Tavola periodica Tavola periodica e legame chimicoe legame chimico

atomoatomo = particella “chimicamente elementare” = particella “chimicamente elementare”

non sintetizzabile da particelle subatomiche

di massa inferiore ( in assenza di forze

elettromagnetiche e/o gravitazionali sufficienti)

particelle subatomiche = protoni, particelle subatomiche = protoni,

neutroni,neutroni,

elettroni.elettroni.

Nucleo, formato da Nucleo, formato da protoni e neutroniprotoni e neutroni

Guscio di elettroni Guscio di elettroni in movimentoin movimento

atomoatomo

protoniprotoni mmpp

neutronineutroni mmnn

elettronielettroni mmee

mmp p :: m mnn : : mmee 1 1 :: 1 1 : :

0,000540,00054

nucleonucleo

in ogni atomo in ogni atomo

il numero degli elettroni è uguale al numero dei protoni. il numero degli elettroni è uguale al numero dei protoni.

Questo numero viene denominato Numero Atomico, Z.Questo numero viene denominato Numero Atomico, Z.

Si riconoscono cosìSi riconoscono così 109 specie atomiche,109 specie atomiche, con Z da 1 con Z da 1 a 109, che vengono definite a 109, che vengono definite

Elementi Chimici Elementi Chimici

indicati con un simbolo che corrisponde alla prima indicati con un simbolo che corrisponde alla prima lettera, o alle prime due lettere, del nome latino. lettera, o alle prime due lettere, del nome latino.

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No

ISOTOPIISOTOPI

Esempio:Esempio: 3535Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 18 neutroniCl : 17 protoni + 17 elettroni + 18 neutroni

3737Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 20 neutroniCl : 17 protoni + 17 elettroni + 20 neutroni

Numero atomico (Z) = numero di elettroniNumero atomico (Z) = numero di elettroni

Unità di massa atomica:Unità di massa atomica:

1/12 della massa di 1/12 della massa di 1212C ( = 1,6606C ( = 1,6606×10×10-27-27 kkg)g)

HH 1,0081,008HeHe 4,0034,003LiLi 6,9416,941BeBe 9,0129,012BB 10,81110,811CC 12,01112,011NN 14,00714,007OO 15,99915,999FF 18,99818,998

NeNe 20,18020,180NaNa 22,99022,990MgMg 24,30524,305AlAl 26,98226,982SiSi 28,08628,086PP 30,97430,974SS 32,06632,066ClCl 35,45335,453ArAr 39,94839,948

Alcune masse atomiche (pesi atomici):Alcune masse atomiche (pesi atomici):

Modello Modello planetarioplanetario

forza centrifuga = forza di gravitazione tra sole e pianetaforza centrifuga = forza di gravitazione tra sole e pianeta

+nucleonucleo

orbitaorbita

elettroneelettrone

-

pianetapianeta

solesole

orbitaorbita

Modello planetario quantizzato.Modello planetario quantizzato.Si ha orbita per un elettrone quando:Si ha orbita per un elettrone quando:

forza forza attrattiva tra attrattiva tra

nucleo ed nucleo ed elettroneelettrone

forza centrifuga forza centrifuga della rotazione della rotazione dell’elettrone dell’elettrone

intorno al nucleointorno al nucleo

==

momento momento angolare angolare

dell’elettronedell’elettrone

multiplo interomultiplo interodella costante di della costante di

PlanckPlanck==

Riproduce perfettamente Riproduce perfettamente lo spettro dell’atomo lo spettro dell’atomo d’idrogenod’idrogeno

Modello atomico di BohrModello atomico di Bohr

Niels Henrik BohrCopenhagen 7.10.1885 - Copenhagen

18.11.1962Nobel per la Fisica 1922 ... e basta.... e basta.

