L'atomo
18.11.2017
L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso. L'atomo è formato da elettroni che si muovono intorno a un nucleo composto da protoni e neutroni. Nel nucleo è quasi del tutto concentrata la massa dell'atomo.
Gli elettroni esterni al nucleo sono numericamente uguali al numero di protoni.
La materia si divide in: sostanze e composti.
- Le sostanze, o elementi, sono costituiti da atomi della stessa specie e non possono essere scisse in sostanze più semplici.
- I composti, sono costituiti da atomi di specie diversa e possono essere rappresentati con una formula.
I caratteri distintivi dei principali componenti dell'atomo sono:
- il protone, con una massa di 1.6 x 10^-27 (carica positiva)
- il neutrone, con una massa di 1,6 x 10^-27 (carica neutra)
- l'elettrone, con una massa di 9,1 x 10^-31 (carica negativa)
Numero atomico e numero di massa
- numero atomico
Si definisce numero atomico il numero di protoni presenti nel nucleo e si indica con la lettera Z
- numero di massa
L'atomo di carbonio
L'atomo di carbonio L'elemento chimico carbonio ha numero atomico 6 (Z = 6) e massa atomica relativa 12,011. I suoi elettroni tendono a riempire progressivamente gli orbitali atomici, partendo dai sottolivelli dei livelli interni, più poveri di energia. Il primo livello energetico, che coincide anche con il suo sottolivello, presenta un solo orbitale di forma sferica (1s) al cui interno possono stare al massimo due elettroni con spin opposto o antiparallelo. Il secondo livello energetico è suddiviso in due sottolivelli: a) il più povero di energia è il sottolivello 2s, con un solo orbitale di forma sferica che ha il raggio maggiore rispetto a quello dell'orbitale 1s; l'orbitale 2s può contenere al massimo due elettroni, purché dotati di spin opposto; b) il sottolivello 2p è costituito invece da tre orbitali a forma di doppia pera contrapposta (2 lobi), con l'asse di maggiore allungamento coincidente con uno degli assi cartesiani dello spazio (x, y, z). Il secondo sottolivello può contenere al massimo sei elettroni (cioè due per ogni orbitale). Il secondo livello energetico può quindi contenere un massimo di otto elettroni.
Ibridazione degli orbitali del carbonio
Per spiegare la grande varietà di composti naturali del carbonio, oltre a
quella che potremmo
definire la struttura fondamentale, sono state ipotizzate altre tre strutture: le
forme ibridate del carbonio.
Fornendo energia sufficiente all'atomo di carbonio, si ottengono alcuni orbitali di forma
nuova rispetto a quella di partenza: questi orbitali, che risultano da una specie di rimescolamento
energetico, vengono definiti come orbitali ibridi.
Nei processi di ibridazione del carbonio vengono coinvolti l'orbitale 2s ed i tre orbitali
2p (due sono orbitali 2p1
e uno è orbitale 2p vuoto).
Fornendo una certa quantità di energia (E1) all'atomo di carbonio normale, vengono interessati i due elettroni che fanno parte dell'orbitale 2s e l'orbitale 2p vuoto, privo di elettroni. Si vengono a formare due orbitali ibridi sp, a forma di mazza da baseball, ognuno dei quali contiene un elettrone. Nei due orbitali ibridi i singoletti elettronici si dispongono uno per orbitale e con spin uguali, paralleli. Avere degli orbitali ibridi sp significa che alla loro formazione hanno contribuito un orbitale s (il 2s) ed un orbitale p (l'orbitale 2p vuoto).
Fornendo ancora energia (E2) all'atomo di carbonio sp, viene ad essere interessato anche uno degli orbitali 2p che conteneva un singoletto elettronico. Si vengono a formare tre orbitali ibridi sp2 , a forma di mazza da baseball, ognuno dei quali contiene un elettrone. Nei tre orbitali ibridi sp 2 i singoletti elettronici si dispongono uno per orbitale e con spin uguali, paralleli.
