A
tema
Struttura degli atomi e delle molecole TUTOR / MP3 Intro
1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali 2 Le proprietĂ periodiche degli elementi 3 Il legame chimico e le teorie del legame 4 Le forze intermolecolari e gli stati fisici 5
della materia Il nome e la classificazione dei composti
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La chimica nell’attualitĂ
Grafene e nuovi materiali
Dai tablet flessibili alle retine artificiali, le potenziali applicazioni del grafene e dei nuovi materiali sono molteplici. Tutto questo grazie alle caratteristiche dei legami chimici che tengono insieme i loro atomi. pagina XXX
3
1
Parleremo del modello di Bohr nel paragrafo 3 di questo capitolo.
Dal modello di Bohr al modello a orbitali All’inizio del XX secolo, il lavoro del fisico neozelandese Ernest Rutherford (1871-1937; figura 1A) e di altri scienziati aveva portato a ipotizzare un modello atomico caratterizzato da un piccolissimo nucleo, che contiene quasi tutta la massa, circondato da elettroni che occupano quasi tutto il volume atomico. Questo è tuttora il modello di base dell’atomo. Tuttavia, lo stesso Rutherford capì subito la necessità di rivedere la sua teoria che, così com’era, si dimostrava inadeguata. L’occasione propizia si presentò alla cena annuale presso la facoltà di fisica di Cambridge nel 1911, dove Rutherford incontrò il fisico e matematico danese Niels Bohr (1885-1962; figura 1B). Secondo Rutherford, Bohr era l’unico in grado di rivedere il suo modello atomico. E infatA ti, nel 1913, Bohr riuscì a superare molti problemi intrinseci del modello di Rutherford formulando la prima teoria quantistica della 1| A] Ernest Rutherford struttura atomica. fu un grande fisico La maggior parte delle conoscenze sulla sperimentale, che struttura dell’atomo derivano dalla comprencollaborò con molti scienziati della sua sione di come gli atomi interagiscono con la epoca; in particolare, luce in condizioni opportune; perciò prendestudiò la radioattività remo in considerazione le caratteristiche dele diede inizio alla fisica la luce. Vedremo che si possono spiegare alnucleare. B] Niels Bohr discute di meccanica cune sue proprietà se la immaginiamo come quantistica con un treno di onde (teoria ondulatoria della Albert Einstein. Siamo luce), mentre altre proprietà trovano un sengrossomodo nel periodo so se immaginiamo che la luce sia formata da della Prima guerra mondiale. particelle (teoria corpuscolare della luce). B
1 La teoria ondulatoria della luce Nel 1864 il matematico e fisico scozzese James C. Maxwell (1831-79) propose una elegante teoria matematica secondo la quale la luce visibile è una forma di energia radiante che si propaga per mezzo di campi magnetici ed elettrici oscillanti (figura 2). Come la luce, anche i segnali radio, le microonde, i raggi X campo elettrico
campo magnetico
2
direzione di propagazione
2 | Tutte le radiazioni elettromagnetiche secondo la teoria di Maxwell, si propagano nello spazio sotto forma di un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano su piani fra loro perpendicolari; ogni campo è descritto da un’onda sinusoidale. Le sorgenti di questi campi sono cariche elettriche in oscillazione, come per esempio quelle che ci sono nei filamenti incandescenti delle lampadine o nelle antenne radio.
Ampiezza
lunghezza d’onda (λ) ampiezza direzione di propagazione
Tempo
periodo (T)
3 | La lunghezza d’onda è la distanza tra due creste successive (o due ventri successivi), cioè tra due punti che sono nella stessa fase. Lunghezza d’onda e ampiezza sono grandezze indipendenti; entrambe sono correlate all’energia della radiazione. Maggiore è l’ampiezza e maggiore è l’energia; maggiore è la lunghezza d’onda e minore è l’energia. Si chiama periodo (T ) il tempo impiegato dall’onda per compiere una oscillazione completa; la frequenza è l’inverso del periodo (ν = 1/T ).
bassa frequenza
alta frequenza
λ
λ
ampiezza
ampiezza
4 | Frequenza e lunghezza d’onda sono grandezze inversamente proporzionali; se λ diminuisce, la frequenza aumenta; e viceversa. Nel caso della luce visibile, la lunghezza d’onda determina il colore con cui la percepiamo. La luce arancione, per esempio, ha una lunghezza d’onda maggiore della luce blu.
Nel vuoto, la luce e le altre forme di radiazione elettromagnetica si propagano tutte con la stessa velocità, esattamente uguale a 2,99792458 ∙ 108 m/s, che approssimiamo a 3,00 ∙ 108 m/s (o 300 000 km/s). Questa costante viene chiamata “velocità della luce (nel vuoto)” e indicata con il simbolo c. La seguente relazione lega la lunghezza d’onda (l) e la frequenza (n) di una radiazione elettromagnetica:
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
■■ la frequenza (indicata con la lettera greca “nu”, n) corrisponde al numero di ◀◀Frequency oscillazioni complete che passano in un punto in un secondo. L’unità di misura è s–1 (cioè 1/s), ed è chiamata hertz (Hz). La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda: più lontane sono due creste successive, minore è il numero delle creste che passa per un punto in un secondo (figura 4).
A Struttura degli atomi e delle molecole
si propagano nello spazio sotto forma di onde o radiazioni elettromagneti- ◀◀Electromagnetic che. Le radiazioni elettromagnetiche sono prodotte dall’accelerazione di cari- radiation che elettriche. Ogni radiazione elettromagnetica, come tutte le onde, è caratterizzata da alcune grandezze: ■■ la lunghezza d’onda (indicata con la lettera greca “lambda”, l) corrisponde ◀◀Wavelength alla distanza tra due successive creste (punti più elevati) o tra due successive gole (punti di minimo dell’onda) (figura 3). Si misura in metri, ma in genere viene espressa in nanometri (10–9 m) o in altri sottomultipli del metro. Nel caso della luce visibile, la lunghezza d’onda determina il colore con cui la percepiamo; per esempio, la luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore (750 nm) della luce violetta (400 nm).
Relazione tra frequenza e lunghezza d’onda
frequenza
c ν=— λ
velocità di propagazione lunghezza d’onda
3
Le radiazioni elettromagnetiche si estendono su un intervallo continuo di frequenze, chiamato spettro elettromagnetico.
◀◀Electromagnetic spectrum
Ad alcuni intervalli dello spettro sono stati assegnati nomi particolari (figura 5). luce visibile 104
106
108
onde radio 105
103
10
1010
1012
microonde 10 –1
10 –3
Frequenza ν (Hz) 1014
infrarosso 10 –5
1016 ultra violetto 10 –7
l’energia aumenta l u c e
700
visibile
600
500 400 Lunghezza d’onda λ (nm)
1018
1020
raggi X 10 – 9
1022
1024
raggi gamma 10 –11
10 –13
10 –15
Lunghezza d’onda λ (m)
5 | Rappresentazione dello spettro elettromagnetico In alto sono riportati i valori di frequenza (in hertz); in basso i corrispondenti valori di lunghezza d’onda (in metri). L’energia delle radiazioni aumenta al crescere della frequenza; le radiazioni ultraviolette (UV), dunque, hanno più energia delle radiazioni infrarosse (IR) I confini tra le varie bande dello spettro non sono netti. La luce visibile, cioè la parte dello spettro che possiamo percepire con i nostri occhi, occupa una banda di frequenze molto stretta.
Le onde radio hanno le frequenze (e l’energia) più basse; i raggi g le frequenze (e l’energia) più alte. I raggi g sono prodotti nel Sole e nelle stelle, oltre che dal decadimento di alcuni nuclei atomici instabili; l’esposizione a queste (e altre) radiazioni è pericolosa per i tessuti biologici. Le radiazioni X attraversano con facilità la pelle e i tessuti molli; le UV fanno parte della radiazione solare e possono provocare l’abbronzatura e le scottature; le radiazioni infrarosse sono emesse dai corpi caldi (figura 6).
6 | Radiazioni elettromagnetiche… in azione Le radiazioni UV della luce solare possono provocare scottature; l’esposizione eccessiva aumenta il rischio di cancro alla pelle e di cataratta. La luce visibile non è pericolosa per la salute; tuttavia, la radiazione ad altissima intensità di un laser può provocare bruciature. I raggi X sono bloccati da materiali relativamente densi come ossa e denti; possono danneggiare le molecole biologiche.
4
Gli oggetti caldi emettono radiazioni infrarosse, che non sono visibili all’occhio umano, ma possono essere catturate su una lastra fotografica o un apparecchio di rilevazione che fornisce una fotografia a raggi infrarossi (termografia).
La luce bianca, come quella emessa dal Sole o da una lampadina a incandescenza, contiene una gamma continua di lunghezze d’onda, dal rosso al violetto, che formano la porzione visibile dello spettro elettromagnetico. Si può osservare questo spettro continuo facendo passare un sottile fascio di luce bianca attraverso un prisma di vetro, che separa la luce nelle sue diverse componenti monocromatiche (figura 7).
