Lezione 2: Struttura Atomica e Legami Atomici
21-10-2010
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Sommario
• Elementi costitutivi di un atomo;• Definizione delle grandezze d’interesse;• Struttura dell’atomo: Bohr vs Teoria Quantistica;• Elettroni di valenza;• La Tavola Periodica;
• Legami Atomici Primari;
• Legami Atomici Secondari;
• Effetto dei legami sulle proprietà dei materiali.
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Elementi costitutivi di un atomo
• Gli elementi costitutivi di un atomo sono:
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Definizione delle grandezze d’interesse
• Numero Atomico (Z): numero di protoni nel nucleo atomico
• Massa Atomica (A): somma delle masse dei protoni e neutroni che costituiscono il nucleo.
• Isotopo: atomi di alcuni elementi che differiscono per la massa atomica in quanto i neutroni presenti nel nucleo possono differire da atomo ad atomo per lo stesso elemento (es. isotopi dell’ossigeno 16
8O, 178O e 18
8° 8=numero atomico; 16,17,18 numero di massa).
• Unità di Massa Atomica (UMA): 1/12 della massa (in grammi) del 12C
• Peso Atomico: peso di 6.023x1023 molecole o atomi in gr/mole---> corrisponde al valore mediato delle masse atomiche degli isotopi naturali
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Alcuni esempi di valori per le grandezze di riferimento
• Una grammomole o mole di un elemento esprime la quantità di tale elemento avente una massa, espressa in grammi, pari alla massa atomica molare relativa di quell’elemento.
• Es. L’alluminio (Al) ha una massa atomica pari a 26.98 gr/mole. Quindi 1 gr/mole di alluminio pesa 26.98 gr e contiene 6.023x1023 atomi.
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Struttura dell’atomo: Bohr vs Teoria Quantistica
• Nel modello di Bohr l’elettrone si comporta come una particella.• Nella teoria quantistica l’elettrone si comporta come onda.• Nella teoria quantistica si introduce il concetto di probabilità.
Modello di Bohr
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I numeri quantici
– Numero Quantico Designazione n = principale (livello energetico) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.)l = azimutale s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…,
n -1)ml = magnetico 1, 3, 5, 7 (-l : +l)
ms = spin ½, -½
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Le energie relative degli elettroni per i diversi valori di numeri quantici
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La struttura di alcuni elementi
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Elettroni di valenza e configurazione elettronica
• Configurazione STABILE: se il guscio esterno è completamente riempito• Configurazione NON STABILE: se il guscio esterno non è completamente
riempito
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La tavola periodica• Colonne: Struttura di valenza simili
Elementi più elettronegativi:Tendono a cedere elettroni Caricandosi positivamente(Cationi).
Elementi più elettronegativi:Tendono ad attrare elettroni Caricandosi negativamente(Anioni)
Cedo
no 1
e
Cedo
no 2
e
Cedo
no 3
e
Gas
nob
ili
acce
ttan
o 1e
acce
ttan
o 2e
O
Se
Te
Po At
I
Br
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
F
ClS
Li Be
H
Na Mg
BaCs
RaFr
CaK Sc
SrRb Y
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La tavola periodica: valori di elettronegatività
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Legami Atomici
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Legami Atomici: rationale
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Legami Atomici Primari
• Legame IONICO;
• Legame Metallico;
• Legame COVALENTE.
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Legame Ionico
Legame ionico : Metallo + Non Metallo
Cede Elettroni Accetta Elettroni
3.51.2
Catione Anione
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Legame Ionico: NaCl
Tra gli ioni si esercitano forze di Coloumb
Energia di Attrazione
Energia di Repulsione
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Legame ionico altri esempi
NaCl
MgO
CaF 2CsCl
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Legame Ionico: Forza di legame e adirezionalità
Il legame ionico è ADIREZIONALE
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Legame covalente
• Elettronegatività simili: condividono elettroni• Legami determinati dalla valenza- orbitali s & p dominano il legame
• Esempi CH4, H2
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Legame Covalente: singolo, doppio, triplo
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Legame Covalente: energia di legame e direzionalità
• Il legame covalente è direzionale
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Legame covalente: ibridizzazione
Struttura del diamante Struttura del metano
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Legame covalente: idrocarburi
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% Carattere ionico
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Legame Metallico
• Nel legame metallico gli elettroni di valenza sono delocalizzati su una nube elettronica condivisa da tutti gli atomi.
• Il legame può essere debole (es. mercurio, 68kJ/mol Tf=-39°C) o forte (Es. tungsteno, 850 kJ/mole Tf=3410°C)
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Legame Metallico: energia di legame e direzionalità
• Il legame metallico è adirezionale
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Legami Secondari
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Legami secondari: Van der Walls
• Dipoli Permanenti
-Caso Generale:
-ex: HCl liquido
-ex: polimeri
• Dipoli fluttanti
Nuvole elettroniche asimettriche
+ - + - HH HH
H 2 H 2
ex: idrogeno liquido H2
H Cl H Cl
+ - + -
secondary bonding
I legami secondari originano dall’interazione tra dipoli
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Legami secondari: legame idrogeno
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Legami secondari
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Legami Secondari: energie di legame
• Notare la differenza di energia di legame tra il legame idrogeno e i legami di van der Walls.
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Legami atomici e proprietà
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Energia di legame e temperatura di fusione
• Bond length, r
• Bond energy, Eo
• Melting Temperature, Tm
Tm is larger if Eo is larger.
r o r
Energy
r
larger Tm
smaller Tm
Eo =
“bond energy”
Energy
r o runstretched length
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Energia di legame e coefficiente di espansione termica
• Coefficient of thermal expansion, a
• a ~ symmetry at ro
a is larger if Eo is smaller.
= a (T2 -T1)D L
L o
coeff. thermal expansion
D L
length, L o
unheated, T 1
heated, T 2
r or
larger a
smaller a
Energy
unstretched length
Eo
Eo