Fumetto sulla struttura dell'atomo
Fumetto creato da: ScienceForPassion
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ATOMI!
L'atomo è una struttura nella quale è normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. Più atomi formano le molecole mentre gli atomi sono a loro volta formati da: un nucleo in cui sono concentrate particelle cariche positivamente ( protoni ) e particelle elettricamente neutre ( neutroni ), attorno al quale ruotano particelle cariche negativamente ( elettroni ) disposte su livelli energetici distinti; il numero dei protoni ( numero atomico ), diverso per ogni elemento, è uguale a quello degli elettroni, cosicché l'atomo risulta elettricamente neutro.
Attraverso l'attenta analisi di due leggi, la legge di conservazione della massa e la legge delle proporzioni definite, John Dalton nel 1808 giunse al suo modello d'atomo, elaborando la sua teoria atomica. Dalton dedusse successivamente una terza legge, ossia la legge delle proporzioni definite. Queste tre leggi vengono chiamate leggi ponderali e sono:
La teoria atomica di Dalton si basa sui seguenti postulati:
*Il punto 5 di questa teoria non prevedeva le reazioni nucleari.
L'esperimento di Rutherford fu un esperimento effettuato per sondare la struttura dell'atomo, fu eseguito da Hans Wilhelm Geiger e Ernest Marsden nel 1909, sotto la direzione di Ernest Rutherford al laboratorio di fisica dell'Università di Manchester. Questo esperimento è stato concepito per provare la validità del modello atomico di Thomson.
Nel modello atomico di Thomson, ideato da Joseph John Thomson nel 1904, l'atomo è costituito da una distribuzione di carica positiva diffusa all'interno della quale sono inserite le cariche negative. Nel complesso l'atomo è elettricamente neutro. Secondo questo modello l'atomo dunque sarebbe sostanzialmente pieno.
Con il modello atomico di Rutherford, Rutherford smentì la teoria sul modello atomico di Thomson.
Nell'esperimento,Rutherford fece lanciare un fascio di particelle alfa (raggi α) da una sorgente radioattiva contro una sottilissima lamina d'oro, nel cui spessore vi erano poche migliaia di atomi. Uno schermo fluorescente venne posizionato tutt'intorno alla lamina d'oro, in modo da evidenziare l'arrivo di ogni particella alfa. In questo modo fu possibile ricostruire la traiettoria percorsa dalle particelle dopo l'impatto con la lamina.
Secondo il modello di Thomson, allora maggioritario, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare il foglio d'oro venendo deflesse al più di pochi gradi. Tuttavia venne osservato che alcune particelle (1/8000) venivano riflesse ad angoli anche maggiori di 90°. Con questo esperimento, Rutherford scoprì il nucleo.
Nel 1913 Niels Bohr, dopo attenti studi basati sul modello atomico di Rutherford, propose un nuovo modello atomico. Per creare questo modello atomico Bohr si ispirò al concetto di quantizzazione, introdotto alcuni anni prima da Max Planck. Il concetto di quantizzazione è definito la limitazione delle grandezze osservabili a valori discreti, ovvero non continui (quanti), operata dalla meccanica quantistica.
Il modello atomico di Bohr si basa su alcune ipotesi fondamentali:
Dopo aver introdotto queste ipotesi, Bohr studia la situazione dell'elettrone utilizzando le leggi della fisica classica. L'elettrone è soggetto alla forza di attrazione del nucleo. Questa forza provoca il suo moto di rotazione e quindi costituisce la forza centrifuga. Gli elettroni nelle loro orbite possiedono una certa quantità di energia; essi infatti sono in moto, e quindi hanno energia cinetica; inoltre hanno energia potenziale dovuta all'attrazione elettrostatica tra elettrone e nucleo. Compreso ciò dedusse una terza ipotesi:
E1 - E2 = h v
dove:
Il modello atomico di Bohr si basa quindi sui seguenti postulati:
Bohr pervenne al suo modello partendo dallo studio del più semplice degli elementi, ovvero l'idrogeno.
Nel 1873, il fisico James Clerk Maxwell propose che la luce visibile è formata da radiazioni elettromagnetiche, ovvero onde oscillanti che per essere analizzate necessitano di 3 parametri:
* lunghezza e frequenza d'onda sono inversamente proporzionali.