Ogni radiazione di una determinata lunghezza d’onda è detta monocromatica (letteralmente, “di un solo colore”). La luce bianca è detta policromatica, perché contiene radiazioni di diversa lunghezza d’onda.
spettro continuo
APPLIC
A 1
PROBLEMA SVOLTO Determinare la frequenza dalla lunghezza d’onda
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
Un laser usato in un concerto emette una luce verde con una lunghezza d’onda di 550 nm. Calcola la frequenza.
Risoluzione Dati
Incognita
λ = 550 nm
ν=?
Struttura degli atomi e delle molecole
7 | La luce visibile è formata da una spettro continuo di frequenze Nel prisma di vetro ha luogo una doppia rifrazione, che disperde il sottile fascio di luce bianca nelle sue componenti.
A
Analizza Conosci la lunghezza d’onda (λ), devi calcolare la frequenza (ν). Puoi approssimare la velocità della radiazione con la velocità della luce nel vuoto; quindi, per calcolare l’incognita puoi usare l’equazione: ν = c/λ. Calcola Inserisci nell’equazione i valori noti: 3,00 ∙ 10⁸ m/s c ν = — = —————— = 5,45 ∙ 10¹⁴ s−¹ (cioè Hz) λ 550 ∙ 10−⁹ m Fai attenzione: nel calcolo devi convertire i nanometri in metri (1 nm = 1 ∙ 10−⁹ m); quindi 550 nm = 550 ∙ 10−⁹ m. Controlla il risultato Il valore ottenuto è espresso in s−¹ o Hz (unità di misura della frequenza) e il suo valore è in accordo con l’intervallo riportato nella figura 5 per le radiazioni visibili. Il risultato deve avere tre cifre significative.
FAI PRATICA
2
Calcola la frequenza di una radiazione gialla, emessa da una lampada al sodio, con lunghezza d’onda di 575 nm. [ 5,22 · 10¹⁴ Hz ]
3
Calcola la lunghezza d’onda di una radiazione con frequenza di 8,42 · 10–15 Hz. Di che colore è la radiazione? [ 2520 nm; la radiazione cade nell’infrarosso, perciò non ha colore. ]
altri problemi
PALESTRA DELLE COMPETENZE
In questo caso, devi calcolare la lunghezza d’onda.
Risolvi i problemi 1 | 2
5
luce
contenitore sotto vuoto
9 | L’effetto fotoelettrico può essere misurato con un semplice dispositivo strumentale; A] gli elettroni emessi dal metallo vengono attratti da un elettrodo a potenziale positivo e danno origine a una corrente, che viene misurata con un amperometro. B] Rappresentazione schematica dell’effetto fotoelettrico. Solo quando il fotone ha energia sufficiente, l’elettrone viene espulso dal metallo e si allontana con un’energia cinetica che è tanto maggiore quanto maggiore è l’energia del fotone (h ν).
A
elettrone elettrodo positivo
superficie di metallo
amperometro –
pila
+
L’effetto fotoelettrico è usato nelle cellule fotoelettriche, che funzionano da “interruttori” nelle porte e cancelli ad apertura automatica. Le cellule fotoelettriche sono anche i componenti dei pannelli fotovoltaici.
B
elettrone più veloce superficie del metallo
Non viene emesso nessun Non viene emesso elettrone perché la nessun luce perché lainferiore luce ha haelettrone una frequenza una frequenzadiinferiore alla frequenza soglia.alla
frequenza di soglia.
APPLIC
elettrone
La luce ha una frequenza La luceo ha una frequenza uguale maggiore uguale o maggiore della della frequenza di soglia: frequenza di soglia: viene viene emesso l’elettrone.
emesso l’elettrone.
La luce di frequenza è alta la frequenza della piùPiù alta espelle luce e maggiore è la velocità elettroni più veloci.
degli elettroni espulsi
La teoria di Planck veniva così confermata; ma a questo punto si riproponeva un classico dilemma della fisica: la luce è un fenomeno ondulatorio oppure è formata da particelle? Già nel Seicento, Christiaan Huygens sosteneva la prima ipotesi mentre Isaac Newton era convinto che i raggi luminosi fossero costituiti da “corpuscoli”. In seguito alle considerazioni di Einstein, l’unico modo per risolvere la questione fu quello di ammettere che la luce abbia una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare. In alcune situazioni si comporta come un’onda, in altre come una particella.
A 4
PROBLEMA SVOLTO Determinare l’energia dei fotoni Un laser emette una luce arancione con lunghezza d’onda di 620 nm. Calcola: a] l’energia di un fotone; b] l’energia di una mole di questi fotoni.
Risoluzione Dati
Incognite
λ = 620 nm
E fotone = ?
E 1 mol fotoni = ?
Analizza a] Conosci la lunghezza d’onda (λ); per calcolare l’energia (E) devi anzitutto calcolare la frequenza (ν) del fotone usando l’equazione: ν = c/λ. Puoi quindi calcolare l’incognita usando l’equazione: E = h ν. b] Una mole di fotoni corrisponde a un numero di Avogadro (NA) di fotoni, cioè a 6,022 ∙ 1023 fotoni. Quindi basta moltiplicare l’energia di un fotone per il numero di fotoni e si ottiene l’energia totale. Calcola a] Frequenza di un fotone di luce arancione: 3,00 ∙ 10⁸ m/s c ν = — = —————— = 4,84 ∙ 10¹⁴ Hz λ 620 ∙ 10−⁹ m
8
Fai attenzione! Il fotone è una “particella” particolare: viaggia alla velocità della luce e non ha massa a riposo.
Energia del fotone di luce arancione: E fotone = h ν = (6,626 ∙ 10–³⁴ J ∙ s) (4,84 ∙ 10¹⁴ s–¹) = 3,21 ∙ 10–¹⁹ J b] Energia di una mole di fotoni: E = NA E fotone = (6,022 ∙ 10²³ fotoni/mol) (3,21 ∙ 10–¹⁹ J) = 1,93 ∙ 10⁵ J/mol Controlla il risultato Il valore ottenuto è espresso in J (unità di misura dell’energia) e ha tre cifre significative.
FAI PRATICA Un laser emette una luce con frequenza di 4,69 ∙ 1014 s–1. Calcola l’energia di un fotone.
6
I lettori di CD usano laser che emettono luce rossa con lunghezza d’onda di 685 nm. Calcola: a] l’energia di un fotone; b] l’energia di una mole di fotoni di luce rossa.
[ 3,11 · 10–19 J ]
[ a. 2,90 · 10–19 J; b. 1,75 · 105 J/mol ] altri problemi
VERIFIC
A
PALESTRA DELLE COMPETENZE
RIFLETTI E RISPONDI
Risolvi i problemi 3 | 4
TUTOR / Audiosintesi
Q3 La superficie di un metallo viene irraggiata con tre diversi fasci di luce
monocromatica. Associa a ogni radiazione l’effetto che può provocare sul metallo. 325 nm
1 non si osserva l’effetto fotoelettrico
B
455 nm
2 si ha l’effetto fotoelettrico e vengono emessi elettroni con energia di 155 kJ/mol
C
632 nm
3 si ha l’effetto fotoelettrico e vengono emessi elettroni con energia di 51 kJ/mol
3 Il modello atomico di Bohr Per diversi anni, dopo la pubblicazione della teoria di Einstein sull’effetto fotoelettrico, i fisici ritennero che l’ipotesi quantistica fosse limitata ai fenomeni che riguardano le radiazioni elettromagnetiche. Il fisico danese Niels Bohr (1885-1962) fu il primo a intuire che la nascente fisica quantistica poteva essere usata per comprendere la struttura degli atomi. E nel 1913 propose un modello per l’atomo di idrogeno che coniugava la fisica classica con le idee quantistiche introdotte da Planck e Einstein dieci anni prima.
Gli spettri di emissione degli atomi Gli atomi di un elemento, allo stato di gas a bassa pressione, assorbono energia quando vengono attraversati da una scarica elettrica. Gli atomi, così “eccitati”, possono emettere energia sotto forma di luce con un colore caratteristico per ogni elemento: il neon, per esempio, emette luce di colore giallo-arancione, il mercurio luce azzurra, l’idrogeno luce rosata. Se si analizza la luce emessa da atomi eccitati, si osserva che non è formata da uno spettro continuo di radiazioni, ma da poche righe, a specifiche lunghezze d’onda, intervallate da zone buie. Quello che si ottiene (su uno schermo o una pellicola fotografica) è uno spetto di emissione a righe (figura 10).
[ vedi Risposte in fondo al volume ]
SPERIM
E N TA
Saggio alla fiamma
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
A
A Struttura degli atomi e delle molecole
5
Questo valore di energia è dell’ordine di grandezza dell’energia che tiene uniti gli atomi nei legami chimici. In condizioni opportune, un fascio di luce di arancione è in grado di spezzare alcuni legami chimici, provocando una reazione fotochimica (cioè indotta dalla luce).
