La struttura dell’atomoLa struttura dell’atomoModulo 3 U.D. 2Modulo 3 U.D. 2

Chimica Chimica Prof. Augusto FestinoProf. Augusto Festino

Liceo Scientifico “G. Salvemini”Liceo Scientifico “G. Salvemini”A.S. 2005/06A.S. 2005/06

La struttura dell’atomoLa struttura dell’atomo

La doppia natura della luceLa doppia natura della luceL’atomo di BohrL’atomo di Bohr Il modello atomico a stratiIl modello atomico a stratiEquazione d’onda ed orbitaliEquazione d’onda ed orbitaliNumeri quanticiNumeri quanticiConfigurazione elettronica degli elementiConfigurazione elettronica degli elementi

Radiazione elettromagneticaRadiazione elettromagnetica

Equazioni matematiche e rappresentazioni grafiche Equazioni matematiche e rappresentazioni grafiche che descrivono unche descrivono un

fenomeno ondulatoriofenomeno ondulatorio: una oscillazione periodica : una oscillazione periodica (nel tempo e nello spazio) di un parametro(nel tempo e nello spazio) di un parametro

lunghezza d’ondalunghezza d’onda ( (spazio o tempo tra due punti nella spazio o tempo tra due punti nella stessa fase, es. tra due crestestessa fase, es. tra due creste

frequenza frequenza ((numero di oscillazioni complete nell’unità di tempo)numero di oscillazioni complete nell’unità di tempo)

nono spostamento di materia spostamento di materia sì sì spostamento di energiaspostamento di energia

onde e fenomeni ondulatorionde e fenomeni ondulatori

Onde acustiche

si propagano per successive compressioni e decompressioni del mezzo (aria, acqua, metallo)particelle che si allontanano e si avvicinano tra loro

onde elettromagneticheonde elettromagnetiche

luceluce, , elettricitàelettricità, , magnetismomagnetismo sono fenomeni sono fenomeni ondulatori descritti daondulatori descritti da

onde elettromagneticheonde elettromagnetiche che si spostano senza che si spostano senza sostegno di un mezzosostegno di un mezzo

tutte alla tutte alla stessa velocitàstessa velocità (3 (3 10 1088 m/sec = m/sec = cc)) si differenziano per si differenziano per e pere per ,, inversamente inversamente

proporzionali tra loro proporzionali tra loro

E = h E = h (h= costante di Planck) (h= costante di Planck) energia portata da energia portata da un un quantoquanto (“pacchetto” di energia di quantità finita) (“pacchetto” di energia di quantità finita)

= c / = c /

Lunghezza d’onda

Fotoni di luce blu e rossaFotoni di luce blu e rossa

spettri di emissione degli elemspettri di emissione degli elementienti

una luce che attraversa un prisma, si una luce che attraversa un prisma, si scompone in una serie di righe, una per ogni scompone in una serie di righe, una per ogni onda che la componeonda che la compone

a ogni riga corrisponde una quantità definita di a ogni riga corrisponde una quantità definita di energia che dipende dalla sua frequenzaenergia che dipende dalla sua frequenza

un elemento eccitato -un elemento eccitato -cui si fornisce energiacui si fornisce energia-- emette emette una luce costituita da un insieme di onde una luce costituita da un insieme di onde

ogni elemento ha un suo caratteristico spettro ogni elemento ha un suo caratteristico spettro di emissionedi emissione”carta di identità” dell’elemento”carta di identità” dell’elemento

spettro di emissione

Un atomo eccitato di Litio emette un fotone di luce rossa per Un atomo eccitato di Litio emette un fotone di luce rossa per passare ad un livello più basso di energiapassare ad un livello più basso di energia

Atomi di Idrogeno che ricevono energia da una sorgente Atomi di Idrogeno che ricevono energia da una sorgente esterna eccitandosiesterna eccitandosi

Gli atomi di idrogeno eccitati Gli atomi di idrogeno eccitati rilasciano energia emettendo rilasciano energia emettendo

fotonifotoni

Un atomo eccitato di idrogeno Un atomo eccitato di idrogeno emettendo un fotone ritorna emettendo un fotone ritorna

al suo stato stazionarioal suo stato stazionario

Niels Bohr (1885-1962) Niels Bohr (1885-1962) e e l’atomo di idrogenol’atomo di idrogeno

