Chimica Parte 1 Verifica PDF

Chimica Chimica è la scienza che studia la struttura, la proprietà della materia e le sue trasformazioni che nell’ambito delle scienze mediche riguardano tutti quegli eventi base dei fenomeni biologici che regolano il funzionamento dell’organismo. Nell’ambito biologica è la scienza che studia la com...

Chimica Chimica è la scienza che studia la struttura, la proprietà della materia e le sue trasformazioni che nell’ambito delle scienze mediche riguardano tutti quegli eventi base dei fenomeni biologici che regolano il funzionamento dell’organismo. Nell’ambito biologica è la scienza che studia la composizione chimica degli esseri viventi e i loro prodotti, le trasformazioni. La chimica studia la materia che è tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio ovvero un volume. (Resistenza allo stato di quiete). La materia può essere studiata tramite due proprietà: fisiche e chimiche. Chimiche sono quelle proprietà che vanno a modificare la natura stessa della materia. Quelle chimiche sono caratteristiche delle sostane che messe ad integrare instaurano processi capaci di modificare la natura. Mentre quelle fisiche descrivono il comportamento della materia sottoposta a processi fisici, cioè a sollecitazioni che vanno a modificare la posizione, la distribuzione dell’energia, ma non la natura ne la composizione. Le unità di misura ci permettono di quantificare ciò che stiamo misurando. Solo negli anni ’60 è stato adottato un sistema internazionale delle unita di misura. Ne fanno parte: lunghezza, massa, tempo, intensità di corrente, temperatura, quantità di materia e intensità luminosa. Successivamente vennero introdotte delle unita di misura derivate, come l’area, volume, densità ecc. 0° gradi centigradi = 273,15 Kelvin. Stati di aggregazione della materia Solido, liquido e aeriforme. Lo stato solido è caratterizzato da particelle compatte, legate da legami forti. Ciò permette ai solidi di avere una forma ed un volume proprio, permettendo cosi un’alta densità, considerandolo incomprimibile o si deforma, ma poi torna nella posizione iniziale. Nello stato liquido, le particelle sono vicine, ma i legami da cui sono composti possono rompersi facilmente e riformarsi, questo permette al liquido di cambiare forma, mantenendo però lo stesso volume. Hanno una densità media, però fanno si che il liquido sia incomprimibile. Nello stato aeriforme le particelle tendono ad occupare tutto il volume o spazio che abbiamo a disposizione, quindi si distribuirà in maniera uniforme all’interno del recipiente. Scarsamente presente sulla terra è il plasma, cioè un gas ionizzato, ovvero degli elettroni vengono allontanati e cosi risulta con dei ioni carichi positivamente con una nube elettronegativa intorno. In questi stadi di aggregazione cambia la densità, questo può avvenire tramite gli stati di aggregazione della materia, esclusivamente di natura fisica aumentando o abbassando la temperatura e porta a in cambiamento di stato fisico. Gas Teoria cinetica dei gas: un gas ideale o perfetto costituito da masse puntiformi in continuo movimento caotico, incapaci di esercitare attrazioni o repulsioni reciproche. Per una data quantità di sostanza il comportamento fisico di un gas dipende da tre variabili: temprerattra, pressione e volume. Pressione è la forza che le particelle vanno ad esercitare sulla superficie del recipiente, e si misura in Pascal cioè Newton/m2. Nel caso di un gas contento in un recipiente chiuso è facile immaginare le sue molecole in continuo movimento che si urtano e urtano le partite del recipiente. La pressione atmosferica viene misurata con il barometro. Legge del comportamento dei gas Legge di Boyle => temperatura costante (isoterma) Le leggi dei gas sono state ricavate conducendo esperimenti su una definita quantità di gas e mantenendo costante una delle 3 variabili, temperatura, pressione e volume. La legge di Boyle a temperatura costante il prodotto tra la pressione e il volume è costante, quindi se riduciamo il volume avremo un aumento di pressione, PV=k (costante) => inversamente proporzionale. Ciò avviene anche durante la respirazione. Legge di charles e gay-lussac => (isobara)  Prima legge= La pressione costante (isobara) il volume occupato da una determinata quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura. Ad un aumento di temperatura aumenta anche il volume Seconda legge= volume costante (isocora) la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura. All’aumento di temperatura aumenta anche la