Questo semplice test permette di individuare la presenza di alcuni metalli in un campione. Scopri come si procede seguendo le indicazioni della scheda di lavoro. PLUS / Scheda LAB
9
info | POINT
Dato che gli elettroni hanno anche natura ondulatoria, possono essere usati per generare immagini di oggetti molto piccoli. I microscopi elettronici utilizzano fasci di elettroni allo stesso modo con cui si utilizza la luce nei normali microscopi ottici. La loro lunghezza d’onda è molto piccola, e quindi consentono di distinguere i dettagli di oggetti come le cellule e i loro organuli. L’immagine della foto è stata ottenuta con la SEM (Scanning Electron Micrograph): il campione viene rivestito da un sottile strato di atomi di metallo; un fascio di elettroni viene fatto passare, una riga alla volta, su un’area rettangolare del campione; gli elettroni riflessi sono catturati da speciali rivelatori e usati per ricostruire un’immagine tridimensionale, come nel caso di questi adipociti in falsi colori.
650×
I microscopi elettronici
A questo punto del nostro percorso di indagine sulla natura della luce e della materia, possiamo affermare che la luce è un’onda, ma è anche formata da unità discrete, i fotoni; d’altra parte, le particelle (come per esempio gli elettroni) possiedono anche proprietà ondulatorie.
VERIFIC
A
RIFLETTI E RISPONDI
TUTOR / Audiosintesi
Q5 Secondo quanto proposto da de Broglie, anche una pallina lanciata in un campo da golf ha delle proprietà ondulatorie. Perché non osserviamo queste proprietà? (Suggerimento: considera le grandezze dell’equazione di de Broglie...)
[ vedi Risposte in fondo al volume ]
Il principio di indeterminazione di Heisenberg A causa della duplice natura della materia, ci sono dei limiti alla precisione con cui possiamo conoscere la posizione e la quantità di moto (m n) di qualsiasi oggetto. Infatti, dato che non possiamo osservare una particella che si comporta contemporaneamente come onda e come particella, allora è impossibile misurare contemporaneamente la sua velocità e la sua posizione. Il fisico tedesco Werner Heisenberg (1901-76) tradusse questa sua idea in una espressione matematica nota come principio di indeterminazione di Heisenberg: ◀◀Heisenberg’s
uncertainty principle
Principio di indeterminazione incertezza sulla quantità di moto
incertezza sulla posizione (lungo l’asse x)
Questa relazione ci dice che se conosciamo con grande precisione la posizione della particella (cioè Dx è piccolo), allora l’incertezza sulla velocità è grande (cioè Dv è grande); e viceversa. Non è possibile conoscere, contemporaneamente e con accettabile accuratezza, la posizione e la velocità di una particella.
14
Se il fotone incidente è di bassa frequenza, la misura della velocità è meno accurata ma aumenta l’incertezza sulla posizione dell’elettrone.
14 | Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg è impossibile determinare con precisione sia la posizione sia la velocità dell’elettrone. Infatti, il fotone usato nell’osservazione colpisce l’elettrone, modificando la sua velocità e la sua posizione; l’osservazione genera così l’incertezza nella misura.
La meccanica quantistica Se l’elettrone è anche un’onda, allora si può descrivere il suo comportamento L’applicazione di questa con le equazioni usate per descrivere le onde. Nel 1926, il fisico tedesco Erwin equazione richiede strumenti matematici Schrödinger (1887-1961) propose un’equazione, nota come equazione d’onda di avanzati; per questo Schrödinger, che descrive con precisione l’energia degli elettroni, e descrive in motivo, non la presentiamo termini di probabilità la loro posizione. Essa costituisce la relazione fondamen- in dettaglio in questo libro. L’equazione d’onda tale del modello quantomeccanico dell’atomo o modello a orbitali. ha come soluzione delle La risoluzione dell’equazione di Schrödinger fornisce delle funzioni d’onda funzioni, non dei numeri. (indicate con la lettera greca “psi”, y) che descrivono ogni elettrone in un atomo in termini di orbitale, invece che con la classica orbita. L’orbitale è la regione del- ◀◀Orbital lo spazio intorno al nucleo in cui è più probabile trovare l’elettrone (figura 15). 15 | Una rappresentazione dell’orbitale atomico per l’elettrone che si trova nello stato di minima energia. A] La densità dei puntini, che è determinata dalla funzione d’onda y, diminuisce man mano che ci si allontana dal nucleo. In questa regione dello spazio c’è un’alta probabilità, ma non l’assoluta certezza, di trovare l’elettrone con la minima energia. B] Il grafico riporta l’andamento della probabilità in funzione della distanza dal nucleo. L’elettrone può trovarsi praticamente a qualsiasi distanza dal nucleo, ma con la massima probabilità si trova alla stessa distanza prevista da Bohr per l’orbita di minima energia.
A
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
Se il fotone incidente è di alta frequenza, la misura della posizione è più accurata ma aumenta l’incertezza sulla velocità dell’elettrone.
Sulla scala degli oggetti macroscopici, la massa m è talmente grande rispetto alla costante di Planck che le incertezze sulla posizione e sulla velocità devono essere piccolissime. L’indeterminazione di posizione e velocità, nel caso di un sasso, è dunque trascurabile.
Struttura degli atomi e delle molecole
Heisenberg dimostrò che questa equazione esprime un principio generale: esiste una indeterminazione intrinseca e insuperabile che deriva dal comportamento ondulatorio della materia. Questa limitazione non è rilevante per i corpi macroscopici, ma lo diventa per la materia su scala atomica, quindi per esempio per gli elettroni (figura 14). E così entrava in crisi il modello atomico di Bohr, che assegna all’elettrone traiettorie ben definite e calcolabili; a causa della natura ondulatoria dell’elettrone, possiamo conoscere con precisione la sua energia, ma dobbiamo accontentarci di conoscere la sua posizione in termini probabilistici. Il principio di indeterminazione risolve il grande problema posto dal dualismo onda-particella: come può un oggetto (per esempio, un elettrone) essere sia una particella sia un’onda? La risposta di Heisenberg è questa: un oggetto può essere osservato come una particella oppure come un’onda, mai come onda e particella allo stesso tempo.
A
B
15
VERIFIC
A
RIFLETTI E RISPONDI
TUTOR / Audiosintesi
Q6 In base a ciò che hai imparato sui numeri quantici principali, completa le seguenti frasi.
a] Quando n = 3, i valori di l possono essere: b] Quando l = 1, i valori di m possono essere:
,
e ,
.
e
.
c] Un orbitale che appartiene al sottolivello con l = 1, è indicato con la lettera . d] Un orbitale 3s appartiene al livello con n = l= .
, e al sottolivello con
[ vedi Risposte in fondo al volume ]
5 La configurazione elettronica degli atomi Nel caso dell’atomo di idrogeno, che ha un solo elettrone, l’equazione di Shrödinger fornisce delle soluzioni esatte (le funzioni d’onda). Invece, per gli atomi con più di un elettrone si possono ottenere solo delle soluzioni approssimate. Fortunatamente, per questi atomi possiamo usare gli stessi orbitali dell’atomo di idrogeno; la forma rimane la stessa, ma la presenza di più di un elettrone cambia la loro energia. Quindi, per esempio, gli orbitali 3s, 3p e 3d (tutti nel livello n =3) di un atomo con più elettroni non sono degeneri (come per l’idrogeno), ma hanno energie diverse a causa della repulsione tra gli elettroni dei diversi sottolivelli (figura 20); l’ordine di energia crescente è 3s < 3p < 3d. Per descrivere gli atomi, dobbiamo dunque sapere in che modo gli elettroni riempiono gli orbitali disponibili.
Livelli principali
Si chiama configurazione elettronica la distribuzione degli elettroni negli orbitali di un atomo.
Capiremo meglio perché gli orbitali di uno stesso livello non sono degeneri nel prossimo capitolo, quando parleremo di carica nucleare efficace.
◀◀Electron configuration
7
7s
6
6s
6p 5d 5p 5
5s
4
4s
4f 4d
4p 3d 3p 3
3s
2
2s
1
1s
2p
A 20 | Livelli di energia negli atomi con più di un elettrone A] Per ogni valore di n, l’energia degli orbitali cresce al crescere del valore del numero quantico secondario l. Addirittura, succede che l’orbitale 3d ha un’energia maggiore dell’orbitale 4s, che appartiene al
20
livello di energia successivo. Questo diagramma ha un valore solo qualitativo; e differenze di energia variano a seconda dell’atomo. B] Seguendole frecce e le linee tratteggiate di questo schema otteniamo l’ordinedi riempimento degli orbitali: 1s, poi 2s, 2p, 3s e così via.
B
Nel caso dell’idrogeno, che ha un solo elettrone, possiamo rappresentare la configurazione elettronica in due modi diversi:
■■ Anzitutto, gli elettroni devono occupare per primi gli orbitali di minore energia (vedi figura 20B), cioè quelli più vicini al nucleo, poi gli orbitali via via più lontani. Questa regola è nota come principio di aufbau (dal tedesco, “costruzione”).
A Le configurazioni elettroniche a cui facciamo riferimento sono quelle degli atomi (e ioni) nel loro stato fondamentale, cioè di minima energia.
