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Chimica - Università degli Studi di Roma "Tor Vergata" · Fondamenti di Chimica 2 edizione ISBN:...

Date post: 06-May-2018
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Lezione 1 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Chimica
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Lezione 1

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Chimica

Prof. Roberto Paolesse

Dip. Scienze e Tecnologie Chimiche Università di Roma "Tor Vergata" Via della Ricerca Scientifica 1 00133 Roma, Italia

Tel: 39.06.72594752 Fax: 39.06.72594328 e-mail: [email protected]

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Esami:

Sessione Invernale 06/02/2012 - 03/03/2012

Sessione Estiva

02/07/2012 - 28/07/2012

Sessione Autunnale 03/09/2012 - 29/09/2012

Due esami per sessione

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L’ esame consiste in una prova scritta ed in una prova orale

Si è ammessi all’orale se si supera la prova scritta (voto 18)

E’ possibile partecipare a qualunque sessione di esame

La prova scritta è composta da cinque esercizi numerici

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Se si vuole sostenere la prova scritta, è necessario iscriversi online sul sito web: delphi.uniroma2.it

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Tutte le informazioni relative al corso (programma, slide delle lezioni, esercizi, comunicazioni, ecc. ecc.) si trovano sul sito: www.uniroma2.it/didattica

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Libro di testo: Brown - Lemay - Bursten – Murphy:

Fondamenti di Chimica

2 edizione ISBN: 9788879594790

Edises

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Lo studio della Chimica Macroscopico Microscopico

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Il Metodo Scientifico è un approccio sistematico alla ricerca:

Un’ ipotesi è un tentativo di spiegazione di un certo numero di osservazioni sperimentali

tested modified

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Una teoria esprime un principio unificante che spiega un insieme di osservazioni o leggi basate su queste.

Una legge esprime una relazione fra fenomeni che avvengono nella stessa maniera sotto le stesse condizioni.

Atomic Theory

Forza = massa x accelerazione

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Materia è tutto ciò che occupa spazio ed ha una massa propria.

Una sostanza è quella forma della materia che ha composizione e proprietà definite.

La Chimica è lo studio della materia e delle sue trasformazioni

Azoto liquido Lingotti di oro Cristalli di silicio

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Un miscuglio è una combinazione di due o più sostanze in cui queste mantengono le relative identità.

1.  Miscugli omogenei – composizione costante del miscuglio.

2.  Miscugli eterogenei – la composizione non è uniforme in tutto il miscuglio.

bibita, latte, lega

cemento, polvere di ferro nella sabbia

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Metodi fisici possono essere usati per separare il miscuglio nei suoi componenti.

magnete

distillazione

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Un elemento è una sostanza che non può essere separata in sostanze più semplici mediante metodi chimici.

•  117 elementi sono stati identificati

•  82 elementi sono presenti sulla Terra

oro, alluminio, piombo, ossigeno, carbonio, zolfo

•  35 elementi sono stati sintetizzati artificialmente

tecnezio, americio, seaborgio

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Un composto è una sostanza formata da atomi di due o più elementi uniti chimicamente secondo proporzioni fisse.

I composti possono essere separati nei loro elementi costitutivi solo tramite metodi chimici.

Fluoruro di litio quarzo Ghiaccio secco – CO2

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Classificazioni della Materia

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Teoria Atomica di Dalton (1808) 1. Gli Elementi sono costituiti da particelle estremamente

piccole chiamate atomi.

2. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici, con le stesse dimensioni, massa e proprietà chimiche. Gli atomi

di un elemento sono diversi dagli atomi di tutti gli altri elementi.

3. I Composti sono formati da atomi di più di un elemento. In tutti i composti, il rapporto dei numeri degli atomi degli

elementi presenti è un numero intero o una semplice frazione.

4. Una reazione chimica comporta solo la separazione, combinazione, o riarrangiamento di atomi; non comporta

la loro creazione o distruzione.