pressione. Spesso quando parliamo di gas parliamo anche di miscele e bisogna andare a considerare il contributo dei singoli gas, per questo sono state elaborate le leggi di Agamat e di Dalton. Agamat: il volume occupato da una soluzione di più gas è uguale alla somma dei volumi parziali dei componenti della miscela. Il volume parziale è il volume che ciascun gas occuperebbe se alla stessa temperatura fosse sottoposto alla pressione a cui è sottoposta l’intera miscela di gas. Dalton: la pressione esercitata da una soluzione di più gas è uguale alla somma delle pressioni parziali dei gas che la compongono. La pressione parziale è la pressione che ciascun gas eserciterebbe se occupasse da solo il volume totale occupato dalla soluzione. Teoria cinetica dei gas Per spiegare il comportamento dei gas è stato formulato un modello ideale che lo descrive sulla base esclusiva del moto delle molecole che hanno varie caratteristiche: 1. Si comportano come masse puntiformi, in continuo e disordinato movimento, e hanno un volume assolutamente trascurabile rispetto a quello del recipiente 2. Non esercitano attrazioni o repulsioni reciproche, ovvero si muovono indipendentemente l’una dall’altra 3. Danno luogo ad urti in cui varia l’energia della singola molecola ma si mantiene costante la loro energia media e totale Le collisione non determinano un aumento di energia e quindi non andrà a cambiare ponendo costante la temperatura, cosa che non accade se la andassimo ad aumentare portando cosi a una forma di energia cinetica. Per andare a definire la velocità di un gas viene definita tramite la legge di maxwell-forzman. Solidi Nello stato solido le particelle sono più vicine perché composte da legami molto forti. Nell’ambito dei solidi abbiamo i solidi cristallini e i solidi amorfi. Nei solidi cristallini abbiamo delle particelle che li compongono si distribuiscono in modo ordinato e regolare a formare il reticolo cristallino, presentano temperature di fusine netta e precisa e sono anisotropi. Cioè le proprietà meccaniche ed elettriche cambiano in base alla direzione in cui andiamo a misurarle, perché hanno una struttura ordinata al loro interno. Al contrario i solido amorfi hanno una struttura disordinata e ne consegue il fatto che non abbiamo una temperatura di fusione, ma vanno in contro al rammollimento, ciò avviene per esempio nel vetro. Sono dei solidi isotropi. I cristalli liquidi sono dei composti che possono fondersi grazie all’aumento di temperatura portando alla variazione del reticolo tridimensionale, che urtano la sostanza allo stato fluido. Sono stati scoperti sperimentalmente, come se il composto avesse due punti di fusione. Cristalli liquidi liotropici sono caratterizzati da una composizione diversa rispetto si precedenti, come le membrane cellulari con testa idrofilia e coda idrofoba. A bassa temperatura le catene idrofobiche si dispongono in modo ordinato con una struttura simile a quella cristallina. Mentre all’aumentare della temperatura l’aumento dell’energia andrà a distruggere progressivamente la struttura ordinata e la membrana avrà le proprietà di un liquido. Stato liquido Le molecole sono meno dense, ma sono abbastanza distanti tra di loro in modo che possano spezzarsi facilmente i legami. In un liquido abbiamo una porzione interna e un interfaccia. Le molecole sono sottoposte a una serie di forze, ma i legami all’interno del liquido sono molto forti e fanno si che i legami non si spezzino, definita tensione superficiale che rappresenta l’energia richiesta per costruire o aumentare la superficie di un liquido. Equilibrio gas liquido In un intervallo definito di pressioni e temperature, liquido e vapore possono coesistere e in questo caso tra i due stati fisici si instaurerà un equilibrio dinamico. Pressione di vapore saturo o Tensione di vapore: pressione esercitata dal vapore quando lo stato liquido e quello di vapore sono in equilibrio per l’acqua a 37°C corrisponde a 47mmHg. In generale la tensione di vapore può essere interpretata come il risultato della tendenza di una particolare sostanza a passare dalla fase condensata alla fase gassosa (cioè ad evaporare o sublimare) All’aumentare della temperatura di un liquido si va in contro all’evaporazione, ovvero si vanno a formare delle bolle all’interno del liquido portando all’ebollizione andando ad eguagliare la pressione atmosferica. La pressione atmosferica cambia in base all’altitudine, es. mare o montagna. Classificazione della materia Materia: qualsiasi cosa avente massa e in grado di occupare uno spazio