■■ Il principio di esclusione di Pauli, dal nome del fisico austriaco che lo scoprì nel 1925, stabilisce che in un atomo non ci possono essere elettroni che hanno lo stesso set di numeri quantici n, l, m, ms. Dato che il numero quantico di spin ha solo due valori possibili, ne consegue che: ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni che devono avere spin opposto (si dice anche con spin “antiparalleli”).
La tabella 4 riporta la configurazione elettronica di alcuni elementi (dal litio al sodio). Il boro (Z = 5) ha cinque elettroni; in base alle regole appena viste, due elettroni riempiono l’orbitale 1s, due elettroni riempiono l’orbitale 2s, e il quinto occupa un orbitale 2p. La sua configurazione è 1s2 2s2 2p1. Il carbonio (Z = 6) ha un elettrone in più, che può appaiarsi con l’elettrone che occupa l’orbitale 2p dove c’è già un elettrone oppure occupare un orbitale 2p ancora vuoto. Tabella 4 Configurazione elettronica di alcuni elementi Elemento
Numero Diagramma orbitalico di elettroni 1s
2s
Configurazione elettronica 2p
Ricorda: la lettera Z indica il numero atomico, cioè il numero di protoni di un atomo (che è uguale al numero degli elettroni).
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
Quindi, nel caso dell’elio (Z = 2), i due elettroni occupano l’orbitale 1s e hanno spin opposto:
Struttura degli atomi e delle molecole
La prima rappresentazione ci dice in modo sintetico che 1 elettrone (numero a esponente) sta nell’orbitale 1s. La seconda (cosiddetta diagramma orbitalico) rappresenta l’orbitale con un quadratino e l’elettrone con una freccina verticale, orientata all’insù (ms = +1/2) o all’ingiù (ms = –1/2) a seconda dello spin elettronico. Il riempimento degli orbitali non è casuale, ma segue alcune regole, che diventano utili per gli atomi con più di un elettrone.
3s
H
1
1s1
He
2
1s2
Li
3
1s2 2s1
Be
4
1s2 2s2
B
5
1s2 2s2 2p1
C
6
1s2 2s2 2p2
N
7
1s2 2s2 2p3
Ne
10
1s2 2s2 2p6
Na
11
1s2 2s2 2p6 3s1
21
24
Chapter 1 / Review TUTOR MP3 Summary
■■ electrons exist only in certain energy levels around a
nucleus; ■■ energy is involved in moving an electron from one level
to another.
A
n=3 n=2
n=1
According to Bohr model, the energy of the hydrogen atom depends on the value of the quantum number n (n must be a positive integer). Light must be absorbed to excite the electron from a lower energy state to a higher one; light is emitted when the electron drops from a higher energy state to a lower energy state.
What happens when one turn on a neon light? The electrons in the neon atoms can be excited to a higher energy by electricity. Light is emitted when they drop back down to their lowest-energy states.
Light (radiant energy, or electromagnetic radiation) has wavelike properties and so it is characterized by wavelength (l), frequency (n), and speed. Visible light and other forms of electromagnetic radiation move through a vacuum at the speed of light (c = 3,00 ∙ 108 m/s). Dispersion of radiation into its component wavelengths produces a spectrum: ■■ a continuous spectrum, if it contains all wavelenghts; ■■ a line spectrum, if it contains only certain specific waverlenghts. SECTION
1
Studies of the radiation given off by hot objects and of the way in which light striking a metal surface can free electrons indicate that electromagnetic radiation also has particle-like properties and can be described in term of photons. SECTION
2
E = hn
Each photon carries energy E = hν.
In the quantum theory, energy is quantized, meaning that it can have only certain allowed values. Einstein used the quantum theory to explain the photoelectric effect, the emission of electrons from metal surfaces by light. Bohr proposed a model of the hydrogen atom that explains its line spectrum. According to this model: SECTION
3
4
The arrangement of electrons in atoms is described by quantum mechanics in terms of atomic orbitals. An orbital is described by a combination of an integer and a letter, corresponding to values of three quantum numbers for the orbital. ■■ The principal quantum number (n) relates most directly to the size and energy of the orbital. ■■ The azimuthal quantum number (l) is indicated by the letters s, p, d, f (corresponding to the values of 0, 1, 2, 3). The l quantum number defines the shape of the orbital. For a given value of n, l can have integer values ranging from 0 to n – 1. z
z x
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
De Broglie suggested that matter, such as electrons, should exhibit wavelike properties; this hypothesis of “matter waves” was proved experimentally. An object has a characteristic wavelength that depends on its momentum (mv): l = h/mv. Because matter also has wavelike properties, it is impossible to determine simultaneously the exact position and exact motion of an electron in an atom (Heisenberg’s uncertainty principle). In the quantum mechanical model of the hydrogen atom, the behavior of the electron is described by mathematical functions called wave functions (y). Each allowed wave function has a precisely known energy, but the location of the electron cannot be determined exactly; rather, the probability of it being at a particular point in the space is given by the probability density. SECTION
Struttura degli atomi e delle molecole
Energy
Summary and key terms
CLIL
z x
x
y
y
y
2 px
2 py
2 pz
Shapes of p orbitals.
25
■■ The magnetic quantum number (m) relates to the
orientation of the orbital in the space. For a given value of l, m can have integer values ranging from –l to l. Electrons have an intrinsic property called electron spin, which is quantized. The spin magnetic quantum number (ms) can have two possibile values: +1/2 and –1/2. An electron shell is the set of all orbitals with the same valute of n, such as 3s, 3p, and 3d. In the hydrogen atom all the orbitals in an electron shell have the same energy. A subshell is the set of one or more orbitals with the same n and l values; for example, 3p is a subshell of the n = 3 shell. There is one orbital in an s subshell, three in a p subshell, five in a d subshell, and seven in a f subshell. Orbitals within the same subshell are degenerate, meaning they have the same energy.
In many-electron atoms, different SECTION 5 subshells of the same electron shell have different energies. For a given value of n, the energy increases as the value of l increases: ns < np < nd < nf. The Pauli exclusion principle states that no two electrons
in an atom can have the same values for n, l, m, and ms. This principle places a limit of two on the number of electrons tha can occupy any one atomic orbital. The electron configuration describes how the electrons are distributed among the orbitals of an atom. The groundstate electron configurations are generally obtained by placing the electrons in the atomic orbitals of lowest possibile energy with the restriction that each orbital can hold no more than two electrons. The outer shell electrons that are involved in chemical bonding are the valence electron of an atom. The electrons that are not valence electrons are called core electrons.
1s
2s
2p
When electrons occupy a subshell with more than one degenerate orbital, such as the 2p subshell, the Hund’s rule states that the lowest possible energy is attained by maximizing the number of electrons with the same electron spin.
Assessment TAKE A TEST
TUTOR / Interactive quiz
1 Electromagnetic waves are described by wavelength (λ), amplitude (A), frequency (ν) and velocity of propagation. Only one of these values is the same for all types of electromagnetic radiation in a vacuum. Which one?
electron in a] a 2s orbital or an electron in b] a 3s orbital?
6 There are four quantum numbers that are important for
A Frequency.
C Amplitude.
describing electrons in their orbitals. Three refer to the orbitals and one refers to the electrons themselves. Which of these four only refers to the electrons?
B Wavelength.
D Velocity of propagation.
A The principle quantum number (n) .
2 Bohr was able to describe what Rutherford could not elemental line spectra. Why do elements emit light at very precise frequencies when you put energy into them? A Atoms emit light when electrons move to a higher energy level. B Protons emit light when they return from a more excited state to their ground state. C Atoms emit light when electrons move to a lower energy level. D Protons emit light when they move to a more excited state.
3 According to the quantum-mechanical model for the hydrogen atom, which of the following electron transitions would produce light with the longer wavelength: a] 2p → 1s o b] 3p → 1s?
4 De Broglie completed the concept of particle-wave duality. Which of these characteristics of a wave did he directly define for a particle?
26
5 Which electron is, on average, closer to the nucleus: an
A Wavelength.
C Period.
B Frequency.
D Amplitude.
B The magnetic spin quantum number (ms). C The magnetic quantum number (m) . D The angular quantum number (l) .
LISTEN and ANSWER
PLUS / MP3 Reading
Nuclear radiation Listen to the text about the radioactive decay of big atoms such as uranium-235. ▶▶Complete Nuclear 1] occurs when certain 2] are bombarded with 3] and split into smaller fragments. In a 4] reaction, neutrons emitted during fission bombard other 5], which split and emit additional neutrons. ▶▶Review What happens in a nuclear chain reactions? ▶▶Take it further Which are the main safety concerns about nuclear plants?
Capitolo 1 / Palestra delle competenze TUTOR Tracce di Risposta
TUTOR Test interattivi
TUTOR Mappa interattiva
CONOSCENZE
10 Descrivi l’effetto fotoelettrico. a] Quali erano le differenze tra i risultati attesi in base alle teorie della fisica classica, e ciò che si osserva negli esperimenti? b] Quale fu la spiegazione proposta da Einstein?