Dualismo onda-materiaDualismo onda-materia

Louis Victor Duc de BroglieDieppe 15.8.1892 - Parigi 1987

Nobel per la Fisica 1929

elettronielettroni

Conseguenza: Conseguenza: per gli elettroni in un atomo sono possibili per gli elettroni in un atomo sono possibili solo solo ““onde stazionarie”onde stazionarie”

Ad ogni particella, di massaAd ogni particella, di massa m m che si muove con velocitche si muove con velocitàà v, v, èè associata un onda di lunghezzaassociata un onda di lunghezza ::

h

m

Oscillazione di una corda tesaOscillazione di una corda tesa

sono permesse solo le “onde sono permesse solo le “onde stazionarie”stazionarie”

““onde stazionarie” su orbite onde stazionarie” su orbite circolari:circolari:

““orbita non orbita non stazionaria”stazionaria”

““orbita stazionaria”orbita stazionaria”

Equazione di SchrEquazione di Schröödingerdinger

Erwin Rudolf Josef Alexander SchrödingerVienna 12 Agosto 1887 – Vienna 4 Gennaio 1961

Nobel per la Fisica 1933

Per una particella che si Per una particella che si muove lungo la dimensione muove lungo la dimensione xx, , con energia E e con con energia E e con potenziale V(potenziale V(xx):):

èè la funzione d’onda la funzione d’onda che descrive la particella.che descrive la particella.

h2

8 2m

d2(x)

dx2 V (x)(x) E(x)

(x)

èè una funzione d’onda che descrive la una funzione d’onda che descrive la particella, ma particella, ma in sein se non ha un significato fisico, non ha un significato fisico, èè solo un artificio matematico. solo un artificio matematico.

(x)

TuttaviaTuttavia::

P(P(xx) è la probabilita di trovare la particella ) è la probabilita di trovare la particella alla coordinata alla coordinata xx

(x)2 P(x)

x

px

Principio di indeterminazione di HeisenbergPrincipio di indeterminazione di Heisenberg

Werner HeisenbergWürzburg 5.12.1901 - Monaco di Baviera 1976

Nobel per la Fisica 1932

x px h

mm (momento magnetico) = - (momento magnetico) = -, …, 0, …, , …, 0, …, ++

L’equazione di Shrodinger L’equazione di Shrodinger èè un’equazione un’equazione differenziale del second’ordine, la cui soluzione differenziale del second’ordine, la cui soluzione non non è un unica funzioneè un unica funzione, , ((xx),), ma una famiglia ma una famiglia di funzioni d’onda che si distinguono per di funzioni d’onda che si distinguono per diversi valori di alcuni parametri (numeri diversi valori di alcuni parametri (numeri quantici), quantici), n,n,,m,m((xx).).

nn (principale) = 1, 2, 3, … (principale) = 1, 2, 3, …

(momento angolare) = 0, 1, … ((momento angolare) = 0, 1, … (nn-1)-1)

Numeri quantici:Numeri quantici:

Numero quantico di Numero quantico di spinspin

NN

SS

Un elettrone possiede un numero quantico di Un elettrone possiede un numero quantico di campo magnetico di “spin”, che può avere solo campo magnetico di “spin”, che può avere solo due valori,due valori,

s = +s = +½½ e e s = -s = -½½..

Una particella Una particella carica, che ruota carica, che ruota su stessa, genera su stessa, genera un campo un campo magnetico.magnetico.

atomo idrogenoide, costituito da un nucleo di un solo protone e quindi da un solo elettrone:

È un atomo fittizio per il quale è relativamente facile definire le funzioni “orbitali atomici”

principale, n, 1; individua i livelli di energia possibili.

orbitale, l; 0 l (n-1); geometria della regione dello spazio in cui è più probabile trovare l’elettrone.

magnetico, m; - l m + l; indica piccole variazioni di energia dell’elettrone in presenza di un campo magnetico.

di spin, s; può assumere due valori: s = +1/2, s= -1/2

Gli orbitali atomici di un atomo idrogenoide sono distinguibili con 4 numeri quantici, denominati rispettivamente