La velocità dell'onda è data da:
v (m/s)= λ (m) x ν (s^-1)
Quella che i nostri occhi percepiscono come luce bianca in realtà è un insieme di onde elettromagnetiche di frequenza e lunghezza d'onda diversa, che corrispondono a differenti colori dello spettro elettromagnetico. Lo spettro elettromagnetico indica l'insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni elettromagnetiche. Nello spettro elettromagnetico la luce visibile si colloca tra i 390nm e i 760nm della lunghezza d'onda ed è composta da radiazioni di frequenza diversa, ovvero i colori dello spettro. Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde una radiazione/colore dello spettro elettromagnetico, che a sua volta corrisponde ad un elemento della tavola periodica.
Ci sono radiazioni che i nostri occhi non percepiscono, come le onde radio e le microonde, raggi infrarossi e quelli ultravioletti, i raggi X e i γ (gamma).
Esiste uno strumento chiamato spettroscopio che fraziona la luce facendola passare attraverso un prisma di cristallo trasparente (prisma ottico), che ci permette di ottenere, in base alla luce presa in esame, tre tipi di spettri:
Le orbite degli atomi appartengono a un livello di energia chiamato stato fondamentale. I livelli di energia superiore sono chiamati stati eccitati, perché l'elettrone li può raggiungere solo se riceve una sufficiente quantità di energia. Quando l'elettrone torna al suo stato fondamentale emette una radiazione elettromagnetica con una precisa quantità di energia.
Quando l'elettrone torna al suo stato fondamentale emette una radiazione elettromagnetica con una precisa quantità di energia.
Dopo anni di studi e ricerche da parte di vari scienziati, si riuscì a constatare che l'effetto fotoelettrico è un fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica, ossia da fotoni aventi una certa lunghezza d'onda. Ma fu Albert Einstein che nel 1905, diede una definizione più corretta aggiungendo che una radiazione elettromagnetica è costituita da pacchetti di energia o quanti, poi definiti fotoni.
L'effetto fotoelettrico è dato da una formula:
λ = h/mc
Nel 1924 fisico e matematico francese Louis-Victor Pierre Raymond De Broglie formulò un'ipotesi che estese a qualsiasi particelle elementare, in particolare all'elettrone, le proprietà fisiche delle onde. Ciò permise a De Broglie di ipotizzare che alle particelle microscopiche si potesse associare anche un'onda: questo portò al dualismo onda-particella.
In fisica con dualismo onda-particella, o dualismo onda-corpuscolo, si definisce la duplice natura, sia corpuscolare sia ondulatoria, del comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica.
Nel 1927, il fisico tedesco Werner Karl Heisenberg enunciò un principio, chiamato principio di indeterminazione. Questo principio spiega che è impossibile determinare con assoluta precisione la posizione dell'elettrone, è solamente possibile stabilire la probabilità che un elettrone si trovi in un certo spazio intorno al nucleo.
Nel 1925 il fisico e matematico Erwin Schrödinger elaborò un'equazione, chiamata "equazione di Schrodinger".
Secondo l'equazione il movimento degli elettroni avviene in tre dimensioni, per cui le soluzioni accettabili dell'equazione d'onda derivano dalla combinazione di tre costanti dette numeri quantici, indicati con le lettere n, l ed m.
Ogni funzione d'onda caratterizzata dai tre numeri quantici Ψnlm viene chiamata orbitale e corrisponde ad uno stato stanziato.
Il numero quantico principale n determina l'energia dell'elettrone e può assumere qualsiasi
valore intero positivo:
n = 1, 2, 3 ....
Più grande è n maggiore è l'energia
Il numero quantico n determina anche la dimensione dell'orbitale:
più grande è n più grande è l'orbitale.
Il numero quantico secondario o angolare l è detto anche numero quantico azimutale e distingue la forma di orbitali con lo stesso n.
Per ogni dato n, l può assumere tutti i valori interi compresi tra 0 e n-1:
l = 0,1,2,3,.....,n-1
Ciascun tipo di orbitale in base ai valori può avere una diversa forma, cioè una diversa distribuzione di probabilità nello spazio.
