1. ITCG "F.P.Merendino" DI Capo d'Orlando

2. A LEZIONE IN AULA D’INFORMATICA

3. L' atomo e la sua struttura Le particelle subatomiche Il numero atomico Il numero di massa L’atomo di Rutherdford Lo spettro elettromagnetico L’atomo di Bohr Teoria atomica moderna Gli orbitali

5. Il numero atomico si indica con Z ed identifica tutti gli elementi chimici: Z= 1 (Idrogeno); Z=2 (Elio); I protoni si trovano nel nucleo, che costituisce il cuore dell’atomo, il loro numero (numero atomico) è costante per gli atomi che appartengono ad uno stesso elemento. Gli elettroni ed i protoni hanno carica uguale ma di segno contrario, quindi in un atomo neutro il numero dei protoni è sempre uguale a quello degli elettroni. Gli elettroni si trovano in zone dello spazio intorno al nucleo chiamate orbitali.

7. Modello Atomico di Rutherdford Nei primi anni del XX secolo, grazie alle scoperte dell’elettrone e del protone, avvenute alla fine del XIX secolo, Rutherford ed un gruppo di scienziati che lavoravano con lui, formularono la teoria atomica che è nota come Teoria atomica di Rutherford. Questi scienziati bombardando una sottile lamina d’oro, con delle particella alfa, avevano osservato che la maggior parte delle particelle riuscivano a passare indisturbate e soltanto una su ottomila rimbalzava in direzione opposta. Grazie a questo esperimento dedussero che l’atomo è per la maggior parte costituito da spazio vuoto. Il modello atomico di Rutherford considera l’atomo formato da un nucleo centrale, nel quale risiede la quasi totalità della massa e dagli elettroni che ruotano intorno al nucleo descrivendo delle orbite, per la sua somiglianza con il sistema solare viene detto modello atomico planetario

8. Questo modello atomico non era, tuttavia, in grado di dare una valida spiegazione agli esperimenti che avevano messo in evidenza la capacità degli elettroni di assorbire e di emettere energia. Secondo le leggi della fisica classica, infatti, l’elettrone cedendo energia doveva percorrere una traiettoria a spirale e cadere in pochi istanti sul nucleo. Bohr partendo dal principio che non era corretto applicare all’atomo le leggi valide per corpi, che se paragonati ad esso sono di dimensioni enormi, perfezionò la teoria di Rutherford .

9. Lo spettro elettromagnetico. Per spiegare il comportamento degli elettroni e le radiazioni emesse dagli atomi Bohr si servì della meccanica quantistica. Secondo questa teoria l’energia può essere emessa o assorbita secondo quantità discrete chiamati quanti . Per meglio capire questi concetti è necessario un cenno sulle proprietà delle onde elettromagnetiche. L’energia radiante è costituita da forze elettriche e magnetiche che si propagano nello spazio con moto ondulatorio, cioè come le onde. Fig. 1 Moto ondulatorio: lunghezza d’onda (  ) e ampiezza (a).  a

10. Tutte le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce: c = 3.1010 cm/sec. La distanza tra due picchi di un onda si chiama lunghezza d’onda e si indica con  (lambda). Il numero di onde che passano in un secondo si chiama frequenza e si indica con  (ni). Vale la relazione  =c; quindi se la frequenza è grande, la lunghezza d’onda è piccola e viceversa. L’energia è direttamente proporzionale alla frequenza della radiazione, cioè: E = h  , dove h è una costante di proporzionalità, chiamata costante di Plank. Radiazioni che hanno elevata frequenza hanno, quindi, anche elevata energia .

11. Nella figura è illustrato lo spettro delle varie radiazioni.  (cm) 10 -9 10 -7 10 -5 10 -3 10 -1 10 10 3 Raggi  Onde radio, TV Raggi x Raggi ultravioletti Raggi infrarossi Microonde Bassa energia, bassa frequenza, grande lunghezza d’onda Alta energia, alta frequenza, piccola lunghezza d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 violetto blu verde giallo arancione rosso

12. L’atomo di Bohr Bohr considera l’atomo formato da un nucleo centrale, nel quale risiede quasi tutta la massa, e dagli elettroni che ruotano intorno al nucleo descrivendo orbite ben precise (stazionarie). Gli elettroni possono acquistare o cedere energia per passare da un orbita all’altra, la quantità di energia acquistata o ceduta è pari alla differenza di energia esistente tra le due orbite. Nella figura accanto sono rappresentate le sette orbite stazionarie ipotizzate da Bohr. Secondo Bohr l’elettrone emette o assorbe energia soltanto se questa gli consente di passare da un orbita stazionaria all’altra.

13. In base al modello atomico di Ruterford l’elettrone poteva acquistare o cedere una quantità di energia qualsiasi, di conseguenza riscaldando una certa quantità di idrogeno si sarebbero dovute ottenere radiazioni di qualsiasi lunghezza d’onda e registrando le radiazioni emesse si sarebbe dovuto ottenere uno spettro continuo come quello che si ottiene da una lampada ad incandescenza o dalla luce solare. La figura sottostante mostra la scomposizione della luce bianca quando passa attraverso un prisma di vetro.