Ogni elettrone, in un atomo, Ogni elettrone, in un atomo, èè definito dai suoi numeri quantici:definito dai suoi numeri quantici:

n = 1, 2, 3, …

= 0, 1, … (n-1)

m = -, …, 0, …, +

s = +½, -½

n,,m(x)

In un atomo non possono In un atomo non possono esistere piesistere più elettroni con ù elettroni con

tutti i numeri quantici tutti i numeri quantici uguali. uguali. (Principio di (Principio di esclusione di Pauli)esclusione di Pauli)

Wolfgang PauliVienna 2.4.1900 – Zurigo 15.12.1958

Nobel per la Fisica 1945

Orbitale atomico: Legato alla probabilità di trovare Orbitale atomico: Legato alla probabilità di trovare un elettrone in una certa zona dello spazio.un elettrone in una certa zona dello spazio.

Orbitali atomici:Orbitali atomici:

ss (orbitale sferico)

pp (tre orbitali a lobo orientati lungo gli assi cartesiani)

dd (5 orbitali orientati nello spazio)

…..

In ciascun orbitale possono trovarsi, al massimo, due elettroni

Orbitali pOrbitali p

Orbitali dOrbitali d

Si può immaginare di “costruire la struttura elettronica” di un atomo andando a collocare un elettrone dopo l’altro nell’orbitale libero ad energia più bassa. In questa operazione si devono tenere presenti due principi della meccanica quantistica.

Principio di Pauli: due elettroni di un dato atomo devono differire almeno per il numero quantico di spin. Ciò significa che un dato orbitale, definito da n, l e m, può “ospitare” due elettroni, uno con s = + ½ , l’altro con s = - ½.

Regola di Hund: nel costruire la struttura elettronica, gli orbitali, corrispondenti ad un dato valore di l, devono essere “occupati” ciascuno con un elettrone con spin = +1/2, e solo successivamente “completati” col secondo elettrone avente spin di segno opposto.

1s1s

2s2s

3s3s

4s4s

2p2p

3p3p

4p4p3d3d

4d4d5s5s

5p5p

EE

Ossigeno, Ossigeno, ha 8 elettroni.ha 8 elettroni.

1s1s22 2s 2s22 2p 2p44

Julius Lothar Meyer 1830-1895

Mendeleev, Dmitri Ivanovitch 1834 - 1907

Tavola periodica degli elementi (1860)Tavola periodica degli elementi (1860)

Elementi organizzati in base al numero atomico e alle loro caratteristiche chimico-fisiche.

GasLiquidi

Lr

Lu

UuuUunMtHsBhSgDbRfRaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfBaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

YbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa

NoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc

Solidi

Per

iod

iP

erio

di

GruppiGruppi

orbitali dorbitali d

orbitali orbitali ss

orbitali orbitali ss

orbitali orbitali pp

orbitali forbitali f

HH

NaNa

KK

LiLi

RbRb

FrFr

CsCs

BeBe

MgMg

CaCa

SrSr

RaRa

BaBa

ScSc

YY

AcAc

LaLa

TiTi

ZrZr

HfHf

VV

NbNb

TaTa

CrCr

MoMo

WW

MnMn

TcTc

ReRe

FeFe

RuRu

OsOs

CoCo

RhRh

IrIr

NiNi

PdPd

PtPt

CuCu

AgAg

AuAu

ZnZn

CdCd

HgHg

BB

AlAl

GaGa

InIn

TlTl

CC

SiSi

GeGe

SnSn

PbPb

NN

PP

AsAs

SbSb

BiBi

OO

SS

SeSe

TeTe

PoPo

FF

ClCl

BrBr

II

AtAt

HeHe

ArAr

KrKr

NeNe

XeXe

RaRa

CeCe

ThTh

PrPr

PaPa

NdNd

UU

PmPm

NpNp

SmSm

PuPu

EuEu

AmAm

GdGd

CmCm

TbTb

BkBk

DyDy

CfCf

HoHo

EsEs

ErEr

FmFm

TmTm

MdMd

YbYb

NoNo

LuLu

LrLr

Non metalli

Semimetalli

Lr

Lu

UuuUunMtHsBhSgDbRfRaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfBaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

YbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa

NoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc

Metalli

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No

O

OO[He] 2s2 2p4

8 15,9994

3,5

-2

Numero atomico Massa atomica

Elettronegatività

Numeri di ossidazione

OssigenoOssigeno

13,61

0,66

Prima ionizzazione

(eV)

Raggio atomico (Å)

Proprietà fisiche e chimicheProprietà fisiche e chimiche

Affinità elettronica Energia di ionizzazione Numeri di ossidazione Raggio atomico Struttura cristallina

AffinitAffinità elettronica:à elettronica:Capacità di un elemento di accettare un altro elettrone.

Energia di ionizzazioneEnergia di ionizzazione::Energia necessaria per rimuovere un elettrone dall’elemento.

Numeri di ossidazioneNumeri di ossidazione::Carica che l’atomo di un elemento assumerebbe nell’ipotesi che tutti gli elettroni impegnati nei legami si localizzino sull’atomo più “elettronegativo”.

Quella dei non metalli è più alta di quella dei metalli e quella degli alogeni è la più alta di tutte.

Aumenta lungo il periodo e diminuisce lungo il gruppo.

Affinità elettronica di un atomo:Affinità elettronica di un atomo:

AA--((gg) ) A( A(gg) + e) + e--((gg)) HH ° = A° = A

Energia Energia ddi ionizzazionei ionizzazione di di un atomoun atomo (o potenziale di (o potenziale di ionizzazione)ionizzazione)::

A(A(gg) ) A A++((gg) + e) + e--((gg)) HH ° = I° = I11

Elettronegatività:Elettronegatività:

tendenza di un atomo ad tendenza di un atomo ad attrarre su di se gli elettroni attrarre su di se gli elettroni di un legame.di un legame.

ElettronegativitàElettronegativitàEnergia di Energia di

ionizzazioneionizzazioneAffinità Affinità

elettronicaelettronica++

ElettronegativitàElettronegativitàHH2,22,2

NaNa0,90,9

KK0,80,8

LiLi1,01,0

RbRb0,80,8

CsCs0,80,8

BeBe1,61,6

MgMg1,31,3

CaCa1,01,0

SrSr1,01,0

RaRa0,90,9

BaBa0,90,9

ScSc1,41,4

YY1,11,1

AcAc1,11,1

LaLa1,11,1

TiTi1,51,5

ZrZr1,31,3

HfHf1,31,3

VV1,61,6

NbNb1,61,6

TaTa1,51,5

CrCr1,71,7

MoMo2,22,2

WW2,42,4

MnMn1,61,6

TcTc1,91,9

ReRe1,91,9

FeFe1,81,8

RuRu2,22,2

OsOs2,22,2

CoCo1,91,9

RhRh2,32,3

IrIr2,22,2

NiNi1,91,9

PdPd2,32,3

PtPt2,32,3

CuCu1,91,9

AgAg1,91,9

AuAu2,52,5

ZnZn1,71,7

CdCd1,71,7

HgHg2,02,0

BB2,02,0

AlAl1,51,5

GaGa1,81,8

InIn1,81,8

TlTl2,02,0

CC2,62,6

SiSi1,81,8

GeGe2,02,0

SnSn2,02,0

PbPb2,32,3

NN3,03,0

PP2,22,2

AsAs2,22,2

SbSb2,12,1

BiBi2,02,0

OO3,43,4

SS2,62,6

SeSe2,62,6

TeTe2,12,1

PoPo2,02,0

FF4,04,0

ClCl3,23,2

BrBr3,03,0

II2,72,7

AtAt2,22,2

NeNe00

ArAr00

KKrr00

XeXe00

RnRn00

HeHe00

FFrr0,70,7

L’energia del legame A-B è L’energia del legame A-B è l’energia necessaria per l’energia necessaria per provocarne la dissociazione, in provocarne la dissociazione, in pratica è il pratica è il H del processo:H del processo:

AB(AB(gg) ) A( A(gg) + B() + B(gg))

I legami chimici sono I legami chimici sono sempre il frutto di sempre il frutto di

interazioni interazioni elettrostatiche.elettrostatiche.