Bohr misurò l’Bohr misurò l’energiaenergia associata a ogni associata a ogni ondaonda emessa emessa da atomi di idrogeno (da atomi di idrogeno (1 protone e 1 elettrone1 protone e 1 elettrone) eccitati ) eccitati

ipotizzò che l’elettrone potesse assorbire ipotizzò che l’elettrone potesse assorbire solo solo quantità discrete di energiaquantità discrete di energia (quanti) (quanti) con cuicon cui

vincere l’attrazione del nucleo e allontanarsi da esso vincere l’attrazione del nucleo e allontanarsi da esso di una quantità legata all’energia assorbita, e quindidi una quantità legata all’energia assorbita, e quindi

““ricadere” al suo posto, cedendo i quanti assorbitiricadere” al suo posto, cedendo i quanti assorbiti la la frequenzafrequenza ( () dell’onda emessa dall’elettrone ) dell’onda emessa dall’elettrone

eccitato = differenza di energia tra le due”posizioni” o eccitato = differenza di energia tra le due”posizioni” o distanze dal nucleo alle quali può collocarsi (distanze dal nucleo alle quali può collocarsi (ΔΔE= E= h h )) assorbendo e cedendo alternativamente l’energia assorbendo e cedendo alternativamente l’energia

atomo di atomo di BohrBohr

gli elettroni si muovono su gli elettroni si muovono su orbite orbite stazionariestazionarie caratterizzate da caratterizzate da livelli di livelli di energiaenergia definiti definiti

non sono possibili posizioni “intermedie”non sono possibili posizioni “intermedie” l’elettrone che si muove sul “suo” livello l’elettrone che si muove sul “suo” livello

(quello più vicino possibile al nucleo) (quello più vicino possibile al nucleo) non non perde energia e quindi non cade sul nucleoperde energia e quindi non cade sul nucleo

Energia ed elettroniEnergia ed elettroni

fornendo energia a un elettrone, questo assume uno stato eccitato e “salta” su di un livello energetico superiore e poi ricade al suo livello emettendo - sotto forma di luce - l’energia che aveva assorbito

energia

Stato eccitato

Elettrone: onda o corpuscolo?Elettrone: onda o corpuscolo? 1924: 1924: Louis De BroglieLouis De Broglie se l’onda elettromagnetica si può se l’onda elettromagnetica si può

comportare da particella (comportare da particella (quanto , da cui dipende anche l’quanto , da cui dipende anche l’effetto effetto fotoelettricofotoelettrico), ),

la particella - elettrone- si può comportare come onda la particella - elettrone- si può comportare come onda elettromagnetica elettromagnetica ((descritta dall’equazione di descritta dall’equazione di SchrSchrödinger-ödinger-19261926))

1927: 1927: principio di indeterminazione di principio di indeterminazione di HeisenbergHeisenberg non si non si possono misurare contemporaneamente posizione e velocità possono misurare contemporaneamente posizione e velocità dell’elettronedell’elettrone

ma solo esprimere con una equazione la ma solo esprimere con una equazione la probabilità probabilità di trovare di trovare l’elettrone su di una porzione di spazio attorno al nucleol’elettrone su di una porzione di spazio attorno al nucleo

Energiaassociata con mc2= h

materiaE=mc2

ondaE=h

Dal modello atomico di Bohr si passa Dal modello atomico di Bohr si passa quindi al quindi al modello atomico correntemodello atomico corrente

Rappresentazione fisica degli Rappresentazione fisica degli orbitali orbitali ss e e pp

orbitale py

I 3 orbitali p

Gli orbitali vengono rappresentati come porzioni di spazio nelle quali è massima la probabilità di trovare un elettrone

orbitale s

orbitale px orbitale pz

Relative sizes of the spherical 1Relative sizes of the spherical 1ss, 2, 2ss, , and 3and 3ss orbitals of hydrogen. orbitals of hydrogen.

The three 2The three 2pp orbitals. orbitals.

The shapes and labels of the The shapes and labels of the five 3five 3dd orbitals. orbitals.