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8 X2Y 16 X 8 Y +

Legge di Conservazione di Massa

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J.J. Thomson, misura di massa/carica di e-

(1906 Premio Nobel in Fisica)

Tubo a raggi catodici

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Tubo a raggi catodici

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e- charge = -1.60 x 10-19 C

Thomson’s charge/mass of e- = -1.76 x 108 C/g

e- mass = 9.10 x 10-28 g

Misura della massa di e- (1923 Premio Nobel in Fisica)

Esperimento di Millikan

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(uranium compound)

Tipi di Radioattività

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Modello di Thomson

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1.  la carica positiva degli atomi è concentrata nel nucleo 2.  Il protone (p) ha carica opposta (+) all’elettrone (-)

3.  La massa di p è 1840 volte la massa di e- (1.67 x 10-24 g)

α  particle velocity ~ 1.4 x 107 m/s (~5% speed of light)

(1908 Premio Nobel in Chimica)

Esperiment di Rutherford

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atomic radius ~ 100 pm = 1 x 10-10 m

nuclear radius ~ 5 x 10-3 pm = 5 x 10-15 m

Modello dell’ Atomo di Rutherford

“Se l’ atomo fosse grande come uno Stadio, allora il nucleo sarebbe una

pallina da golf nel cerchio di centrocampo.”

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Esperimento di Chadwick (1932) (1935 Premio Nobel in Fisica)

atomi H - 1 p; atomi He - 2 p

massa He/massa H teorica = 2

massa He/massa H misurata = 4

α + 9Be 1n + 12C + energia

neutrone (n) è neutro (carica = 0)

n massa ~ p massa = 1.67 x 10-24 g

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massa p ≈ massa n ≈ 1840 x massa e-

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Proprietà delle Onde

Lunghezza d’onda (λ) è la distanza fra punti identici di onde successive.

Ampiezza è la distanza verticale fra il picco di un’onda e la sua intersezione con l’asse delle ascisse.

Frequenza (ν) è il numero di onde che passa in un punto particolare in 1 secondo (Hz = 1 ciclo/s).

La velocità (u) dell’onda = λ x ν

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Maxwell (1873), propose che la luce visibile fosse costituita di onde elettromagnetiche.

La radiazione elettromagnetica è

l’emissione e la trasmissione di energia in forma di onde

elettromagnetiche.

Velocità della luce (c) nel vuoto = 3.00 x 108 m/s

Tutte le radiazioni elettromagnetiche λ x ν = c

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Mistero #1, “Problema dei Solidi Riscaldati” Risolto da Planck in 1900

L’ Energia (luce) è emessa o assorbita in unità discrete (quanto).

E = h x ν Planck’s constant (h)

h = 6.63 x 10-34 J•s

Quando i solidi sono riscaldati, emettono radiazioni elettromagnetiche che coprono un’ampia gamma di lunghezze

d’onda. L’energia radiante emessa da un oggetto ad una certa

temperatura dipende dalla sua lunghezza d’onda.

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La Luce ha caratteristiche sia: 1.  onda

2.  particella

hν = KE + W

Mystero #2, “Effetto Fotoelettrico” Risolto da Einstein in 1905

Fotone è una “particella” di luce

KE = hν - W

KE e-

dove W è la funzione lavoro e dipende da quanto sono fortemente

legati gli elettroni nel metallo

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Lo Spettro di Emissione a righe degli atomi di Idrogeno Hydrogen

Il modello di Bohr

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1.  e- può assumere solo specifici (quantizzati)

valori di energia

2.  la luce è emessa quando e- passa da un livello energetico ad un altro

Modello di Bohr dell’ Atomo (1913)

En = -RH ( ) 1 n2

n (principal quantum number) = 1,2,3,…

RH (Rydberg constant) = 2.18 x 10-18J

41

E = hν

E = hν

42

Ephoton = ΔE = Ef - Ei

Ef = -RH ( ) 1 n2 f

Ei = -RH ( ) 1 n2 i

i f ΔE = RH ( ) 1

n2 1 n2

nf = 1

ni = 2

nf = 1

ni = 3

nf = 2

ni = 3

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45

De Broglie (1924) propose per e- la natura sia di onda

che di particella.

Perchè l’ energia di e- è quantizzata?

u = velocity of e-

m = mass of e-

2πr = nλ λ = h mu

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L’ equazione d’onda di Schrodinger In 1926 Schrodinger scrisse un’ equazione che descriveva sia la natura di onda e particella di e-

La funzione d’onda (ψ) descrive:

1 . energia di e- per una data ψ

2 . probabilità di trovare e- in un volume di spazio

L’equazione di Schrodinger può essere risolta esattamente solo per l’ atomo di idrogeno. Per atomi polielettronici bisogna utilizzare soluzioni

approssimate.