Legame chimicoLegame chimico

• Covalente (omonucleare o eteronucleare)

• Covalente polare (eteronucleare)

• Ionico

• Idrogeno

Le cariche negative Le cariche negative degli elettroni si degli elettroni si

trovano a contattotrovano a contatto

Se non avviene niente tra gli Se non avviene niente tra gli elettroni, i due atomi si elettroni, i due atomi si respingono e non si ha respingono e non si ha

nessun legame.nessun legame.

Oppure, si possono verificare Oppure, si possono verificare due casi limite:due casi limite:

Uno dei due atomi Uno dei due atomi è più è più elettronegativo dell’altro:elettronegativo dell’altro:

uno o più elettroni uno o più elettroni passano all’atomo passano all’atomo più elettronegativopiù elettronegativo

Uno dei due atomi Uno dei due atomi è più è più elettronegativo dell’altro:elettronegativo dell’altro:

++ --

si forma uno ione si forma uno ione positivo ed uno positivo ed uno negativo che si negativo che si

attraggonoattraggonoLEGAME IONICOLEGAME IONICO

I due atomi I due atomi hanno hanno elettronegatività elettronegatività paragonabile:paragonabile:

se si verificano le condizioni se si verificano le condizioni adatte, gli elettroni possano adatte, gli elettroni possano localizzarsi in mezzo ai due localizzarsi in mezzo ai due

atomiatomiLEGAME COVALENTELEGAME COVALENTE

I due atomi I due atomi hanno hanno elettronegatività diversa, elettronegatività diversa, ma non troppo:ma non troppo:

LEGAME COVALENTE-POLARELEGAME COVALENTE-POLARE

gli elettroni si localizzano in gli elettroni si localizzano in mezzo ai due atomi, ma un po’ mezzo ai due atomi, ma un po’

spostati verso quello più spostati verso quello più elettronegativoelettronegativo

Sovrapposizione degli orbitali atomici: possono essere condivisi soltanto due elettroni a spin opposto. Perché il legame si formi la sovrapposizione degli orbitali atomici deve portare ad una stabilizzazione del sistema.

Il legame covalente è direzionale poiché gli orbitali atomici hanno una precisa orientazione nello spazio.Il legame covalente si può formare tra atomi uguali, e anche tra atomi diversi.

Si possono formare molecole piccole o grandi (idrogeno e emoglobina), oppure reticoli di atomi collegati tra loro (diamante e quarzo).

Orbitale molecolare:Orbitale molecolare: Combinazione lineare degli orbitali atomici.

1s 1s

H2

1s

*1s

2s 2s

2s

*2s

NN22 2p 2p

2px y z

2p

*2p

*2p

Talvolta la geometria degli orbitali Talvolta la geometria degli orbitali atomici non è sufficiente a spiegare la atomici non è sufficiente a spiegare la

geometria della molecolageometria della molecola

BeHBeH22: la struttura sperimentale : la struttura sperimentale è è H H –– Be Be – – HH

180°180°

BFBF33: la struttura sperimentale : la struttura sperimentale è è

FF

FF

FFBB

120°120°

IbridazioneIbridazione

Quando un atomo, che ha elettroni su orbitali s e p, inizia a formare dei legami molecolari abbiamo che si ha una combinazione tra gli orbitali p e l’orbitale s per dare dei nuovi orbitali molecolari.

Orbitale s e un orbitale p 2 orbitali ibridi sp

Orbitale s e due orbitali p 3 orbitali ibridi sp2

Orbitale s e tre orbitali p 4 orbitali ibridi sp3

Orbitali Orbitali ibridiibridi

sp2sp3

sp

CO2

BF3

CH4

180°180°

120°120°

109,5°109,5°