11 Un quanto e un fotone sono la stessa cosa? 12 L’energia di un quanto dipende dalla:
1 La teoria ondulatoria della luce 1 Che cos’è la luce? A quale velocità si propaga nel vuoto? 2 Illustra, a parole e con un disegno, che cosa s’intende per lunghezza d’onda e ampiezza di un’onda.
3 Qual è la relazione fra la lunghezza d’onda e la frequenza della radiazione elettromagnetica?
5 Assegna a ciascuna radiazione un intervallo
a ] raggi X
C 6,626 · 10–34 s D 6,626 · 10–34 J · s–1
14 L’energia di un fotone di una luce rossa è: A maggiore dell’energia di un fotone di una luce blu. B maggiore dell’energia di un fotone di una radiazione infrarossa.
15 L’effetto fotoelettrico è un fenomeno: A chimico caratterizzato dall’emissione di elettroni, che si verifica quando un metallo è colpito da una radiazione elettrica.
b ] radiazioni infrarosse c ] luce visibile
B chimico caratterizzato dall’emissione di elettroni da parte di un gas.
6 L’unità di misura della frequenza nel Sistema Internazionale è: C s
D adimensionale
7 Vero o Falso?
C fisico caratterizzato dall’emissione di elettroni, che si verifica quando un metallo è colpito da una radiazione elettromagnetica. D fisico caratterizzato dall’emissione di fotoni.
a ] I l grafico che si ottiene riportando l’intensità di un’onda in funzione del tempo è una curva sinusoidale. b ] La lunghezza d’onda è direttamente proporzionale alla frequenza di una radiazione. c ] Maggiore è l’ampiezza, maggiore è l’energia che viaggia con un’onda elettromagnetica. d ] c = ν λ
16 Individua l’affermazione errata. Nell’effetto fotoelettrico: V F
A l’emissione di elettroni dipende dall’intensità della luce incidente.
V F
B l’energia minima per strappare un elettrone dipende dal metallo.
V F V F
C esiste una frequenza di soglia per la radiazione incidente.
8 Una radiazione di lunghezza d’onda pari a 700 nm è di colore: A violetto.
A 6,626 · 10–34 J B 6,626 · 10–34 J · s
D diversa a seconda della intensità del fascio di luce.
Lunghezza d’onda (nm)
B m
13 La costante di Planck vale:
C monocromatica.
approssimativo di lunghezza d’onda:
A s–1
C ampiezza. D velocità di propagazione.
B azzurro.
C giallo.
D rosso.
9 Una radiazione elettromagnetica con frequenza di 6,0 · 1014 Hz: A non è monocromatica.
D gli elettroni emessi hanno un’energia cinetica che dipende dalla frequenza dei fotoni incidenti.
3 Il modello atomico di Bohr 17 Che cos’è una spettro di emissione atomica? In che cosa è diverso dallo spettro della luce bianca?
B è uno spettro continuo.
18 Descrivi il modello atomico di Bohr.
C può far parte di uno spettro continuo.
19 Spiega la differenza tra stato fondamentale e stato eccitato
D corrisponde a due diverse lunghezze d’onda.
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
4 Spiega qual è la differenza tra la luce gialla e la luce blu.
A frequenza. B intensità.
A Struttura degli atomi e delle molecole
Verifica le conoscenze
2 La teoria corpuscolare della luce
dell’atomo di idrogeno.
27
20 Il modello di Bohr è valido per gli atomi:
4 La natura ondulatoria della materia
A di un elemento allo stato gassoso, sotto pressione. B di idrogeno.
27 Da che cosa dipende la lunghezza d’onda di un elettrone?
C di idrogeno in ben precise condizioni di pressione e temperatura.
28 Enuncia il principio di indeterminazione di Heisenberg. 29 Secondo de Broglie:
D degli elementi più leggeri.
A alcune particelle non hanno comportamento ondulatorio.
21 Secondo il modello di Bohr:
B alcune particelle hanno solo comportamento ondulatorio.
A l’elettrone in uno stato stazionario è instabile. B lo stato fondamentale dell’idrogeno corrisponde a n = 1. C l’energia delle orbite diminuisce al crescere di n. D si ottiene uno spettro di emissione quando l’atomo passa dallo stato di minima energia a uno stato eccitato.
22 Individua l’affermazione errata. Secondo il modello A la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo, come nel modello di Rutherford. B l’elettrone percorre orbite circolari, il cui raggio cresce via via che si allontana dal nucleo. C a ogni orbita è associato un determinato valore di energia. D gli elettroni possono perdere energia emettendo fotoni.
23 Vero o Falso?
30 Nell’equazione di de Broglie: B la lunghezza d’onda (λ) è direttamente proporzionale alla quantità di moto. C la frequenza (ν) è direttamente proporzionale alla quantità di moto. D compare la velocità dei corpi leggeri.
5 Gli orbitali atomici e i numeri quantici 31 Quali valori può assumere il numero quantico principale?
V F
V F V F
Che cosa determina il valore di questo numero quantico?
32 Che cosa indica la notazione 2s? 33 Quali orbitali appartengono al livello n = 3? Quanti sono, in tutto?
34 Il numero quantico n: A non può assumere valore zero.
V F
24 Secondo il modello di Bohr dell’atomo di idrogeno: A la frequenza di emissione è uguale alla frequenza di assorbimento. B quando assorbe energia, l’elettrone può passare solo dal primo al secondo livello di energia.
B dipende dal valore del numero quantico l. C può assumere valore zero per gli ioni gassosi ad altissime temperature e bassissime pressioni. D può assumere valore zero per alcuni atomi.
35 Il numero quantico principale può assumere: A qualsiasi valore intero positivo.
C quando assorbe energia, l’elettrone può passare solo dal secondo al primo livello di energia.
B qualsiasi valore intero o frazionario.
D l’elettrone può effettuare una data transizione assorbendo qualsiasi quantità di energia.
D tutti i valori interi e i valori frazionari +1/2 e –1/2 .
25 L’emissione di luce rossa da parte dell’atomo di idrogeno è dovuta alla transizione dell’elettrone dal livello con energia: A E1 al livello con energia E2.
C solo alcuni valori interi positivi.
36 Un orbitale è: A rappresentato da una funzione d’onda. B un punto dello spazio in cui difficilmente si trova l’elettrone.
B E2 al livello con energia E1.
C la regione dello spazio intorno al nucleo atomico in cui c’è una elevata probabilità di trovare l’elettrone.
C E3 al livello con energia E2.
D la probabilità di trovare l’elettrone nel volume dell’atomo.
D E4 al livello con energia E3.
26 La riga viola dello spettro dell’atomo di idrogeno:
28
D a ogni particella in movimento è associata una lunghezza d’onda. A h ha un valore diverso dalla costante di Planck.
atomico di Bohr:
a ] Quando assorbe energia, l’atomo di idrogeno passa a uno stato eccitato. b ] Le frequenze dello spettro di emissione dell’idrogeno sono in accordo con i valori delle transizioni calcolate in base al modello di Bohr. c ] Per passare dal livello con n = 1 al livello con n = 2, l’elettrone deve acquistare energia pari a E1 – E2. d ] Quando si fa passare attraverso un prisma la luce emessa dagli atomi eccitati di un elemento, si ottiene uno spettro continuo.
C solo le particelle materiali hanno una doppia natura, ondulatoria e corpuscolare.
37 Nell’atomo di idrogeno, l’energia dell’elettrone dipende: A solo dal numero quantico principale (n).
A è dovuta alla transizione dal livello con n = 1 al livello con n = 2.
B dal numero quantico principale (n) e, in parte, dal numero quantico secondario (l).
B non fa parte dello spettro visibile dell’idrogeno. C cade intorno ai 400 nm (lunghezza d’onda).
C dal numero quantico principale (n), dal numero quantico secondario (l) e dal numero quantico magnetico (m).
D ha una frequenza di 4,57 · 1014 Hz.
D dallo spin.
38 Vero o falso?
51 Quali indicazioni fornisce la scrittura 1s1 riferita all’atomo
a ] S econdo Bohr, ogni orbita è specificata da un numero quantico che vale 0 per l’orbita più vicina al nucleo. b ] Se un elettrone rimane su una determinata orbita, la sua energia rimane costante. c ] Se l’elettrone in un atomo di idrogeno passa dal livello n = 5 al livello n = 2, si ha assorbimento di un fotone. d ] Quando l’atomo di idrogeno si trova nel suo stato fondamentale, l’elettrone occupa l’orbitale 1s.
di idrogeno? V F V F V F V F
39 Nel modello a orbitali: B la probabilità di trovare l’elettrone è la stessa in ogni punto nello spazio attorno al nucleo. C l’elettrone si muove in orbite circolari. D l’elettrone si muove solo tra i diversi livelli di energia.
40 Il numero quantico secondario può assumere tutti i valori interi compresi tra: A 0 e (n – 1) B 0 e (n + 1)
C 0en D (l – 1) e (l + 1)
41 Dal numero quantico l dipende: A lo spin elettronico. B il numero degli orbitali del livello.
42 Al numero quantico l = 5 è associato il sottolivello: A p
B d
C f
D nessuno dei precedenti.