Sostanze pure: hanno composizione definita e costante. Elementi: hanno composizione definita e costante e composte da elementi formati da atomi della stessa specie, uguali fra loro. Non possono essere scomposti in sostanze più semplici mediante reazioni chimiche Composti: hanno una composizione definita e costante. Sono sostanze complesse formate da due o più elementi, possono essere decomposte chimicamente negli elementi costitutivi, sono omogenei, hanno una porzione in peso definita dei loro componenti, hanno proprietà diverse da quelle dei loro costituenti e sono suddivisi in composti molecolari e composti ionici. I composi molecolari sono formati da molecole costituite da atomi di elementi diversi uniti tramite legami covalenti. Sono rappresentati con una formula molecolare che mostra l’esatto numero di atti di ciascun elemento presenti nella molecola di un composto e sono spesso formati da atomi di due o più non metalli o di idrogeno e uno o più di non metalli. I composti ionici sono formati da ioni, ovvero da atomi degli elementi costituenti che hanno assunto circa opposta, positiva e negativa, e si legano per semplice attrazione elettrostatica a formare cristalli elettricamente neutri, di dimensioni variabili, ma sempre formati da un elevato numero di ioni. Non è possibile identificare la molecola, pertanto la costituzione dei composti ionici è espressa dalla formula empirica o minima che indica la natura degli ioni del cristallo e il loro rapporto. Spesso formati da uno o più atomi di un metallo e uno o più atomi di un non metallo. Miscele: sistemi prodotti dall’unione di due o più sostanze pure senza che queste reagiscano tra di loro. Non hanno una composizione definita costante, possono essere separate nei loro componenti con metodi fisici e ciascuno dei componenti mantiene inalterate le sue proprietà. Una miscela può essere omogenea o eterogenea: nel primo caso la composizione è la stessa in ogni punto, ed è detta soluzione, nel secondo caso, la composizione è differente in punti differenti, e si parla di miscela eterogenea o miscuglio. Miscele omogenee hanno una composizione uniforme e presentano proprietà uguali in ogni loro punto ovvero presentano una sola fase. Il materiale più abbondante della miscela è il solvente, mentre i materiali meno abbondanti sono soluti. Le soluzioni possono essere Gassose: il soluto in forma areiforme è disperso nel solvente gassoso Liquide: Il soluto è disperso in un solvente liquido il soluto può essere gassoso, liquido o solido Solide: il soluto è disperso in un solvente solido il soluto può essere liquido o solido Miscele eterogeee: sistema eterogeneo polifonico. Al contrario delle soluzioni, quindi, le miscele eterogenee non hanno una composizione uniforme e presentano proprietà differenti in almeno due diversi punti perciò sono sempre costituiti almeno da due fasi. Una sospensione è una miscela eterogenea in cui un materiale finemente suddiviso è disperso in un altro materiale in modo tale da non sedimentare in tempo breve. Una sospensione rimane tale fino a quando al sistema è applicata energia sotto forma di agitazione. Quando l'apporto di energia cessa, le particelle di ogni dimensione sedimentano per effetto della gravità; il livello di energia determina la massima dimensione delle particelle che entrano in sospensione. Es. Succo di frutta: polpa di frutta in acqua; acqua e olio, aria inquinata. Le proprietà delle sospensioni possono essere così riassunte: 1. Sono costituite da una sostanza dispersa in un liquido o in un gas; 2. Le particelle hanno una dimensione > 1000 nm 3. Sono eterogenee; 4. Non sono trasparenti alla luce; 5. Tendono a sedimentare; 6. Non passano attraverso la carta da filtro e le membrane Un colloide (o sistema colloidale) è una particolare miscela in cui una sostanza si trova in uno stato finemente disperso, intermedio tra la soluzione e la sospensione. La sostanza rimane in sospensione e non si deposita sul fondo del recipiente. Questo perché le particelle che lo compongono hanno dimensioni tra 1 e 1000 nm. Esempi: citoplasma cellulare, albume delle uova, plasma, nebbia Dispersione colloidale Le proprietà delle soluzioni colloidali possono essere così riassunte: 1. sono costituite da una sostanza dispersa in un liquido, in un solido o in un gas; 2. sono eterogenee; 3. le particelle hanno una dimensione tra 1 e 1000 nm 4. non sono trasparenti alla luce; 5. non sedimentano; 6. passano attraverso la carta da filtro 7. non passano attraverso le membrane semipermeabili. Miscele eterogenee: Effetto Tyndall Una caratteristica delle soluzioni colloidali è la loro capacità di disperdere un raggio di luce che le investe. In una soluzione “vera” le particelle sono troppo piccole per disperdere la luce, e se osserviamo perpendicolarmente al raggio non vediamo nulla. Dialisi La dialisi è un processo di separazione basato sull’uso di una membrana semipermeabile. Si può usare la dialisi per separare soluti aventi piccole dimensioni che diffondono da una soluzione ad alta concentrazione a una soluzione a bassa concentrazione attraverso una membrana che permette il passaggio di molecole di piccole dimensioni e trattiene le specie aventi dimensioni maggiori. Nell'organismo umano le membrane presenti nel rene permettono ai materiali di rifiuto solubili di passare nelle urine in modo da essere eliminate. Le stesse membrane però non permettono alle proteine di passare attraverso di esse perché tali proteine sono colloidi. In un adulto di circa 70 Kg, circa 180 litri di sangue vengono purificati ogni giorno. EMODIALISI L'emodialisi si riferisce alla rimozione, dal sangue, del materiale di rifiuto solubile per mezzo di una membrana. La purificazione del sangue può essere ottenuta in questo modo perché le particelle solubili (di scarto) possono diffondere attraverso la membrana dializzante, mentre le cellule del sangue e le proteine plasmatiche no. Quando un paziente presenta insufficienza renale, può essere usata una macchina che funziona da rene artificiale. Questa macchina applica i principi dell'emodialisi. Elementi che costituiscono la materia Atomo: più piccola particella di un elemento che ne conserva le proprietà Molecola: si intende un’unità strutturale composta da atomi che possono essere della stessa specie o no tramite legami stechiometrici. Anche quando parliamo di molecola, rappresenta la più piccola unita strutturale. Si definisce molecola la più piccola unità strutturale di un composto chimico (non ionico) che può esistere allo stato libero e che ne mantiene le medesime proprietà chimiche. Le molecole possono essere monoatomiche, cioè costituite da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili) o poliatomiche, cioè costituite da più atomi, uguali o diversi. L’atomo è composto da: neutroni protoni ed elettroni. I neutroni non hanno una carica Protoni hanno una carica positiva Elettroni hanno una carica negativa atomo = elemento neutro Numero atomico: è il numero di protoni presenti nel nucleo di un determinato atomo Z. Poiché ogni atomo è elettricamente neutro, Z rappresenta anche il numero di elettroni. Il numero atomico viene indicato come pedice sul lato sinistro del simbolo dell’elemento. 6C Questa rappresentazione grafica indica un atomo di carbonio con un numero atomico 6 (6 protoni, 6 elettroni). Numero di massa: somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n) contenuti nel nucleo. Si indica con la lettera A = n + Z. Viene indicato come apice sul lato sinistro del simbolo dell’elemento: 12-6C Questa rappresentazione grafica indica un atomo di carbonio con un numero atomico 6 (6 protoni, 6 elettroni) e numero di massa 12 (6 protoni + 6 neutroni). Massa atomica La massa si misura in grammi, ma tuttavia la massa atomica è infinitesimale quindi sarebbe poco pratico utilizzare l’unita di misura in g (grammi). Per questo motivo per identificarne il peso si utilizza l’unita di massa atomica con unita di misura il Dalton. 1/12 rappresenta l’unita di massa atomica dell’atomo 12C. Anche quando parliamo di massa atomica relativa, essa è determinata dai neutroni e protoni. Un atomo di norma viene considerato neutro, ma spesso alcuni atomi cedono o acquisiscono componenti detti IONI. Gli ioni si formano nel momento in cui gli atomi mantenendo costante il numero di protoni e neutroni cedendo o acquistando elettroni. Gli ioni si distinguono in: Cationi: cede elettrone => il numero dei protoni supera quello degli elettroni => carica + Anioni: acquisite elettrone => il numero dei elettroni supera quello dei protoni => carica - Il valore della carica positiva o negativa dello stesso ione è anche detto numero di ossidazione dello ione. Il nome dei cationi si forma anteponendo il sostantivo “ione” al nome dell’elemento Il nome degli anioni si ottiene aggiungendo il suffisso“ -uro” alla radice del nome dell’elemento. Isotopi Numero neutroni = numero di massa - numero atomico Il numero di neutroni presenti nel nucleo di un elemento si calcola sottraendo dal numero di massa dell’elemento il suo numero atomico. Sono atomi di uno stesso