2-4 Maggio Capiamo la TPE

Data pubblicazione: May 04, 2012 11:45:17 AM

DOPO AVER STUDIATO TUTTO TROVI UN TEST DI PREPARAZIONE ALLA VERIFICA ALLA FINE DI QUESTA PAGINA

Ricapitoliamo alcuni concetti fondamentali imparati giocando alla costruzione dell'atomo:

Z = Numero atomico = numero di protoni nel nucleo = posizione dell'elemento nella tavola periodica

A = Numero di massa = numero di neutroni e protoni del nucleo di un dato isotopo

Isotopi = atomi di uno stesso elemento, ma con un diverso numero di neutroni nel nucleo, quindi con un diverso numero di massa.

Figura 1. Uno ione ossigeno dell'isotopo (raro) ossigeno-18. In esso ci sono 10 neutroni, mentre quello più abbondante ne ha 8. La carica 2- è perché ci sono 10 elettroni, due in più rispetto ai protoni.

Particelle degli atomi:

(C = coulomb, unità di carica elettrica del SI definita come la carica che si sposta in un secondo con la corrente elettrica di 1 ampere)

1. Peso atomico medio di un elemento: è la media dei pesi atomici di tutti gli isotopi che si trovano in natura di quell'elemento

Di solito la parola "medio" non viene detta, viene data per scontata; ma è ugualmente importante capire cosa significa, con due esempi.

Se prendiamo l'acqua del rubinetto, per esempio, in essa troveremo molte molecole e tutte avranno due atomi di idrogeno e uno di ossigeno.

Gli atomi di idrogeno, però non saranno tutti uguali: la maggior parte saranno privi di neutroni (isotopo ¹H), dato che l'altro isotopo con un neutrone (²H = Deuterio) costituisce appena lo 0,0115 % dell'idrogeno naturale in tutto il sistema solare (quindi compreso l'acqua che beviamo). Ciò significa che se prendiamo cinquecentomila molecole d'acqua, troviamo in esse un milione di atomi di idrogeno di cui, mediamente, 115 sono di deuterio, e 999885 atomi sono di idrogeno normale. Per trovare un atomo di trizio (³H) dovremmo prendere

Ogni atomo di deuterio ha numero di massa 2 e peso atomico 2,01410, mentre ogni isotopo di idrogeno-1 ha numero di massa 1 e peso atomico 1,007825

La media si ottiene sommando tutti i pesi del milione di atomi: 115·2,01410 + 999885·1,007825 = 232 + 1007709 = 1007941 e dividendo per il totale degli atomi, (un milione) abbiamo: 1007941:1000000 = 1,00794 che è il peso atomico medio dell'idrogeno. L'ultima cifra è incerta perché la percentuale di deuterio terrestre varia da 26 a 184 atomi per milione a seconda della provenienza. L'acqua degli oceani ne contiene 150 ppm.

Prendiamo un altro elemento, il quinto della tavola periodica (Z = 5): il boro. Tale elemento contiene in natura il 20% di isotopo ¹⁰B (5 protoni e 5 neutroni) e l'80% di isotopo ¹¹B (5 protoni e 6 neutroni). I numeri di massa sono rispettivamente A=10 e A=11. Poiché non ci interessa una determinazione precisa, useremo i numeri di massa invece della massa per calcolare il peso atomico medio.

Dunque, poiché su 100 atomi ne abbiamo 80 di ¹¹B e 20 di ¹⁰B, la massa totale approssimata è 80·11 + 20·10 = 880+200 = 1080. Dividendo per 100 per trovare la media abbiamo 10,8. Le tavole periodiche riportano 10,81, molto vicino al nostro risultato approssimato.

Approfondiremo in seguito questi due aspetti:

1. qual è l'unità di misura della massa atomica che stiamo usando (chiaramente non sono grammi!)

2. perché i pesi degli atomi non sono identici alla somma dei pesi delle particelle singole che li compongono, ma un po' più bassi, cioè che cosa causa il "difetto di massa".