43 Non sono degeneri gli orbitali di tipo: A s
B p
C d
D f
44 L’orientazione degli orbitali dipende dal numero quantico: A n
B l
C m
D nessuno dei precedenti.
45 Per l = 2, il numero quantico magnetico può assumere: A un solo valore. B tre valori diversi.
C cinque valori diversi. D sette valori diversi.
46 In un livello ci sono: A 7 orbitali. B n2 orbitali. B 2s
54 In un orbitale, al massimo, ci sono: A due elettroni con spin paralleli. B sei elettroni per l’orbitale p. C due elettroni con spin uguale o opposto. D due elettroni con spin antiparalleli.
55 Vero o falso? a ] P er qualsiasi atomo, il primo orbitale che viene V F riempito è l’1s. b] U n sottolivello p ha 3 orbitali e può contenere V F al massimo 3 elettroni. 2 c ] In un dato livello ci sono al massimo 2n elettroni. V F d ] P er il principio di Pauli, in un atomo non possono esistere due elettroni descritti dagli stessi numeri quantici. V F e] N egli atomi con più di un elettrone, i diversi sottolivelli di un dato livello n hanno tutti la stessa energia. V F f] A ll’interno di ogni livello principale, l’energia V F dei sottolivelli aumenta nell’ordine: s < p < d.
56 Il principio di Pauli è utile per disporre gli elettroni: A in un orbitale. C in un livello. D nell’atomo. B negli orbitali degeneri. 57 Individua l’affermazione corretta: A gli elettroni occupano gli orbitali di un atomo in modo casuale. B per minimizzare la repulsione elettronica, può accadere che alcuni orbitali vengano lasciati vuoti, anche se hanno energia minore. C può accadere che in un dato livello gli orbitali d si riempiano prima degli orbitali p. D gli orbitali del livello di valenza hanno sempre energia maggiore degli orbitali della configurazione elettronica interna.
C 2n orbitali. D (2l + 1) orbitali.
47 Individua l’orbitale con la minore energia: A 1s
53 Che cosa afferma il principio di esclusione di Pauli?
C 3s
D 4s
48 Il numero quantico di spin può assumere solo: A il valore 1/2. B il valore –1/2.
Applica le conoscenze
A
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
C la forma dell’orbitale. D l’orientazione degli orbitali p.
elettronica degli elementi.
Struttura degli atomi e delle molecole
A non si può definire la traiettoria dell’elettrone.
52 Esponi le regole che determinano la configurazione
ABILITÀ
C i valori 1/2 e –1/2. D i valori –1/2, 0 e 1/2.
49 Il set di numeri quantici: n = 3; l = 2; m = –1 individua un orbitale: A 3s
B 3p
58 Nell’alta atmosfera, l’ozono assorbe energia C 3d
D 3f
6 Le configurazioni elettroniche 50 Spiega con un esempio che cos’è la configurazione elettronica.
nell’intervallo 210-230 nm. In quale regione dello spettro elettromagnetico cadono queste radiazioni?
59 Le onde della figura rappresentano due radiazioni elettromagnetiche. a] Qual è la lunghezza d’onda della radiazione A e quella della radiazione B?
29
66 Confronta Nelle seguenti transizioni dell’atomo
b] Qual è la frequenza di A e di B? c] Identifica a quale regione dello spettro appartiene ciascuna radiazione.
di idrogeno, l’energia viene assorbita oppure emessa? A
A Da n = 4 a n = 2; B da un’orbita di raggio 2,12 Å a una di raggio 8,46 Å; C un elettrone viene catturato da uno ione H+ e va ad occupare il livello n = 3.
67 SPETTRO DI EMISSIONE Lo spettro di emissione B
1,6 · 10 –7 m
60 Confronta Disponi le seguenti radiazioni elettromagnetiche
in ordine di frequenza crescente: a] i raggi γ emessi da un radioisotopo per applicazioni mediche; b] il segnale di una stazione radio in FM a 93,1 MHz; c] il segnale di una stazione radio in AM a 680 kHz; d] la luce gialla di una lampada al sodio; e] la luce rossa di un LED.
61 Confronta Le radiazioni ultraviolette nella luce del Sole sono responsabili delle scottature e dell’abbronzatura. I cosiddetti raggi UV-A hanno una lunghezza d’onda compresa nell’intervallo 320-380 nm, mentre gli UV-B sono compresi nell’intervallo 290-320 nm. Secondo te, quali sono più nocivi per la salute umana: i fotoni dei raggi UV-A o quelli dei raggi UV-B?
62 L’energia di una radiazione arancione, con lunghezza
68 Formula ipotesi Se si fa passare la luce bianca attraverso i vapori di un elemento raffreddato al punto da non emettere radiazioni, si ottiene uno spettro di assorbimento. Nel caso del sodio, per esempio, si ottiene uno spettro continuo, che presenta una riga scura a 589 nm. Sai spiegare a che cosa è dovuta?
69 Confronta Qual è la differenza fondamentale tra gli orbitali 3p e gli orbitali 4p?
70 Ognuno dei seguenti set di numeri quantici contiene un numero quantico che non è permesso. Individua gli errori e correggili. a ] n = 3; l = 3; m = +2
d’onda di 600 nm è: A 5,0 · 1014 J B 3,98 · 10–31 J
dell’idrogeno presenta una riga a 410 nm e un’altra riga a 434 nm. Una è dovuta alla transizione dall’orbita con n = 6 all’orbita con n = 2; l’altra è dovuta alla transizione dall’orbita con n = 5 all’orbita con n = 2. Associa ciascuna riga dello spettro con la rispettiva transizione elettronica.
b ] n = 2; l = 1; m = –2
C 3,31 · 10–19 J D 3,98 · 10–40 J
71 Quando l’elettrone dell’atomo di idrogeno effettua una transizione tra i seguenti orbitali, c’è emissione di radiazione?
63 EFFETTO FOTOELETTRICO Spiega che cosa accade
A da 2s a 1s
in ciascuna delle seguenti situazioni. a ] Il cesio viene irraggiato con una luce di frequenza appena maggiore della frequenza di soglia. b ] Aumenta l’intensità della radiazione con cui si irragia il cesio, ma la frequenza rimane la stessa.
B da 3d a 3p C da 2s a 2p D da 1S a 2s
72 La figura rappresenta un orbitale del livello n = 3 di un atomo
di idrogeno. a] Qual è il numero quantico l per questo orbitale? b] Quale nome gli assegniamo? c] Come modificheresti la figura, per un orbitale analogo del livello n = 4?
c ] Si usa una radiazione monocromatica di lunghezza d’onda minore per irragiare il cesio.
64 Le luci stradali al sodio emettono luce quando gli atomi vengono eccitati. Per quali delle seguenti ragioni viene emessa luce? Perché gli elettroni: A passano da un livello energetico a un altro, con n maggiore. B sono allontanati dagli atomi, con formazione di ioni Na+.
65 Confronta Osserva i livelli di energia della figura. a] Quale transizione richiede la massima energia, per il sistema della figura? b] Quale transizione richiede la minima energia? c] Disponi in ordine di energia crescente le seguenti transizioni:
n=4
a ] 3p
b ] 2s
d ] 5d
di n e di l non sono permessi; quale? a ] 1p
b ] 4s
c ] 5f
d ] 2d
75 Quali numeri quantici caratterizzano l’orbitale 2s? 76 Solo alcune delle seguenti combinazione di numeri n=3
quantici sono permesse; individuale e scrivi per ciascuna il corrispondente orbitale. a ] n = 2; l = 1; m = 1 b ] n = 1; l = 0; m = –1
n=2
c ] n = 4; l = 2; m = –2
B ] da n = 3 a n = 2;
n=1
d ] n = 3; l = 3; m = 0
D ] da n = 3 a n = 1.
c ] 4f
74 Alcuni dei seguenti orbitali non esistono, perché i valori
A ] da n = 1 a n = 2; C ] da n = 2 a n = 4;
30
Energia
C passano da un livello energetico a un altro, con n minore.
73 Qual è il valore di n e di l per ciascuno dei seguenti orbitali?
77 Individua l’orbitale definito dal set di numeri quantici: n = 4; l = 2; m = 0.
78 Confronta Disegna la forma e l’orientazione dei seguenti orbitali: a ] s
b ] pz
c ] dxy
79 I due diagrammi rappresentano la configurazione
1 Gli atomi di mercurio, quando sono eccitati, emettono una luce intensa a 436 nm. Qual è la frequenza di questa radiazione? Usando la figura 5, sai dire di quale colore è la luce emessa? [ 6,88 ∙ 1014 s–1; blu ]
2 Il periodo (T) di un’onda è l’inverso della sua frequenza
a ]
(ν): T = 1/ν. a] In quale unità di misura del SI è espresso il periodo di un’onda? b] Qual è il periodo di una radiazione con λ = 575 nm?
b ]
80 Disponi in ordine di energia crescente i seguenti orbitali dell’atomo di idrogeno: 3s, 2s, 2p, 4s, 3p, 1s, 3d.
81 Quale delle seguenti configurazioni si riferisce a un atomo nello stato fondamentale? Quale a un atomo in uno stato eccitato? Quale configurazione non è possibile? Identifica l’elemento e motiva le tue risposte. a ] 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 5p1 2
7
82 Scrivi la configurazione elettronica del fosforo; quanti sono, gli elettroni di valenza? Quale livello occupano?
83 Scrivi la configurazione elettronica del potassio; quanti sono, gli elettroni di valenza?
84 a] Scrivi la configurazione elettronica dello ione alluminio, Al3+. (Suggerimento: il catione Al3+ si forma quando l’atomo di alluminio perde 3 elettroni...). b] Quale elemento chimico ha la stessa configurazione di questo ione (consulta la tavola periodica).