elemento aventi lo stesso numero atomico, ma diverso numero di massa, poiché hanno diverso numero di neutroni. Hanno proprietà chimiche simili in quanto contengono lo stesso numero di elettroni e protoni, ma differenti proprietà fisiche. Carbonio e idrogeno = isotopi Carbonio: numero atomico 6, ha 3 isotopi in natura e le loro masse sono rispettivamente 12, 13, 14. Tutti e 3 hanno numero atomico 6 cioè 6 protoni e 6 elettroni. L’isotopo con massa 12 ha 6 neutroni, l’isotopo con massa 13 ha 7 neutroni, l’isotopo con massa 14 ha 8 neutroni. L’idrogeno: numero atomico 1, ha tre isotopi in natura. Le loro masse atomiche sono rispettivamente 1, 2 e 3. Tutti e tre hanno numero atomico 1, cioè 1 protoni e 1 elettroni. L’isotopo con massa 1 (prozio) ha zero ha 0 neutroni, l’isotopo con massa 2 (deuterio) ha 1 neutrone, l’isotopo con massa 3 (trizio) ha 2 neutroni. La radioattività è una proprietà degli elementi di emettere delle radiazioni che vengono emesse dal nucleo dell’atomo. Cioè avviene quando il numero di protoni e neutroni differisce. Se il numero di neutroni cambia, potrebbe cambiare anche la repulsione. L’emissione spontanea di radiazioni si ha quando il rapporto neutroni/protoni presente in un radionuclide si discosta per eccesso o per difetto da un valore di equilibrio. Quindi gli elementi possono essere classificati in isotopi stabili e isotopi instabili. isotopi stabili (non radioattivi), in cui il numero di protoni e neutroni è bilanciato isotopi instabili, in cui il nucleo andrà incontro a una successiva reazione nucleare; questi Gli isotopi sono chiamati radioisotopi o isotopi radioattivi. Sono gli elementi con un numero atomico molto elevato. Esistono poi degli elementi radioattivi artificiali, che sono stati ottenuti da elementi non radioattivi sottoposti a bombardamenti da nuclei leggeri o altri elementi instabili. Gli elementi possono essere classificati come: elementi stabili con isotopi radioattivi, elementi il cui isotopo principale è stabile, ma aventi uno o più isotopi radioattivi elementi radioattivi naturali, elementi presenti in natura ma instabili (Z elevato), quindi soggetti a decadimento radioattivo elementi radioattivi artificiali, ottenuti mediante la trasformazione di elementi naturali in altri elementi instabili. Le radiazioni possono essere alfa (𝞪) beta + (𝞫+) beta - (𝞫+) gamma (ɣ) X Il decadimento radioattivo è un processo di liberazione di energia nucleare con cui un radionuclide modifica la sua struttura nucleare trasformandosi nell’isotopo di un’altra elemento Tempo di dimezzamento; cioè il tempo che deve trascorrere affinché meta dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Trascorso un intervallo di tempo pari al tempo di dimezzamento il numero di nuclei radioattivi è uguale alla meta di quelli presenti all’inizio. Decadimento alfa: Da un nucleo radioattivi vengono emesse delle particelle alfa assimilabili a nuclei di elio in quanto formate da due carica positive e due neutroni. L’emissione di tale particella porta a una diminuzione di massa di 4 unità (2 protoni e 2 neutroni) => applicazione utilizzata per la fluorescenza Decadimento beta: Una particella beta ha una massa pari a quella dell’elettrone e può avere caria negativa unitaria o positiva unitaria. Il decadimento beta- avviene quando il nucleo viene reso instabile dall’eccesso di neutroni. Il neutrone in eccesso si trasforma i un protone e un elettrone, aumenta cosi il numero Z e l’atomo si trasforma in un elemento chimico differente. Rimane invariato il numero di A dato che la particella beta emessa ha una massa trascurabile. Decadimento beta+: avviene quando abbiamo un eccesso di protoni. Il protone in eccesso si trasforma di un neutrone in un positrone che viene emesso. Quindi si riduce il numero di Z e l’atomo si trasforma in un elemento chimico differente e rimane invariato il numero di A dato che le particelle beta+ hanno una massa trascurabile. Il potere penetrante delle radiazioni L’energia delle radiazioni siano esse di natura corpuscolare o elettromagnetiche si misura in elettronvolt (eV) Radiazioni non ionizzanti : radiazioni < 10eV Radiazioni ionizzati: energia >10eV Le radiazioni hanno vari livelli di penetranza alfa meno penetranti e x più penetranti. Essere esposti a radiazioni può portare a problematiche a livello cellulare Radioisotopi in clinica Radioisotopi: isotopi radioattivi artificiali. Utilizzo radiosotopi in campo medico: scopo diagnostico radioterapia Caratteristiche dei radioisotopi usati in diagnostica: avere un tempo di