2. Dimensioni delle orbite e degli atomi. Più protoni ci sono nel nucleo, più si rimpiccioliscono le orbite interne degli atomi, e più gli elettroni sono attratti (difficili da spostare da quelle orbite). Prendiamo per esempio i primi tre atomi, che conoscete bene:

FIGURA 2

L'atomo di elio sarà più piccolo di quello di idrogeno, perché due protoni attraggono con forza doppia di uno. Sarà anche più difficile allontanare un elettrone dalla prima orbita dell'elio, rispetto all'elettrone dell'idrogeno.

Se un atomo si eccita a tal punto che l'elettrone viene del tutto tolto dall'atomo, si dice che l'atomo è stato ionizzato (ionizzazione). Il risultato è un elettrone libero e uno ione positivo. Abbiamo già incontrato gli ioni nella applet in cui venivano aggiunti gli elettroni col mouse fino ad avere carica complessiva zero (in ugual numero ai protoni)

FIGURA 3

Quesito: Quanti elettroni avrà lo ione H^-?

Risposta: Due elettroni, entrambi nella prima orbita.

Il segno meno (-) in alto a destra significa -1, cioè che la carica dello ione è -1. Quindi, dato che l'elettrone è negativo, dovrà esserci un elettrone in più.

Perciò lo ione H^- è come l'atomo neutro di elio, ma un po' più grande perché l'orbita dell'elio è ristretta dai due protoni, mentre H ha un solo protone.

3. L'energia di prima ionizzazione è l'energia occorrente per ionizzare un atomo, cioè per staccare da esso l'elettrone più debolmente legato.

In un tubo al neon ci sono molti ioni positivi che si muovono ad alta velocità verso il polo negativo ed elettroni che si muovono in direzione opposta. Gli scontri tra queste particelle provocano l'eccitazione degli atomi e l'emissione della luce. Se immaginiamo di aumentare gradualmente il voltaggio applicato al tubo all'inizio non avremo né luce né passaggio di corrente, finché ad un dato voltaggio non avverrà una scarica dovuta alla ionizzazione degli atomi e alla formazione delle cariche elettriche libere.

Con metodi simili è possibile misurare sperimentalmente l'energia di ionizzazione.

Per l'idrogeno si ottengono 13,6 eV e per l'elio 24,6 eV (l'energia in eV è data dal voltaggio moltiplicato per la carica di un elettrone, unità che si chiama "elettronvolt").

Per il litio abbiamo un elettrone solitario nell'orbita esterna. Esso sarà attratto da tutto ciò che si trova al suo interno: il nucleo più i due elettroni della prima orbita.

La somma delle cariche fa +3 +(-2) = +1.

L'elettrone esterno del litio "sente" una carica positiva +1 che lo attrae verso il centro.

Questa carica +1 è identica a quella dell'idrogeno, ma la sente da una distanza maggiore, poiché la seconda orbita è più grande della prima e di quella dell'idrogeno (vedi la figura 2).

Quindi sarà molto più facile ionizzare gli atomi di litio che quelli di idrogeno.

Il valore sperimentale dell'energia di prima ionizzazione del litio è infatti 5,4 eV.

Quesito: come sarà la seconda energia di ionizzazione del litio? (suggerimento trovare nel disegno qual è l'elettrone da ionizzare)

Risposta: il secondo elettrone del litio è molto più legato del primo, poiché esso si trova molto più vicino al nucleo ed è attratto da una carica +3. Quindi l'energia dovrà essere maggiore della prima e anche maggiore di quella dell'elio, il cui nucleo ha due soli protoni. Infatti L'energia di ionizzazione del secondo elettrone del litio vale 75,6 eV.

Tutto ciò che si trova all'interno dell'orbita più esterna si chiama nòcciolo. Il nòcciolo dell'atomo di litio corrisponde allo ione Li⁺. Il nòcciolo dell'idrogeno corrisponde al suo nucleo.

