Teoria atomica della materia

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(No Transcript)
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Orbitale 1s
Per l'elettrone dell'atomo di H nello stato
fondamentale, la funzione d'onda ? è
con a0 0.53 Å e r distanza dal nucleo.
Quindi, la probabilità di trovare l'elettrone in
un elemento di volume infinitesimo, a distanza r
dal nucleo, è data da
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Orbitale atomico
Per tutti gli orbitali, ? ? e-r/n?a dove a
53 pm, la funzione ?2 che
rappresenta la densità elettronica diminuisce
quindi esponenzialmente con la distanza dal nucleo

• Gli orbitali si compenetrano!

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La densità di probabilità elettronica per unità
di volume è massima sul nucleo e decresce
progressivamente allontanandosi da esso, fino a
diventare zero a distanza infinita. Ma è
essenziale capire che tutto ciò non significa che
la probabilità di trovare l'elettrone sul nucleo
è massima. Immaginiamo di scattare un'istantanea
dell'atomo di idrogeno, nella quale l'elettrone
appaia come un singolo punto localizzato in una
determinata posizione. A che distanza dal nucleo
è più probabile che si trovi questo punto? Se
non riflettiamo attentamente sul significato
"geometrico" di ?2, verrebbe quasi spontaneo
rispondere "a distanza zero, ovvero sul
nucleo".La risposta corretta è invece
esattamente opposta "la probabilità di trovare
l'elettrone in un elemento di volume sul nucleo
tende a zero".
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Probabilità radiale consideriamo un guscio
sferico di spessore dr piccolo con volume V
4?r2dr
Dato che r2 aumenta in modo quadratico al
crescere del raggio, mentre ?2 diminuisce, la
funzione di distribuzione radiale assume la forma
illustrata, dove si evidenzia un massimo che
corrisponde al raggio più probabile, ra0, al
quale si può incontrare l'elettrone intorno al
nucleo.
Raggio più probabile dellelettrone nellorbitale
1s, a0 53 pm
La probabilità radiale permette di valutare la
distanza dal nucleo alla quale è piu probabile
trovare un elettrone
E il concetto che permette di visualizzare la
distanza dellelettrone dal nucleo
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Orbitale 2s
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Orbitale 3s
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Piani nodali
n-1 superfici nodali (con n livello energetico
di appartenenza).
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Orbitale 2p
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Orbitali 3p e 4p
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Probabilità radiale
A parità di n, i diversi tipi di orbitali s,p,d,f
hanno diverso potere di penetrare negli strati
piu interni. Gli orbitali s sono infatti quelli
piu vicini al nucleo rispetto ai p e ai d
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Il segno degli orbitali

-

-


-
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Numero quantico di spin

• ms 1/2, -1/2
• E indipendente dagli altri numeri quantici
• Spin ruotare intorno al proprio asse
• Anche il protone e il neutrone hanno associato un
  numero quantico di spin

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Atomi polielettronici

• Solo per un sistema semplice come latomo di
  idrogeno è possibile trovare le soluzioni esatte
  della equazione di Schroedinger e quindi trovare
  le funzioni donda.
• Per gli atomi polielettronici vi sono piu
  elettroni che si respingono e interagiscono con
  un numero maggiore di protoni.

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Atomi polielettronici

• Per un sistema piu complesso, quale per esempio
  latomo di elio, che contiene 2 elettroni, o
  qualsiasi altro atomo, noi possiamo solo avere
  delle soluzione approssimate, che corrispondono
  alle stesse funzioni trovate per latomo di
  idrogeno.
• Dunque i livelli energetici e gli orbitali s,p, d
  ed f, definiti per latomo di idrogeno, sono
  utilizzati anche per la descrizione della
  struttura elettronica di tutti gli atomi, anche i
  piu complessi

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Atomi polielettronici

• Quando ci sono diversi elettroni, la presenza di
  ciascuno influenza il moto degli altri, e lo
  stesso dicasi per le energie.
• Una conseguenza è che le energia degli orbitali
  di uno stesso livello n non sono tutti uguali ma
  dipendono anche da l, ovvero s è ad energia più
  bassa rispetto a p ed a d.
• Lenergia di uno stesso orbitale in atomi
  differenti dipende dal numero atomico Z
  dellatomo allaumentare del numero dei protoni,
  lenergia dellorbitale diminuisce a causa
  dellaumento della carica positiva del nucleo che
  attrae gli elettroni. Questa diminuzione varia a
  seconda del tipo di orbitale!

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Riempimento degli orbitali
Variazione di energia in funzione del numero
atomico
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Ordine di riempimento degli orbitali
Negli atomi polielettronici E(n,l). Dipende
anche da Z.
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Configurazione elettronica dello stato
fondamentale

• Come gli elettroni si distribuiscono fra i vari
  livelli energetici nel modo che corrisponde alla
  minima energia

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Aufbau (costruzione)

• Il principio di minima energia
• Il principio di Pauli
• La regola di Hund

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Il principio di minima energia

• Ogni elettrone deve occupare il livello e
  lorbitale disponibile che ha la minima energia

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Il principio di Pauli

• In un atomo non possono esistere due elettroni
  con tutti e quattro i numeri quantici uguali
• quindi
• Un orbitale puo contenere al massimo una coppia
  di elettroni con spin appaiati (o antiparalleli)

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La regola di Hund

• Due o piu elettroni occupano il maggior numero
  possibile di orbitali con la stessa energia
  (orbitali degeneri) assumendo lo stesso numero
  quantico di spin (disposizione a spin paralleli)