decadimento sufficientemente lungo per permettere di effettuare lo studio per la diagnosi e sufficientemente breve per non recare danno all’organismo; incapacità di accumularsi nell’organismo per non arrecare danno anche dopo l’esame diagnostico trasformazione per decadimento in un isotopo stabile Caratteristiche Avere un tempo di decadimento sufficientemente lungo per permettere di effettuare lo studio per la diagnosi e sufficientemente breve per non recare danni e trasformazioni per decadimento in un isotopo stabile. Cioè radiazioni beta. Per sconfiggere le masse tumorali si utilizzano gli isotopi capaci di emettere particelle alfa. Esempi di radiazioni in ambito medico le troviamo nella PET Modelli atomici Modello planetario – gli elettroni si muovono intorno al nucleo su orbite fisse e circolari Modello orbitale – regioni intorno al nucleo in cui è più probabile trovare gli elettroni Modello di bohr — Nel moto intorno al nucleo, gli elettroni non modificano la loro energia e si possono muovere da un orbitale ad un altro (verso il nucleo o lontano dal nucleo) tramite emissione o assorbimento di energia. Le orbite degli elettroni in un atomo sono quantizzate Modello atomico attuale Il modello atomico attuale è il risultato di molteplici studi che hanno portato a considerare l’atomo costituito da un nucleo, in cui hanno sede protoni e neutroni, circondato da una nuvola di elettroni con carica elettrica negativa. I principi fondamentali sono i seguenti: l’energia può essere ceduta o acquistata solo per quantità multiple di una quantità elementare, il quanto (teoria quantistica) l’elettrone si comporta sia come particella che come onda e non è possibile conoscere con la stessa precisione posizione e velocità (principio dell’indeterminazione) L’orbitale corrisponde alla zona dove la probabilità di trovare l’elettrone è maggiore del 95%. Numeri quantici L’equazione d’onda di Schrödinger fornisce informazioni sulla probabilità di trovare l’elettrone in un punto particolare dello spazio intorno al nucleo. Gli orbitali (o funzioni d’onda) sono caratterizzati da una serie di numeri quantici che ne descrivono le proprietà: numero quantico principale, n n=1,2,3… è relazionato alla dimensione e all’energia dell'orbitale: maggiore è il valore di n, maggiore è la dimensione dell'orbitale e quindi l'elettrone ha meno probabilità di trovarsi vicino al nucleo; quindi un valore grande di n implica anche un valore grande di energia numero quantico secondario, l. per ogni valore di n, l=0, 1,..., n-1 è relazionato alla forma degli orbitali atomici l=0 → s l=1 →p l=2 → d l=3 → f numero quantico magnetico, m m=-l, -l+1,..., 1, 0, 1,..., l-1, l è relazionato alla orientamento relativo degli orbitali nello spazio numero quantico di spin, ms ms = -l/2, +1/2 è relazionato al senso di rotazione dell’elettrone intorno al proprio asse. Numero quantico principale (n): energia e dimensioni orbitali, n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7… Numero quantico secondario (l): forma orbitali, l= valori tra 0 e n-1. l=0 si ha 1 orbitale s, sferico l=1 si hanno 3 orbitali p, bilobati l=2 si hanno 5 orbitali d, di diversa forma l=3 si hanno 7 orbitali f, di diversa forma Numero quantico magnetico (m): orientamento orbitali nello spazio per azione di un campo magnetico, m= valori tra –l e +l. Modello a orbitali: orbitali s La superficie di contorno degli orbitali s è una sfera il cui volume aumenta all’aumentare del numero quantico principale n. Raggio ed energia aumentano all’aumentare del numero atomico In ogni livello energetico troviamo un solo orbitale s (che può contenere 0, 1 o 2 elettroni) A parità di n, l’orbitale s ha energia più bassa, seguito da p, d, f con energie sempre crescenti. orbitali p La superficie di contorno degli orbitali p è un doppio lobo che si espande lungo gli assi x, y e z. Possono contenere fino a un massimo di 6 elettroni orbitali d La superficie di contorno degli orbitali d è a quattro lobi. Sono in tutto 5 e possono contenere complessivamente fino a 10 elettroni. orbitali f La superficie di contorno degli orbitali f è polilobata. Sono 7 e ospitano fino a 14 elettroni. Configurazione elettronica degli elementi Si definisce configurazione elettronica la disposizione degli elettroni attorno al nucleo di ogni atomo Gli elettroni occupano spazi attorno al nucleo definiti orbitali. Il numero degli elettroni, quindi degli orbitali, varia da atomo ad atomo: per le caratteristiche di reattività, sono importanti gli elettroni presenti negli orbitali più