Ogni atomo può essere considerato come formato da uno strato esterno di elettroni, attratti da un nòcciolo positivo costituito dalle orbite interne e dal nucleo.

Numero di elettroni in ogni strato. Come abbiamo visto, nella prima orbita trovano posto al massimo due elettroni.

Gli elementi dal litio al neon mettono elettroni nella seconda orbita, che andrà rimpicciolendosi a causa dell'aumento della carica del nucleo.

Arrivati al neon ci saranno otto elettroni nella seconda orbita. Ma cosa accadrà con il prossimo elemento, il sodio?

Se osserviamo la tavola periodica vediamo che il litio si trova all'inizio della seconda riga, sotto all'idrogeno, e non a destra dell'elio, nonostante nella prima riga ci sia abbastanza posto per disporre tre o più caselle. Il litio inizia la seconda riga perché i suoi atomi iniziano a occupare la seconda orbita.

Il sodio si trova nella terza orbita, sotto al litio. L'undicesimo elettrone infatti inizia ad occupare la terza orbita.

Comprendiamo che la prima orbita si completa con due elettroni, mentre la seconda è al completo con 8 elettroni, come si vede dalla seguente figura:

FIGURA 4

Guardando i valori delle energie di ionizzazione degli elementi troviamo una conferma del fatto che il sodio dispone i suoi 11 elettroni in tre strati.

La sua bassa energia di ionizzazione (5,1 eV) è dovuta al fatto che il suo 11° elettrone si trova sul 3° strato, perciò è molto più distante e più debolmente legato degli altri dieci, e anche di quello esterno del litio.

Ci aspettiamo quindi che l'energia di ionizzazione diminuisca andando in basso nella tavola periodica (atomi sempre più grandi), e aumenti andando verso destra lungo una riga (atomi sempre più piccoli e nocciolo sempre più positivo).

Questo è l'andamento generale che in effetti troviamo.

FIGURA 5

Dall'analisi del grafico si capiscono diverse cose:

1. L'energia di ionizzazione aumenta dal Litio (Li) al Neon (Ne) (anche se con due piccole inversioni).

2. Nella seconda riga gli elementi sono effettivamente 8 e 8 gli elettroni messi nel secondo strato.

3. La stessa cosa si ripete dal Sodio (Na) all'Argon (Ar), con 8 elementi ad energia di ionizzazione crescente, con elettroni disposti nel terzo livello.

4. Nella 4ª e nella 5ª riga (da K a Kr e da Rb a Xe) abbiamo 18 elettroni che vanno nel 4° e 5° guscio di elettroni.

5. Gli elementi più in basso nel grafico (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) sono quelli con l'elettrone poco legato (facilmente ionizzabile) e si trovano all'inizio delle righe della tavola periodica.

6. Gli elementi più in alto (He, Ne, Ar, Kr, Xe...) sono invece quelli che chiudono ogni riga, difficilmente ionizzabili.

Vedremo in seguito che gli strati dal 3° in poi non sono riempiti completamente prima di mettere elettroni negli strati successivi.

Cioè vengono messi elettroni nel 4° strato (un elettrone K, e due elettroni Ca) prima ancora di aver riempito il terzo, e così via per il 5° iniziato prima di aver completato il 4°, ecc.

Ciò accade, come aveva intuito Nicholas, perché quando gli elettroni sulla stessa orbita sono troppi, la repulsione è tale che essi preferiscono andare in uno strato più esterno.

I posti lasciati vuoti saranno occupati quando la carica positiva del nucleo sarà aumentata abbastanza da rendere di nuovo conveniente quell'orbita.

Questo vale però solo dalla terza orbita in poi. Nella prima orbita non ci sono mai più di due elettroni, come nella seconda mai più di 8.

TEST DI PREPARAZIONE ALLA VERIFICA DI VENERDI' (clicca qui per il form separato)

Il test è autovalutato: clicca qui per vedere ciò che hanno risposto gli altri (da mercoledì ci saranno anche le risposte corrette)