Forma e nomi dei 7 orbitali fForma e nomi dei 7 orbitali f

Numeri quanticiNumeri quantici la porzione di spazio dove è massima la probabilità di la porzione di spazio dove è massima la probabilità di

trovare un elettrone:trovare un elettrone: ORBITALEORBITALE

ogni elettrone viene identificato da ogni elettrone viene identificato da 4 numeri quantici4 numeri quantici in un atomo non possono esistere 2 elettroni con tutti in un atomo non possono esistere 2 elettroni con tutti

e 4 i numeri quantici ugualie 4 i numeri quantici uguali principio di esclusione del Pauli principio di esclusione del Pauli (1925)(1925)

nn principale : da 1 a 7 (interi) = livello di energia principale : da 1 a 7 (interi) = livello di energia dove si trova [dimensione dell’orbitale]dove si trova [dimensione dell’orbitale]

sottolivello: per ogni valore di sottolivello: per ogni valore di nn : da 0 a (n - 1) : da 0 a (n - 1) [forma dell’orbitale][forma dell’orbitale]

mm magnetico: per ogni valore di magnetico: per ogni valore di : da - : da - a + a + [numero di “direzioni” nello spazio dell’orbitale][numero di “direzioni” nello spazio dell’orbitale]

spin spin ogni elettrone assume un valore :o -½ , o + ½ ogni elettrone assume un valore :o -½ , o + ½ [verso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse[verso di rotazione dell’elettrone sul proprio asse

Numeri quantici e distribuzione elettronicaNumeri quantici e distribuzione elettronica

n=1n=1 m= 0 =0=0-½ +½

I livello energia,1 orbitale s, 2 elettroni

-½ +½

n=2n=2

m= 0 =0=0

=1=1

--1m = 0 +1

-½ +½

-½ +½

-½ +½

II livello energia1 orbitale s, 3 orbitali p8 elettroni

n=3n=3

-2 -1m = 0 +1 +2

m= 0

=1=1

=0=0

=2=2

--1m = 0 +1

-½ +½

-½ +½

-½ +½

-½ +½

-½ +½-½ +½

-½ +½

-½ +½

-½ +½

III livello energia1 orbitale s, 3 orbitali p5 orbitali d18 elettroni

Distribuzione elettronica: rappresentazione graficaDistribuzione elettronica: rappresentazione grafica

Ogni orbitale viene rappresentato da un Ogni orbitale viene rappresentato da un quadrato: s pquadrato: s px,y,zx,y,z

Gli elettroni vengono indicati con frecce Gli elettroni vengono indicati con frecce ↑↓↑↓orbitale con un elettrone orbitale con un elettrone semioccupato semioccupatoUn elettrone da solo Un elettrone da solo elettrone spaiatoelettrone spaiato o o

singolettosingolettoorbitale con 2 elettroniorbitale con 2 elettroni completo completo2 elettroni in un orbitale 2 elettroni in un orbitale doppiettodoppiettoPrincipio di esclusione del PauliPrincipio di esclusione del Pauli in un in un

orbitale 2 soli elettroni con spin opposto: orbitale 2 soli elettroni con spin opposto: ((↑↓)↑↓)

↑↑

↑↓↑↓

Energia degli orbitaliEnergia degli orbitali orbitali che si trovano allo stesso livello di Energia hanno diversa energia:• orbitale s : meno energetico ; viene sempre riempito per primo in ogni livello• 3 orbitali p hanno uguale energia massima distribuzione degli elettroni• 5 orbitali d : energia maggiore rispetto l’orbitale s del livello successivo che verrà quindi riempito prima

massima distribuzione = gli elettroni in un particolare livellotendono a distribuirsi su tutti gli orbitali dello stesso tipo

ordine di distribuzione elettronica

1 s

4 s

3 d3 p3 s

2 s 2 p

4 p 4 d 4 f

5 s 5 p 5 d 5 f

1 s

2 s

2 p 3 s,

3 p, 4 s

3 d, 4 p, 5 s

4 d, 5 p,…

E

1s

2s 2p

3 p3s

3 d

Gli elettroni occupano sempre gli orbitali a più bassa energia !