esterni. Gli orbitali possiedono caratteristiche diverse in funzione della loro forma (definita da una lettera) e della loro dimensione (definita da un numero). PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni; ogni orbitale che sia “riempito” con 2 elettroni viene definito saturo. Livelli e sottolivelli di energia Ogni livello energetico (numero quantico principale) è costituito da sottolivelli (numero quantico secondario) che differiscono per il loro arrangiamento spaziale. Ciascun livello energetico ha un sottolivello s contenente un orbitale s di tipo sferico. Ad iniziare dal secondo livello energetico, ciascun livello contiene un sottolivello p che comprende 3 orbitali p Dal terzo livello energetico, ciascun livello contiene un sottolivello d che comprende 5 orbitali d Dal quarto livello energetico, ciascun livello contiene un sottolivello f che comprende 7 orbitali f Ciascun gruppo di orbitali deve essere riempito completamente prima di passare al riempimento di quello successivo, ovvero gli orbitali vengono riempiti in ordine di energia crescente Atomo di idrogeno L’orbitale, in questo caso di forma sferica (s), definisce il volume in cui è massima la probabilità di trovare l’unico elettrone dell’atomo di idrogeno. L’elettrone è libero di muoversi all’interno di questo volume. La configurazione elettronica dell’H sarà quindi: 1s1 = 1 elettrone nell’orbitale 1s (dimensione 1 e forma sferica). IMPORTANTE: nell’orbitale 1s c’è posto per un altro elettrone. Atomo di elio 2 elettroni nell’orbitale 1s (dimensione 1 e forma sferica). L’orbitale 1s è così pieno (saturo) e non può contenere altri elettroni. IMPORTANTE: He, avendo l’orbitale 1s pieno, è elemento stabile Nell’orbitale 1s c’è posto ancora per 1 elettrone ed è proprio lì che andrà a mettersi. La configurazione elettronica dell’He sarà quindi: 1s2 E’ evidente che l’elemento successivo (litio, con 3 elettroni) dovrà utilizzare il primo orbitale disponibile, che sarà il 2s. La configurazione elettronica del Litio è: 1s22s1 Configurazioni elettroniche ed esempi Per ottenere configurazione elettroniche corrette si seguono le seguenti regole: 1. Principio dell’Aufbau: gli elettroni di ciascun atomo si configurano negli orbitali secondo un ordine di energia crescente 2. Principio di esclusione di Pauli: nello stesso orbitale possono configurarsi al massimo due elettroni con numero quantico di spin opposto 3. Regola di Hund: gli elettroni prima di accoppiarsi nello stesso orbitale si configurano in singoli orbitali con spin parallelo IMPORTANTE: He e Ne possiedono gli orbitali saturi. Sono elementi chimicamente stabili, vengono chiamati gas nobili o inerti. Nel 1869 Dmitrij Mendeleev ordinò i 63 elementi noti in base alla massa atomica crescente, e costruì la prima tavola periodica degli elementi. Mendeleev determinò anche la legge della periodicità attraverso la quale poté prevedere le proprietà di elementi ancora sconosciuti e scoperti anni dopo. Nella tavola periodica gli elementi sono ordinati in base al numero atomico (Z) crescente Ogni volta che il numero quantico principale n aumenta di una unità, si inizia una nuova riga (periodo) Le proprietà chimiche e fisiche degli elementi variano in modo periodico al variare del loro numero atomico.Configurazione elettronica esterna: indica quali e quanti elettroni vi sono negli orbitali più esterni dell’atomo. La configurazione elettronica esterna determina le proprietà chimiche di un atomo. le colonne vengono dette GRUPPI; gli elementi di un gruppo hanno proprietà simili. le righe vengono dette PERIODI; le proprietà degli elementi variano in maniera graduale mano a mano che mi sposto lungo un periodo da sinistra a destra. Ad ogni periodo è associato un valore di n; il numero di elementi per periodo corrisponde al numero di elettroni che può essere ospitato nel set di orbitali con quel numero quantico n. il primo primo periodo ha 2 elementi, n=1 -> 1s può ospitare massimo 2 elettroni secondo periodo ha 8 elementi, n=2 -> 2s,2p può ospitare massimo 8 elettroni il terzo periodo ha 8 elementi, n=3 -> 3s, 3p può ospitare al massimo 8 elettroni (gli orbitali 3d si riempiono successivamente)…. In base alle loro proprietà chimiche e fisiche gli elementi si distinguono in metalli, non metalli, metalloidi o semimetalli. METALLI ¾ degli elementi; solidi a temperatura ambiente (eccetto il mercurio, Hg, che è liquido); hanno superfici lucenti, sono malleabili e duttili; buoni conduttori di calore ed elettricità; perdono facilmente elettroni esterni per formare ioni