Avere degli orbitali ibridi sp2 significa che alla loro formazione hanno contribuito un orbitale s (il 2s) e due orbitali p (l'orbitale 2p vuoto e uno dei due orbitali 2p1 con il singoletto elettronico).
Fornendo ancora energia (E3) all'atomo di carbonio sp2 , viene ad essere interessato anche uno degli orbitali 2p che conteneva un singoletto elettronico. Si vengono a formare quattro orbitali ibridi sp3 , a forma di mazza da baseball, ognuno dei quali contiene un elettrone. Nei quattro orbitali ibridi sp3 i singoletti elettronici si dispongono uno per orbitale e con spin uguali, paralleli. Avere degli orbitali ibridi sp3 significa che alla loro formazione hanno contribuito un orbitale s (il 2s) e tre orbitali p (l'orbitale 2p vuoto e tutti e due gli orbitali 2p1 con il singoletto elettronico). Tipi di legame che si formano tra due atomi di carbonio Se sono interessati due orbitali ibridi, che si sovrappongono secondo il loro asse di maggiore allungamento, si ottiene un legame di tipo σ (sigma), legame che si forma per primo e si distrugge per ultimo. Se sono interessati due orbitali non ibridi di tipo 2p1 , in compenetrazione parallela, si ottiene un legame di tipo π, che si forma dopo il legame di tipo σ e si distrugge prima di quest'ultimo.
I due orbitali ibridati sp sono asimmetrici e quindi la distribuzione più simmetrica dei loro volumi si ottiene se, rispetto al nucleo, noi li rivolgiamo uno da una parte ed uno dall'altra, lungo la stessa direzione (ad esempio lungo l'asse y), quindi con una disposizione a 180°.
Si devono però sistemare ancora i due orbitali 2p1 non ibridi, che hanno la forma a doppia pera contrapposta. Verranno disposti nel piano xz, perpendicolare all'asse y, e i loro assi di allungamento coincideranno con gli assi x e z.
Ibridazione sp
Se si hanno due atomi di carbonio adiacenti che sono ibridati sp, tra di essi si forma un triplo legame: 1) per primo si forma un legame di tipo σ, dovuto alla sovrapposizione massima e collineare dei due orbitali ibridati sp che, contrapposti (appartengono a due atomi diversi) si avvicinano nello spazio da destra e da sinistra lungo la direzione (per esempio) dell'asse y. 2) Si formano quindi due legami di tipo π, dovuti alle compenetrazioni parallele degli orbitali 2p1 che, nei due atomi di carbonio, sono orientati secondo le direzioni x e z. La struttura del doppio legame π viene rappresentata come la parte solida di un tubo cilindrico: un questa nube sono presenti i quattro elettroni coinvolti nei legami. Ognuno dei due atomi di carbonio ha poi la possibilità di formare, alla sua destra o alla sua sinistra, un altro legame di tipo σ verso altri atomi di carbonio, contribuendo ad allungare la catena di atomi di carbonio. Nella posizione del triplo legame non è permessa la rotazione molecolare.
Ibridazione sp2
Se si hanno due atomi di carbonio adiacenti che sono ibridati sp2 , tra di essi si forma un doppio legame: 3) per primo si forma un legame di tipo σ, dovuto alla sovrapposizione massima e collineare dei due orbitali ibridati sp che, contrapposti (appartengono a due atomi diversi) si avvicinano nello spazio da destra e da sinistra lungo la direzione (per esempio) dell'asse y. 4) Si forma quindi un legame di tipo π, dovuto alla compenetrazione parallela degli orbitali 2p1 che, nei due atomi di carbonio, sono orientati secondo la direzione z. Ognuno dei due atomi di carbonio ha poi la possibilità di formare, alla sua destra o alla sua sinistra e nel piano, altri due legami di tipo σ verso altri atomi di carbonio distinti, contribuendo ad allungare la catena di atomi di carbonio zigzagando sul piano e, al limite, la catena può chiudersi ad anello su se stessa (in genere ciò può avvenire facilmente con 5 o 6 atomi di carbonio ibridati sp2 ). Nella posizione del doppio legame non è permessa la rotazione molecolare.