85 a] Scrivi la configurazione elettronica ione fosfuro, P3–. (Suggerimento: l’anione P3– si forma quando l’atomo di fosforo acquista 3 elettroni...). b] Quale elemento chimico ha la stessa configurazione di questo ione (consulta la tavola periodica).
86 Quanti elettroni appaiati ci sono in un atomo di: a ] elio
b ] sodio
c ] boro
[ a. 6,11 ∙ 10–19 J/elettrone; b. 368 kJ/mol ]
4 Un laser produce un lampo di luce a 532 nm, con una
d ] ossigeno
87 Un atomo di un elemento ha 2 elettroni nel primo livello e
5 elettroni nel secondo livello. a] Qual è la configurazione elettronica dell’atomo? b] Di quale elemento si tratta?
5 Un fotone di una luce con lunghezza d’onda di 91,2 nm riesce a ionizzare un atomo di idrogeno, cioè a strappargli il suo unico elettrone; l’atomo è nel suo stato fondamentale. Qual è l’energia dell’elettrone quando si trova nel livello con n = 1? [ Il fotone ha un’energia E = 2,18 ∙ 10–18 J; infatti, l’elettrone nel livello più vicino al nucleo (n = 1) ha energia –2,18 ∙ 10–18 J (fai attenzione, i valori di energia sono negativi). ]
6 REAZIONI FOTOCHIMICHE Radiazioni di energia sufficiente possono rompere i legami nelle molecole. Per rompere il legame tra due atomi di azoto nelle molecole biatomiche N2 occorrono 941 kJ/mol. a] Calcola l’energia necessaria per rompere una molecola di azoto in due atomi N. b] Quale tipo di radiazione ha energia adeguata per rompere il legame? [ a. 1,56 ∙ 10–18 J; b. questa energia corrisponde a una radiazione con lunghezza d’onda di 132 nm, che cade nell’intervallo dell’ultravioletto. ]
capitolo 1 Dal modello di Bohr al modello a orbitali
6
ai 325 nm provoca scottature. a] Qual è l’energia di un fotone con questa lunghezza d’onda? b] Qual è l’energia di una mole di questi fotoni?
[ 1,45 ∙ 1016 fotoni ]
c ] 1s 2s 2p 3s 3p 2
3 L’esposizione a radiazioni UV con frequenza intorno
energia di 4,67 mJ. Quanti fotoni ci sono nel lampo di luce?
b ] 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 2
[ a. In secondi (s); b. 1,92 · 10–15 s ]
A Struttura degli atomi e delle molecole
elettronica di: a] azoto; b] magnesio. Sono entrambi sbagliati; trova gli errori e correggi i diagrammi.
COMPETENZE
Risolvi i problemi
7 Una lamina di sodio viene colpita da una radiazione con lunghezza d’onda di 8 · 10–7 m. La frequenza di soglia, per il sodio, è 4,62 · 1014 Hz. Si osserva l’effetto fotoelettrico? [ No, perché la radiazione non ha una energia sufficiente per “estrarre” gli elettroni del sodio. ]
8 PROBLEMA SVOLTO Determinare il numero di elettroni emessi da un metallo Una radiazione luminosa colpisce un metallo e dà l’effetto fotoelettrico; l’energia totale assorbita a 600 nm è 2,0 · 10–5 J. Calcola quanti elettroni sono stati emessi dalla superficie del metallo. [ 6,1 ∙ 101³ elettroni ] TUTOR / Problema svolto
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ScienceFactory
La chimica nell’attualità
Grafene e nuovi materiali ■ Vincenzo Guarnieri
G
li scienziati dubitavano che potesse esistere davvero. Eppure, nel 2004, Andre Geim e Kostya Novoselov dell’Università di Manchester sono riusciti a isolarlo… con un semplice pezzo di scotch. Stiamo parlando del grafene, uno dei nuovi materiali destinati a rivoluzionare le nostre abitudini. Di che cosa si tratta? Il grafene è una forma allotropica del carbonio, come il diamante e la grafite. Quest’ultima è costituita da una serie di strati sovrapposti uno sull’altro, tenuti insieme da forze di legame deboli. Ciascuno di questi strati è costituito da atomi di carbonio disposti sullo stesso piano ai vertici di esagoni regolari affiancati, come le celle di un alveare. Il grafene corrisponde a un singolo strato ultrasottile, spesso un solo atomo di carbonio. Questa insolita struttura, considerata “bidimensionale” (2D), è alla base delle proprietà che lo rendono così interessante. Esiste una vera a propria classe di materiali 2D: dagli strati di boro-azoto (BN) e di molibdeno-zolfo (MoS2), al più recente silicene, materiale costituito esclusivamente da silicio, molto simile al grafene (carbonio e silicio appartengono allo stesso gruppo nella tavola periodica). Quando un foglio di grafene si avvolge su sé stesso, può formare una sorta di pallone da calcio nanoscopico, il fullerene. Se, invece, forma un cilindro si produce un nanotubo. Sia fullereni che nanotubi sono ulteriori forme allotropiche del carbonio, isolate e studiate ancora prima del grafene. Forme allotropiche del Carbonio. A] Grafite, B] Diamante, C] Fullerene, D] Nanotubi, E] Grafene
L’atomo di carbonio è davvero particolare: piccolo e capace di creare un’enorme varietà di legami e forme molecolari. La chimica della vita è basata su questo atomo… E oggi anche la chimica dei nuovi materiali che potranno modificare la società, così come è avvenuto con la plastica nel secondo dopoguerra. Ci saranno anche in questo caso degli effetti collaterali negativi? Le conseguenze sulla salute dovute all’impiego di nanomateriali come il grafene sono oggetto di studi complessi e controversi.
Come si fa? È molto semplice, bastano un pezzo di scotch e della grafite. Utilizzando questi comuni oggetti Andre Geim e Kostya Novoselov sono riusciti per la prima volta nel 2004 a produrre un foglio di grafene in un laboratorio dell’Università di Manchester. A dire il vero il foglio era molto piccolo, delle dimensioni di pochi micron, ma quanto bastava per poterlo fissare su un supporto e cominciare a comprenderne le eccezionali proprietà. Per questo lavoro, nel 2010, ai due scienziati è stato conferito il premio Nobel per la fisica. In pratica, hanno applicato il nastro adesivo su un pezzo di grafite e lo hanno strappato via. Sul residuo rimasto appiccicato sullo scotch è stato ripetuto più volte il processo in modo da ottenere strati via via più sottili, fino ad arrivare a uno strato monoatomico, il grafene appunto. Si tratta di un metodo di “esfoliazione meccanica” resa possibile dal fatto che i singoli strati che compongono la grafite sono tenuti insieme da forze di legame deboli (le forze di Van der Waals). Ecco perché la grafite si sfalda facilmente e viene usata nelle matite: lo sfregamento della mina su una superficie rompe tali legami… lasciando il segno. Questo metodo è semplice ma poco utile per produrre grafene di dimensioni sufficienti a livello industriale. La ricerca in questo senso è molto attiva. Sono stati elaborati metodi che vanno dall’esfoliazione chimica con l’impiego di ultrasuoni alle tecniche di crescita tramite deposizione chimica.
CRONOLOGIA
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1985
2004
Sean O’Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto e James Heath scoprono il fullerene (per la scoperta Smalley, Kroto e Curl riceveranno il premio Nobel per la chimica nel 1996)
Andre Geim e Kostya Novoselov dell’Università di Manchester riescono a isolare per la prima volta un frammento di grafene (riceveranno il premio Nobel per la fisica nel 2010)
Quali sono le sue proprietà?
Dove potremo vederlo in futuro?
Le proprietà di un materiale dipendono dalla natura dei legami che tengono insieme gli atomi di cui è composto. Nella grafite, in ciascuno strato, ogni atomo di carbonio è legato con legami covalenti ad altri tre atomi disposti sullo stesso piano, con la tipica geometria determinata dall’ibridazione sp². Ogni atomo possiede un elettrone nell’orbitale p perpendicolare a tale piano che, non essendo impegnato in nessun legame covalente, è libero di muoversi. Questo è il motivo per cui la grafite è un buon conduttore elettrico. Nel grafene la situazione è del tutto analoga alla grafite ma, grazie alla particolare geometria bidimensionale, gli elettroni possono muoversi quasi senza subire perturbazioni conferendo a questo materiale una conducibilità elettrica superiore a qualsiasi altro conduttore. Inoltre, l’elevata forza dei legami covalenti che tengono insieme gli atomi di carbonio conferisce a un foglio di grafene una certa flessibilità (può subire uno stiramento fino al 20% delle sue dimensioni originali) e una resistenza superiore a quella dell’acciaio. Niente male considerando che si tratta del materiale più sottile che si conosca.
