni possono “riempire” orbitali degeneri (alla stessa energia), essi “riempiono” il massimo numero di orbitali disponibili e ruotano con spin parallelo (Regola di Hund).

Il verbo “riempire” è usato al posto di “descrivere” per rendere più “reale” la visualizzazione degli orbitali

Configurazione fondamentale dell’atomo

• Costruendo in questo modo gli atomi dei diversi elementi si vede che man mano che aggiungiamo elettroni si ha il “riempimento” successivo degli orbitali appartenenti ai vari livelli elettronici contraddistinti da una determinata n.

• Considerando tali livelli come dei gusci ad energia simile, possiamo dire che nel primo guscio (n = 1, l = 0) possono “stare” 2 elettroni, nel secondo (n = 2, l = 0, 1) otto elettroni, nel terzo (n = 3, l = 0, 1) ancora otto perché n = 3, l = 2, fa parte del livello 4 in quanto ha una energia maggiore di n = 4, l = 0, mentre nei livelli successivi cominciamo ad avere un numero maggiore di elettroni.

Il verbo “riempire” è usato al posto di “descrivere” per rendere più “reale” la visualizzazione degli orbitali

Ordine di Riempimento

1s

2s

2p

DentroL'Atomo.AVI

ConfigurazioneElettronica.MOV

ALLUMINIO

ALLUMINIO (Al) Z =13

3p

3s

2p

2s

1s

ARGENTO ARGENTO (Ag) Z = 47

5p

4d

5s

4p

3d

4s

3p

3s

2p

2s

1s

Configurazione elettronica degli elementi