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51

Equazione d’onda di Schrodinger ψ è una funzione di quattro numeri chiamati

numeri quantici (n, l, ml, ms)

numero quantico principale n

n = 1, 2, 3, 4, ….

n=1 n=2 n=3

La distanza di e- dal nucleo

52

Il 90% della densità di e- dell’ orbitale 1s

53

Numeri quantici : (n, l, ml, ms)

numero quantico del momento angolare l

per un dato valore di n, l = 0, 1, 2, 3, … n-1

n = 1, l = 0 n = 2, l = 0 or 1

n = 3, l = 0, 1, or 2

Forma del “volume” di spazio occupata da e-

l = 0 orbitale s l = 1 orbitale p l = 2 orbitale d l = 3 orbitale f

Equazione d’onda di Schrodinger

54

l = 0 (s orbitals)

l = 1 (p orbitals)

55

l = 2 (d orbitals)

56

numeri quantici : (n, l, ml, ms)

Numero quantico magnetico ml

per un dato valore di l ml = -l, …., 0, …. +l

orientazione dell’ orbitale nello spazio

se l = 1 (orbitale p), ml = -1, 0, o 1 se l = 2 (orbitale d), ml = -2, -1, 0, 1, o 2

Equazione d’onda di Schrodinger

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ml = -1, 0, or 1

3 orientations is space

58

ml = -2, -1, 0, 1, or 2 5 orientations is space

59

(n, l, ml, ms)

numero quantico di spin ms

ms = +½ o -½

Equazione d’onda di Schrodinger

ms = -½ ms = +½

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L’esistenza (e l’energia) dell’elettrone nell’atomo è descritta dall’unica funzione d’onda ψ.

Principio di esclusione di Pauli non possono coesistere in un atomo due elettroni aventi

gli stessi quattro numeri quantici.

Equazione d’onda di Schrodinger numeri quantici: (n, l, ml, ms)

Ciascun posto è identificato univocamente (E, R12, S8)

Ciascun posto può ospitare solo un idividuo per volta

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Equazione d’onda di Schrodinger numeri quantici: (n, l, ml, ms)

Cella – elettroni con lo stesso valore di n

Livello – elettroni con lo stesso valore di n ed l

Orbitale – elettroni con lo stesso valore di n, l, ed ml

Quanti elettroni sono presenti in un orbitale?

Se n, l, and ml sono fissati, allora ms = ½ o - ½

ψ = (n, l, ml, ½) o ψ = (n, l, ml, -½) Un orbitale può contenere 2 elettroni

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Quanti orbitali 2p ci sono in un atomo?

2p

n=2

l = 1

se l = 1, allora ml = -1, 0, or +1

3 orbitali

Quanti elettroni possono essere posti in un livello 3d?

3d

n=3

l = 2

Se l = 2, allora ml = -2, -1, 0, +1, or +2

5 orbitali possono contenere un totale di 10 e-

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Energia degli orbitali in un atomo monoelettronico

L’Energia dipende solo dal numero quantico principale n

En = -RH ( ) 1 n2

n=1

n=2

n=3

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Energia degli orbitali in un atomo poli-elettronico

L’ Energia dipende da n ed l

n=1 l = 0

n=2 l = 0 n=2 l = 1

n=3 l = 0 n=3 l = 1

n=3 l = 2

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Aufbau principle

H 1 electron

H 1s1

He 2 electrons He 1s2

Li 3 electrons Li 1s22s1 Be 4 electrons Be 1s22s2 B 5 electrons B 1s22s22p1

? ?

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L’arrangiamento più stabile di elettroni in un livello è quello con il maggior numero di spin paralleli

(Principio di Hund).

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Ordine di riempimento di orbitali in un atomo poli-elettronico

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s

71

La configurazione elettronica descrive come gli elettroni sono distribuiti nei vari orbitali atomici in un

atomo.

1s1 numero quantico

principale n numero quantico

momento angolare l

numero di elettroni nell’orbitale o livello

Diagramma orbitalico

H

1s1

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Qual è la configurazione elettronica del Mg?

Mg 12 electrons

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s

1s22s22p63s2 2 + 2 + 6 + 2 = 12 electrons

Abbreviated as [Ne]3s2 [Ne] 1s22s22p6

Quali sono i possibili numeri quantici per gli ultimi (più esterni) elettroni in Cl?

Cl 17 electrons 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s

1s22s22p63s23p5 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 electrons Last electron added to 3p orbital

n = 3 l = 1 ml = -1, 0, or +1 ms = ½ or -½

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Outermost subshell being filled with electrons

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80

Paramagnetico elettroni spaiati

2p

Diamagnetico tutti elettroni accoppiati

2p


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