I diversi orbitali sono indicati con le seguenti lettere:
Gli orbitali vengono indicati scrivendo prima il numero principale n
(1,2,3,....) e poi la lettera corrispondente al numero quantico l (s, p,
d, f, ....).
s = ha la forma sferica
p = ha la forma di un otto o di una clessidra
d = ha la forma di un quadrifoglio
f = ha una forma indeterminata
Il numero quantico magnetico determina l'orientamento spaziale di orbitali con n e l definiti, cioè con dimensione e forma definite.
Per ogni dato l, ml può assumere tutti i valori interi compresi tra -l e +l, cioè:
ml= -l,-l+1,....,0,1, .....,l-1,l
Orbitali con lo stesso l ma diverso ml hanno la stessa forma
ma diversa orientazione nello spazio.
L'elettrone è poi caratterizzato da un quarto numero
quantico ms legato al moto di spin dell'elettrone
(rotazione attorno all'asse).
Il numero quantico di spin ms determina le due possibili orientazioni dell'asse di spin di un elettrone e può assumere i valori:
ms=+1/2 ms=-1/2
Un elettrone si comporta come la terra ruotando intorno ad un asse e il valore di ms determina il verso di rotazione.
Con il termine configurazione elettronica di un elemento si intende la descrizione della disposizione degli elettroni nei sui orbitali. Per descrivere la configurazione elettronica, ogni orbitale viene rappresentato convenzionalmente con un quadratino all'interno del quale vanno inseriti gli elettroni i cui numeri quantici di spin sono rappresentati con frecce verticali rivolte verso l'alto o verso il basso.
Nel 1920 il fisico danese Niels Bohr, del quale abbiamo già parlato precedentemente, formulò un principio chiamato "principio dell' Aufbau", termine che deriva dalla parola tedesca "Aufbauprinzip" che sta per "principio di costruzione".
Esempi:
Gli elettroni di valenza di un atomo sono gli elettroni presenti nel suo ultimo livello di energia; sono quelli che partecipano alla formazione dei legami chimici e sono quelli che determinano le proprietà chimiche di un elemento.
Esempi:
Gli elettroni di valenza sono indicati nella tavola periodica dal numero romano posto all'apice della colonna su cui è collocato l'elemento (gruppo).
L'ibridizzazione (o ibridazione) è un procedimento di combinazione matematica di un certo numero di orbitali (orbitali s, p, d) con contenuto energetico poco diverso (quindi orbitali di valenza) di uno stesso atomo che permette di ottenere nuovi orbitali ibridi equivalenti (isoenergetici) con i lobi orientati lungo le direzioni dei possibili legami che l'atomo centrale di una o più molecole può formare con altri atomi.
Il carbonio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo C e come numero atomico 6.
L'atomo di carbonio ha una configurazione elettronica di:
Come si può notare, il carbonio ha solo due orbitali 2p semipieni e, pertanto, dovrebbe dare origine solamente a due legami covalenti ( il legame covalente si forma tra atomi che hanno un alto valore di elettronegatività e quindi tra atomi "non metallici").
In realtà il carbonio è prevalentemente tetravalente, cioè in grado di formare 4 legami con altri atomi.
Si suppone, perciò, la promozione di un elettrone dall'orbitale 2s all'orbitale 2p vuoto.
Tale atomo di carbonio eccitato ha ora quattro orbitali semipieni e, potrebbe formare quattro legami: tuttavia, siccome l'orbitale atomico 2s sferico ha energia inferiore e forma diversa da quella dei tre orbitali 2px, 2py, 2pz, dovremmo aspettarci tre legami uguali e uno diverso.
Tutto ciò è in contrasto con i fatti sperimentali che accertano la presenza nel metano ( CH4) di 4 legami covalenti identici.
La teoria suggerisce il "mescolamento" dell'orbitale 2s con i tre orbitali 2p. Tale mescolamento è matematio, delle funzioni d'onda dell'orbitale e quindi non è un reale fenomeno fisico.
Come risultato si ottengono 4 nuovi orbitali identici tra loro, di forma, energia e disposizione nello spazio del tutto diverse da quelle originarie. Questa operazione matematica prende il nome di ibridazione.
I nuovi 4 orbitali ibridi, chiamati sp3, hanno per 1/4 le caratteristiche dell'orbitale s di partenza e per 3/4 le caratteristiche degli orbitali 2p. Il 3 esponente di p indica il numero di orbitali p che partecipano alla formazione dell'ibrido.