positivi detti cationi. NON METALLI sono solo 17 elementi e si trovano in alto a destra; spesso gassosi a temperatura ambiente (O, N); quelli solidi (C, P, S, I) non sono affatto duttili;  possono essere liquidi a T ambiente come Br; cattivi conduttori di calore ed elettricità; acquistano facilmente elettroni per formare ioni negativi detti anioni; tra i non metalli vengono inclusi i gas nobili: elio (He), neon (Ne), kripton (Kr), xenon (Xe) e radon (Ra). SEMIMETALLI sono gli elementi lungo la diagonale che divide metalli e non metalli; hanno proprietà intermedie fra quelle dei metalli e dei non metalli; a temperatura ambiente sono solidi sono semiconduttori. Blocco s: gruppo 1 Tutti questi elementi, con un unico elettrone nell’orbitale più esterno, hanno proprietà chimiche simili. Gli elementi del primo gruppo hanno la stessa configurazione esterna s1, cioè hanno un elettrone spaiato che occupa un orbitale s. Nel primo gruppo della tavola periodica vi sono gli elementi idrogeno (H), litio (Li), sodio (Na), potassio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) e francio (Fr) L’idrogeno, pur appartenendo a questo gruppo, non è un metallo. I metalli alcalini hanno grande tendenza a cedere l’unico elettrone per diventare ioni positivi (+) => CATIONI metalli alcalini Blocco s: gruppo 2 Tutti questi elementi hanno proprietà chimiche simili. Gli elementi del secondo gruppo hanno la stessa configurazione esterna s2, cioè hanno due elettroni che occupano un orbitale s. Nel secondo gruppo della tavola periodica vi sono gli elementi Berilio (Be), Magnesio (Mg), Calcio (Ca), etc. I metalli alcalino-terrosi hanno grande tendenza a cedere due elettroni per diventare ioni positivi (2+) => CATIONI metalli alcalino-terrosi Blocco p: Sono gli elementi che si ottengono per riempimento degli orbitali p Ad es. il gruppo VII degli alogeni (F, Cl, Br, I) con configurazione esterna s2p5 e il gruppo VIII dei gas nobili (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) con configurazione esterna s2p6 Elementi del IV gruppo: 4 elettroni negli orbitali più esterni. nei composti organici il C forma sempre 4 legami Elementi del V gruppo: (7e-) N, (15e-) P possiedono 5 elettroni negli orbitali esterni N può formare 3 legami Elementi del VI gruppo: (8e-) O, (16e-) S possiedono 6 elettroni negli orbitali esterni O può formare 2 legami. Blocco d Sono gli elementi che si ottengono per riempimento degli orbitali d Sono tutti metalli e sono detti metalli di transizione progressivo riempimento degli orbitali d Esempio: Ferro Il ferro è un metallo che può cedere 2 elettroni diventando ione ferroso Fe2+ o 3 elettroni diventando ione ferrico Fe3+. Blocco f Sono gli elementi che si ottengono per riempimento degli orbitali f Sono tutti metalli e sono detti terre rare: lantanidi: metalli molto reattivi con acqua e aria attinidi: nuclei instabili che subiscono decomposizione con emissione di radiazioni Proprietà periodiche degli elementi Alcune proprietà degli elementi sono caratterizzate da una variazione sistematica lungo il periodo oppure lungo il gruppo, proprio perché dipendono dalla configurazione elettronica (e in particolar modo dagli elettroni esterni). Sono proprietà periodiche: ✓ raggio atomico; ✓ energia di ionizzazione; ✓ affinità elettronica; ✓ ✓elettronegatività. Proprietà periodiche degli elementiIl raggio atomico (Å) è la metà della distanza minima di avvicinamento tra i nuclei di due atomi dello stesso elemento. Raggio atomico Il raggio atomico: diminuisce lungo un periodo (perché aumenta la carica positiva del nucleo) aumenta lungo un gruppo (perché aumenta il numero quantico principale e quindi la dimensione degli orbitali). Per strappare un elettrone ad un atomo è necessario fornire una certa quantità di energia. Tale energia è detta potenziale di ionizzazione cioè la minima energia necessaria per allontanare un elettrone. Quanto più è alto il potenziale di ionizzazione, tanto più sarà difficile strappare l’elettrone dall’atomo. Potenziale di ionizzazione Il potenziale di ionizzazione: aumenta lungo un periodo (aumentano le forze di attrazione tra nucleo e elettroni) diminuisce lungo un gruppo (aumenta n e gli elettroni sono più lontani dal nucleo) L’elettronegatività esprime la tendenza di un atomo ad attrarre a sé gli elettroni di legame: maggiore è il valore della forza attrattiva, maggiore è la capacità di un atomo di attirare elettroni. Elettronegatività La forza di attrazione: aumenta andando verso destra lungo un periodo diminuisce scendendo lungo un gruppo.