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Configurazione elettronica
numero di elettroni nellorbitale
1s2
orbitale
Strato (indicato dal numero quantico n)
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(No Transcript)
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Proprietà periodiche
Quale è il significato di periodicità? Quali
sono ?
PERIODICA deriva dal fatto che gli elementi dello
stessa colonna hanno caratteristiche
chimico-fisiche affini, se non uguali -
Proprietà atomiche come energia di ionizzazione
etc. - Numero/i di ossidazione, -
Acidità/basicità, - Comportamento chimico simile
in presenza di un determinato reagente Quindi
queste caratteristiche si ripetono regolarmente,
cioé PERIODICAMENTE, da cui il nome della tavola
periodica
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Il riempimento degli orbitali atomici è alla base
della definizione di periodicità
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Costruiamo la tabella periodica
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Tavola periodica

• Periodo riga contiene gli elementi con numero
  atomico (e quindi numero di elettroni crescente)
  da sinistra verso destra, fino a riempimento di
  uno strato caratterizzato da un certo numero
  quantico principale n (non vale per orbitali d e
  f)

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Tavola periodica

• Gruppo colonna gli elementi appartenenti allo
  stesso gruppo hanno la stessa configurazione
  elettronica esterna, ma n crescente dallalto
  verso il basso

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Configurazione elettronica esterna

• Gli elettroni che occupano il livello energetico,
  o strato, più esterno definiscono la
  configurazione elettronica esterna di ciascun
  elemento
• Es. Li He 2s1

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(No Transcript)
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Elementi dello stesso periodo hanno
configurazione elettronica esterna con stesso n
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p-block
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Anomalie nella configurazione elettronica degli
elementi di transizione
Sc Ar3d14s2 Fe Ar3d64s2 Ti Ar3d24s2
Co Ar3d74s2 V Ar3d34s2 Ni
Ar3d84s2 Cr Ar3d54s1 Cu Ar3d104s1 Mn
Ar3d54s2 Zn Ar3d104s2
quando è possibile una configurazione con
semiriempimento/riempimento degli orbitali d,
essa è favorita rispetto alle altre
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Anomalie nella configurazione elettronica degli
elementi di transizione
Y Kr4d15s2 Ru Kr4d75s1 Zr Kr4d25s2 Rh
Kr4d85s1 Nb Kr4d45s1 Pd Kr4d10 Mo
Kr4d55s1 Ag Kr4d105s1 Tc Kr4d65s1
Cd Kr4d105s2
Non è facile fare previsioni di struttura
elettronica per gli elementi di transizione del
quinto, sesto e settimo periodo. Lenergia
degli orbitali varia con Z, e qui questa
variazione è apprezzabile.
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Riempimento degli orbitali f
La Xe5d16s2 dopo questo elemento si ha il
riempimento del sottostrato 4f. Gli elementi
corrispondenti sono detti lantanidi.
Ac Rn6d17s2 dopo questo elemento si ha il
riempimento del sottostrato 5f. Gli elementi
corrispondenti sono detti attinidi.
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Tavola periodica e proprietà periodiche
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Proprieta periodiche

• Le proprietà atomiche degli elementi dipendono
  dalla loro configurazione elettronica.
• Le proprieta atomiche che variano in maniera
  ricorrente lungo ciascun periodo e gruppo della
  tavola periodica sono chiamate proprieta
  periodiche degli elementi.

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Energia di prima ionizzazione

• Energia minima necessaria per togliere un
  elettrone ad un atomo neutro isolato gassoso

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Energia di prima ionizzazione

• E sempre gt 0 nessun elemento isolato ha
  tendenza a perdere spontaneamente un elettrone, e
  quindi bisogna spendere energia.
• Lungo un periodo aumenta il numero di protoni nel
  nucleo e degli e- dello stesso strato lenergia
  di ionizzazione aumenta lungo un periodo.
• Lenergia di ionizzazione diminuisce scendendo
  lungo un gruppo perche le- e sempre piu
  schermato dal nucleo.
• Esistono configurazioni elettroniche esterne più
  stabili di altre.

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Distribuzioni radiali di probabilità
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Un elettrone nellorbitale s è più vicino al
nucleo di quello nellorbitale p e quindi è meno
schermato.Lelettrone in s risente quindi di un
Zeff maggiore rispetto a quando è nel p
E quindi trattenuto con più forza e a Energia
piu basse dellorbitale p
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Il 4s si inverte con il 3d a causa dellalta
penetrazione di un orbitale 4s rispetto a un 3d,
pur avendo numero quantico maggiore uguale a 4.
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Riempimento degli orbitali
Variazione di energia in funzione del numero
atomico
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Esistono configurazioni elettroniche esterne più
stabili di altre.
Configurazione elettronica del gas nobile
precedente
1s2
2s2 2p6
n s1 ? (n-1) s2 (n-1) p6
3s2 3p6
4s2 4p6
5s2 5p6
4s1
3s1
2s1
5s1
6s1
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Esistono configurazioni elettroniche esterne più
stabili di altre.
2s2
3s2
n s2 n p1 ? n s2
2s2 2 p1
3s2 3 p1
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Esistono configurazioni elettroniche esterne più
stabili di altre.
2s2 2p3
3s2 3p3
n s2 n p4? n s2 n p3
2s2 2p4
3s2 3p4
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Energie di ionizzazione successive
A
A2 e-
Energia di seconda ionizzazione
A2
A3 e-
Energia di terza ionizzazione
Le energie di seconda ionizzazione sono SEMPRE
maggiori, perché la rimozione di un elettrone
porta allaumento dellattrazione tra il nucleo e
gli elettroni rimanenti