14. Secondo la teoria di Bohr, nel passare da un orbita all’altra, l’elettrone dovrebbe emettere una determinata quantità di energia:  E 21 =E 2 – E 1 =h  21  E 31 =E 3 – E 1 =h  31  E 32 =E 3 – E 2 =h  32 Le frequenze delle radiazioni emesse variano al variare della quantità di energia. Nell’esempio sopra riportato si dovrebbero avere tre radiazioni diverse, ognuna di esse con una determinata frequenza e quindi con una ben determinata lunghezza d’onda. E 1 E 2 E 3

15. Lo spettro a righe che si ottiene somministrando energia all’idrogeno sembra dimostrare la validità della teoria di Bohr . UV Infrarosso 410 434 486 657 Fig. 4. Spettro a righe  (nm) Fig. 5. Spettro dell’idrogeno  (nm) 95 100 120 390 490 660 1280

16. Le ipotesi di Bohr si dimostrarono valide per l’idrogeno (1 solo elettrone), errate per atomi più complessi. Infatti, prendendo in considerazione lo spettro di emissione dell’idrogeno, le frequenze ottenute sperimentalmente da Bohr coincidevano con quelle calcolate teoricamente, mentre con atomi più complessi il numero di radiazioni emesse era superiore a quello ipotizzato. Un altro scienziato di nome Sommerfeld per spiegare la presenza di queste radiazioni in più ipotizzo l’esistenza anche di orbite ellittiche. Nello stesso periodo, altri scienziati stavano prendendo in considerazione una teoria completamente diversa, nota come teoria ondulatoria.

17. Teoria atomica moderna Molti studiosi tra cui Heisenberg, non si trovavano d’accordo con quelle teorie che consideravano l’elettrone come un corpuscolo, essi ritenevano che, date le piccole dimensione e l’elevata velocità con cui si muoveva, fosse più corretto considerarlo come una nuvola. Secondo la teoria atomica oggi accettata gli elettroni non descrivono delle orbite intorno al nucleo ma si trovano sugli orbitali. L’orbitale viene definito come la zona dello spazio intorno al nucleo dove si ha la maggiore probabilità di trovare l’elettrone. La teoria atomica moderna si base su un equazione matematica nota come Equazione di Schrödinger. I numeri quantici sono soluzioni di questa equazione e consentono di definire forma, dimensioni ed energia degli orbitali.

19. 2) Struttura elettronica degli elementi I numeri quantici e gli orbitali I sottolivelli energetici ed i relativi orbitali vengono indicati da alcune lettere minuscole dell’alfabeto. In questo corso prenderemo in considerazione gli orbitali s, p, d, f . Il sottolivello s è identificato dal valore l =0, possiede un solo orbitale e può contenere due elettroni. Il sottolivello p è identificato dal valore l =1, possiede tre orbitali e può contenere sei elettroni. Il sottolivello d è identificato dal valore l =2, possiede cinque orbitali e può contenere dieci elettroni. Il sottolivello f è identificato dal valore l =3, possiede sette orbitali e può contenere quattordici elettroni.

20. Il primo livello energetico possiede soltanto il sottolivello s , e quindi un solo orbitale. Il secondo livello energetico possiede i sottolivelli s e p, per un totale di quattro orbitali. Il terzo livello energetico possiede i sottolivelli s, p e d, per un totale di nove orbitali. Il quarto livello energetico possiede i sottolivelli s, p, d e f, per un totale di sedici orbitali.

21. m=+1 2p m=0 l =1 m=-1 II livello energetico 2s m=0 l= 0 n=2 I livello energetico 1s m=0 l =0 n=1

22. 3d m=+2 m=+1 m=0 m=-1 m=-2 l =2 3p m=+1 m=-1 m=0 l =1 III livello energetico 3s m=0 l= 0 n=3

23. 4f m=+3; m=+2; m=+1 m=0; m=-1; m=-2; m=-3 l =3 4d m=+2; m=+1; m=0; m=-1 m=-2 l =2 4p m=+1; m=-1 m=0 l =1 IV livello energetico 4s m=0 l= 0 n=4

24. Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni che si disporranno con spin opposto. Quindi il primo livello energetico può contenere al massimo due elettroni, il secondo otto, il terzo sedici, il quarto trentadue. Gli elettroni occuperanno per primi gli orbitali di più bassa energia. L’energia cresce con il livello energetico e con la complessità della forma degli orbitali. In uno stesso livello energetico l’energia cresce nel seguente ordine: s < p < d < f, gli orbitali appartenenti allo stesso sottolivello energetico hanno la stessa energia ( orbitali degeneri ). Quando gli elettroni vanno ad occupare orbitali con uguale energia li riempiono prima parzialmente, disponendosi con lo stesso spin, e poi li completano.

25. L’ordine di riempimento degli orbitali, che si può ricavare ricorrendo alla regola della diagonale, è il seguente: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p,7s, 5f, 6d, 7p. A volte può essere utile scrivere la struttura elettronica rappresentando gli orbitali con dei quadratini e gli elettroni con delle frecce orientate in modo da tenere conto dello spin.

26. Regola della diagonale 4f 4d 4p 4s 5f 5d 5p 5s 6d 6p 6s 7p 7s 3d 3p 3s 2p 2s 1s

27. Esempi di strutture elettroniche 18 Z= 3p 6 3s 2 2p 6 2s 2 Ar 1s 2 16 Z= 3p 4 3s 2 2p 6 2s 2 S 1s 2