Scrittura rapida della distribuzione elettronicaScrittura rapida della distribuzione elettronica

numero arabo numero arabo livello di energia livello di energia lettera minuscola lettera minuscola tipo di orbitale tipo di orbitale “ “esponente”esponente” numero di elettroni numero di elettroni

2 p 3Livello energia

orbitale

Numero elettroni

↑↓↑↑ ↑Livello 2 di Energia

5 elettroni da distribuire

2 s 2 2 p 3

distribuzione elettronica II e III livellodistribuzione elettronica II e III livello

↑

↑↓

↑↓↑

2 s 2 px 2 py 2 pz

↑↓↑ ↑

↑↓↑↑ ↑

↑↓↑↑↓ ↑

↑↓↑↑↓ ↑↓

Elemento

Li litio

Be berillio

B boro

C carbonio

N azoto

O ossigeno

F fluoro

↑

↑↓

↑↓↑

↑↓↑ ↑

↑↓↑↑ ↑

↑↓↑↑↓ ↑

↑↓↑↑↓ ↑↓

3 s 3 px 3 py 3 pz Elemento

Na sodio

Mg magnesio

Al alluminio

Si silicio

P fosforo

S zolfo

Cl cloro

Regola dell’ottettoRegola dell’ottetto il livello più esterno -qualunque esso sia, escluso il I°- il livello più esterno -qualunque esso sia, escluso il I°-

non può ospitare più di 8 elettroni non può ospitare più di 8 elettroni Gli elettroni periferici si distribuiscono tra l’orbitale Gli elettroni periferici si distribuiscono tra l’orbitale ss e i e i

3 orbitali 3 orbitali pp (esclusi H e He, livello 1: un orbitale (esclusi H e He, livello 1: un orbitale ss)) un atomo tende a raggiungere la stabilità di un gas un atomo tende a raggiungere la stabilità di un gas

nobile ossia a nobile ossia a mostrare un livello esterno completomostrare un livello esterno completo gli atomi -dello stesso elemento o di elementi diversi- gli atomi -dello stesso elemento o di elementi diversi-

si avvicinano ed attirano reciprocamente i rispettivi si avvicinano ed attirano reciprocamente i rispettivi elettroni periferici per raggiungere l’ottettoelettroni periferici per raggiungere l’ottetto

la forza con cui un nucleo attira elettroni la forza con cui un nucleo attira elettroni forza elettrostatica tra nuclei di atomi diversi e gli forza elettrostatica tra nuclei di atomi diversi e gli

elettroni elettroni legame chimico elettronegatività

Configurazione elettronica degli atomiConfigurazione elettronica degli atomi

distribuzioni elettronichedistribuzioni elettroniche

BB 1s1s222s2s222p2p11

CC 1s1s222s2s222p2p22

NN 1s1s222s2s222p2p33

OO 1s1s222s2s222p2p44

FF 1s1s222s2s222p2p55

NeNe 1s1s222s2s222p2p66

KK 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p664s4s11

CaCa 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p664s4s22

Metalli I e II gruppo

Orbitali p semiliberi: gruppi III, IV, V,

Completamento doppietti orbitali p: gruppi VI, VII, gas nobili

Elementi transizioneElementi transizione

ScSc 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p663d3d114s4s22

TiTi 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p663d3d224s4s22

VV 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p663d3d334s4s22

CrCr 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p663d3d554s4s11

riempimento orbitali d del livello precedente

Gas nobili o inerti: ultimo livello Gas nobili o inerti: ultimo livello completocompleto

↑↓↑↓↑↓ ↑↓

↑↓↑↓↑↓ ↑↓

Ne neon Ar argon2 s 2 px 2 py 2 pz 3 s 3 px 3 py 3 pz

Un caso particolare: elio 2 elettroni che completano l’unico orbitale -s- del primo livello

↑↓

↑ H idrogeno

He elio

1 s

Scrittura rapidaScrittura rapida

MgMg 1s1s222s2s222p2p663s3s22

ooppppururee

[Ne]3s[Ne]3s22

SS 1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p223p3p113p3p11 [Ne]3s[Ne]3s223p3p223p3p113p3p11

ArAr1s1s222s2s222p2p663s3s223p3p223p3p223p3p22

[Ne]3s[Ne]3s223p3p223p3p223p3p22

tra parentesi quadra, la distribuzione fino al gas inerte del periodo precedente