I 4 orbitali ibridi sp3 sono tra loro identici e hanno la seguente forma:
Il lobo di dimensione maggiore è quello che viene utilizzato nei legami. Talvolta, per questioni di praticità, non si rappresenta il lobo di dimensione minore.
I quattro orbitali ibridi sp3 puntano verso i vertici di un tetraedro, disponendosi al 109,5° l'uno dall'altro:
Nella formazione della molecola del metano, si ha una sovrapposizione tra i 4 orbitali ibridi sp3 e 4 orbitali 1s appartenenti a 4 atomi di idrogeno diversi:
Oltre all'ibridazione sp3 esistono anche altre ibridazioni. Dal mescolamento di un orbitale s con due orbitali di tipo p io ottengono 3 orbitali ibridi detti orbitali sp2 che si dispongono su di un piano formando angoli di 120° l'uno dall'altro.
L'orbitale p non coinvolto nell'ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato dai tre orbitali ibridi sp2.
Presentano ibridazione sp2 gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente doppio (>C=C<), come ad esempio nella molecola dell'etene ( o etilene) H2C=CH2.
Il doppio legame C=C si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitai ibridi sp2 e alla sovrapposizione laterale tra i 2 orrbitali p non coinvolti nell'ibridazione.
La combinazione di un orbitale di tipo s e uno di tipo p dà origine a 2 orbitali ibridi sp. Ogni orbitale ibrido sp ha il 50% di carattere s e il 50% di carattere p.
I due orbitali ibridi sp ( nei quali per questioni di praticità, si omette di rappresentare il lobo di dimensione minore) si dispongono a 180° l'uno rispetto all'altro.
Gli orbitali p non coinvolti nell'ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro e sono perpendicolari ai due orbitali ibridi sp:
Presentano ibridazione sp gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente triplo (>C≡C<), come ad esempio nella molecola dell'etino HC≡CH. Il triplo legame >C≡C< si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra due orbitali ibridi sp e alla sovrapposizione laterale tra le due coppie di orbitali p non coinvolti nell'ibridazione.
Il legame di tipo σ (sigma) avviene tra due atomi che mettono in comune un elettrone ciascuno (avendo tali elettroni spin opposti) e si forma con la sovrapposizione degli orbitali più esterni.
Il legame π (pi greco) è un legame chimico covalente formato per sovrapposizione laterale di due orbitali di opportuna simmetria. Il legame risultante si estende al di sopra e al di sotto il piano in cui giace il legame σ che congiunge i due stessi nuclei, caratterizzato da simmetria cilindrica, e presenta quindi massima densità elettronica nello spazio situato sopra e sotto il piano dei due nuclei in questione.Fra i due si estende un piano nodale.
Nel caso in cui due atomi di carbonio di una molecola organica siano legati da un legame semplice, tale legame sarà un legame σ. Se invece due atomi di carbonio sono legati da un doppio legame, tale doppio legame sarà costituito da un legame σ e un legame π. Infine se due atomi di carbonio sono legati da un triplo legame, tale triplo legame sarà costituito da un legame σ e due legami π.
Ciò che differenzia principalmente il legame σ dal legame π è che la sovrapposizione degli orbitali nel caso del legame σ avviene lungo la congiungente dei due nuclei degli atomi interessati nel legame, con una simmetria di tipo cilindrico. Di conseguenza il legame σ è più forte del legame π. Inoltre la sovrapposizione crea una zona, detta zona di ricopertura, che permette di definire quanto il legame sia forte: maggiore è la zona di ricopertura, tanto più forte sarà il legame σ. Questo tipo di legame non presenta piani nodali.
L'isomeria è quel fenomeno per il quale sostanze diverse per proprietà fisiche e spesso anche per comportamento chimico hanno la stessa formula bruta, cioè stessa massa molecolare e stessa composizione percentuale di atomi.
Due composti con uguale formula bruta si dicono isomeri. Questi possono essere:
L'isomeria è molto diffusa ed importante nei composti organici e le classi di isomeri, si possono dividere ulteriormente in sottoclassi.
Gli isomeri costituzionali possono essere isomeri:
Gli stereoisomeri possono essere isomeri: