Lezione 2: Struttura Atomica e Legami Atomici

21-10-2010

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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.

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Elementi costitutivi di un atomo

• Gli elementi costitutivi di un atomo sono:

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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 16

8O, 178O e 18

8° 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

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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.

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Struttura dell’atomo: Bohr vs Teoria Quantistica

• 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.

Modello di Bohr

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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

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

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La struttura di alcuni elementi

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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

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La tavola periodica• Colonne: Struttura di valenza simili

Elementi più elettronegativi:Tendono a cedere elettroni Caricandosi positivamente(Cationi).

Elementi più elettronegativi:Tendono ad attrare elettroni Caricandosi negativamente(Anioni)

Cedo

no 1

e

Cedo

no 2

e

Cedo

no 3

e

Gas

nob

ili

acce

ttan

o 1e

acce

ttan

o 2e

O

Se

Te

Po At

I

Br

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

F

ClS

Li Be

H

Na Mg

BaCs

RaFr

CaK Sc

SrRb Y

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La tavola periodica: valori di elettronegatività

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Legami Atomici

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Legami Atomici: rationale

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Legami Atomici Primari

• Legame IONICO;

• Legame Metallico;

• Legame COVALENTE.

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Legame Ionico

Legame ionico : Metallo + Non Metallo

Cede Elettroni Accetta Elettroni

3.51.2

Catione Anione

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Legame Ionico: NaCl

Tra gli ioni si esercitano forze di Coloumb

Energia di Attrazione

Energia di Repulsione

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Legame ionico altri esempi

NaCl

MgO

CaF 2CsCl

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Legame Ionico: Forza di legame e adirezionalità

Il legame ionico è ADIREZIONALE

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Legame covalente

• Elettronegatività simili: condividono elettroni• Legami determinati dalla valenza- orbitali s & p dominano il legame

• Esempi CH4, H2

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Legame Covalente: singolo, doppio, triplo

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Legame Covalente: energia di legame e direzionalità

• Il legame covalente è direzionale

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Legame covalente: ibridizzazione

Struttura del diamante Struttura del metano

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Legame covalente: idrocarburi

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% Carattere ionico

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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)

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Legame Metallico: energia di legame e direzionalità

• Il legame metallico è adirezionale

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Legami Secondari

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Legami secondari: Van der Walls

• Dipoli Permanenti

-Caso Generale:

-ex: HCl liquido

-ex: polimeri

• Dipoli fluttanti

Nuvole elettroniche asimettriche

+ - + - HH HH

H 2 H 2

ex: idrogeno liquido H2

H Cl H Cl

+ - + -

secondary bonding

I legami secondari originano dall’interazione tra dipoli

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Legami secondari: legame idrogeno

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Legami secondari

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Legami Secondari: energie di legame

• Notare la differenza di energia di legame tra il legame idrogeno e i legami di van der Walls.

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Legami atomici e proprietà

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Energia di legame e temperatura di fusione

• Bond length, r

• Bond energy, Eo

• Melting Temperature, Tm

Tm is larger if Eo is larger.

r o r

Energy

r

larger Tm

smaller Tm

Eo =

“bond energy”

Energy

r o runstretched length

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Energia di legame e coefficiente di espansione termica

• Coefficient of thermal expansion, a

• a ~ symmetry at ro

a is larger if Eo is smaller.

= a (T2 -T1)D L

L o

coeff. thermal expansion

D L

length, L o

unheated, T 1

heated, T 2

r or

larger a

smaller a

Energy

unstretched length

Eo

Eo