Può essere accoppiato a un foglio di plastica per realizzare touch-screen flessibili. Oltre alle sue eccellenti proprietà elettriche è praticamente trasparente alla luce visibile, all’infrarosso e all’ultravioletto.
Può essere impiegato per costruire supercondensatori in grado di accumulare energia elettrica in modo efficiente
Nella diagnostica per costruire sensori in grado di rivelare particolari sostanze
Con un inchiostro a base di grafene si possono stampare degli elettrodi
A Struttura degli atomi e delle molecole
Le sue proprietà lo rendono adatto per ideare celle solari più efficienti e flessibili
Per la sua leggerezza e resistenza si può incorporare nella struttura di un aereo
Una superficie delicata potrebbe essere protetta da un rivestimento di grafene
Perché si fa? I due progetti di ricerca maggiormente finanziati dall’Unione Europea si chiamano Human Brain Project, volto a comprendere e simulare il cervello umano, e Graphene Flagship. Entrambi sono partiti nel 2013 e hanno ricevuto 1 miliardo di euro da spendere in dieci anni. Perché proprio il grafene? Per le sue potenziali ricadute scientifiche, economiche e sociali. La scelta è particolarmente strategica perché il grafene potrebbe sostituire le cosiddette terre rare, metalli indispensabili per costruire gli strumenti elettronici che utilizziamo e che l’Europa deve importare soprattutto dalla Cina.
2013
2013
Novak Djokovic e Maria Sharapova provano la prima racchetta da tennis in grafene all’Australian Open
l’Unione Europea finanzia il progetto Flagship Graphene con 1 miliardo di euro
Praticando dei fori di opportune dimensioni si potrebbe utilizzare un foglio di grafene come setaccio molecolare per desalinizzare l’acqua o per molte altre applicazioni C’è chi sta lavorando per produrre una retina artificiale a base di grafene
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Grafene e nuovi materiali
Ricerca, condividi, comunica
COMPETENZE
DOMANDE E ATTIVITÀ Consolida le tue conoscenze
→ Il fullerene e i nanotubi di carbonio possono essere considerati come fogli di grafene avvolti in modo da assumere rispettivamente la forma di una sfera o di un cilindro. Perché? Tra queste forme allotropiche del carbonio che cosa cambia nel modo in cui sono legati gli atomi che determina strutture spaziali così diverse Si tratta dell’ibridazione degli orbitali atomici? → Gli scienziati hanno prodotto un nuovo materiale simile
al grafene che non è costituito da atomi di carbonio ma di silicio, l’elemento che si trova subito al di sotto nella tavola periodica. Realizza una ricerca che illustri le caratteristiche del “silicene”: struttura, proprietà e potenziali applicazioni. Confrontale con quelle del grafene ed evidenzia quella che, secondo te, è la principale differenza tra i due materiali. Puoi estendere la tua ricerca considerando anche altri elementi presenti nella tavola periodica nello stesso gruppo del carbonio e del silicio: può esistere un nuovo materiale analogo al grafene costituito da atomi di germanio o di stagno? Riesci a scoprire se qualche scienziato lo sta già studiando?
Cerca la loro collocazione nella tavola periodica degli elementi e la loro collocazione nei giacimenti minerari presenti sul pianeta. Evidenzia i problemi sociali, ambientali ed economici relativi all’estrazione, alla lavorazione e al loro commercio.
→ La realizzazione e l’impiego di prodotti a base di grafene sono destinati a modificare irreversibilmente le nostre vite. In bene o in male? I molteplici vantaggi potrebbero essere accompagnati da svantaggi? Per esempio, questo nuovo materiale può rappresentare un problema per nostra salute o per quella degli ecosistemi terrestri? → Cerca in Internet delle informazioni a tal proposito e prova a farti una tua idea sulla questione. Un consiglio: presta molta attenzione all’attendibilità delle fonti da cui prendi informazioni. Qual è il loro rigore scientifico? E i loro interessi in gioco? SCRIVERE DI SCIENZA
Metti in gioco le tue capacità di comunicazione
→ La ricerca scientifica e il progresso tecnologico hanno sempre modificato la società. Lo sanno bene gli scrittori di fantascienza che immaginano come sarà il futuro sulla base delle promesse o dei timori legati alle frontiere della scienza. Diventa uno di loro: scrivi un breve racconto di fantascienza ambientato in un futuro non troppo lontano in cui tutte o alcune delle potenziali applicazioni del grafene o dei nuovi materiali sono diventate realtà. Nel tuo mondo immaginario, come cambia la qualità della vita delle persone rispetto a oggi?
CLIL SCIENZA E SOCIETÀ
Rifletti sui limiti della scienza
→ Uno dei principali motivi per cui l’Europa sostiene la ricerca sul grafene sta nella potenziale capacità di questo nuovo materiale di sostituire le “terre rare” nella produzione di componenti elettronici. Perché? Quali sono le criticità legate a questi metalli?
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→ Graphene is only one atom thick and is composed of densely packed carbon atoms that are arranged in a six-sided honeycomb shape. Because graphene is thin and flexible, it could be integrated into “bionic” devices that would be implanted in living tissue. It is resistant to the salty ionic solutions inside living tissue, so bionic devices made of graphene could have long shelf lives, perhaps lasting a lifetime. This is in contrast to metallic parts that can corrode after a few years, possibly releasing toxic metals into the body. Also, because graphene conducts electrical signals, it can be connected with neurons, which also send weak electric signals from cell to cell. What potential uses could have these bionic devices?
VERSO L'ESAME Allenati alle prove di esame
PROBLEM SOLVING
A Struttura degli atomi e delle molecole 23
ScienceFactory
La chimica nell’attualità
Che cos’è la green chemistry? ■ Vincenzo Guarnieri
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i solito i cereali sono coltivati per diventare cibo. Ma possono anche diventare lubrificanti o sacchetti di plastica biodegradabile. Questo grazie all’impiego della “chimica verde” o, come viene anche definita, “sostenibile”. A livello internazionale viene chiamata green chemistry. Con questo termine si intende l’impiego – nella progettazione, sintesi e applicazione dei prodotti chimici – di una serie di principi volti a ridurre o eliminare l’uso o la generazione di sostanze dannose per la salute e l’ambiente. Detto in altri termini, la green chemistry è un diverso approccio alla chimica, finalizzato a minimizzare i danni che il suo impiego può arrecare alla salute e all’ambiente. Oltre a garantire una maggiore qualità dell’aria, dell’acqua, del cibo e dei prodotti di consumo, questo approccio può presentare benefici anche in termini economici. L’idea è stata chiarita e formalizzata verso la fine degli anni Ottanta del secolo scorso, anche se le sue origini sono più remote.
Dove può essere applicata?
Quali sono i suoi principi?
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Quali sono i principi su cui si basa la green chemistry? ■ Progettare le sintesi chimiche in modo da ottimizzare la resa e minimizzare la formazione di prodotti di scarto. A tal fine si possono utilizzare, per esempio, catalizzatori più efficienti e riutilizzabili. L’idea è che sia meglio ridurre gli sprechi e necessario bonificare i rifiuti. Giorno 0 Giorno 12 Giorno 33 Giorno 45 ■ Progettare le sintesi in modo da minimizzare l’impiego e la produzione di sostanze tossiche. ↑Le bioplastiche o biopolimeri sono materiali plastici ■ Evitare di impiegare solventi, additivi o condizioni di biodegradabili prodotti da fonti non rinnovabili (come reazione non sicuri. l’hydrolene, a base di alcol polivinilico proveniente dall’industria ■ Condurre reazioni a temperatura e pressione ambiente in petrolchimica) oppure materiali plastici prodotti a partire da modo da ridurre i consumi di energia. biomasse vegetali, quindi da fonti rinnovabili (come il Mater-Bi, ■ Impiegare materie prime rinnovabili (spesso prodotti che usa il mais, o il Solanyl, che usa le bucce delle patate). agricoli o scarti di lavorazione) piuttosto che provenienti da fonti fossili. ■ Privilegiare la sintesi di prodotti MATERIA PRIMA ←Al posto di utilizzare le chimici che si fonti fossili non rinnovabili, degradano in UTENTE FINALE la green chemistry TRASPORTO sostanze innocue punta a sintetizzare i dopo il loro biocombustibili in grado impiego. di far funzionare le centrali ■ Minimizzare CICLO DI VITA energetiche o i motori dei DEI BIOCARBURANTI il rischio di mezzi di trasporto a partire incidenti come dalle biomasse vegetali, DISTRIBUZIONE esplosioni o come colza, mais o residui incendi. organici provenienti dalle foreste oppure dai processi agroalimentari. BIORAFFINERIA CONVERSIONE
Quando nasce l’idea?
Presenta delle criticità? Un bene di consumo realizzato esclusivamente a partire da risorse rinnovabili con un processo chimico molto efficiente e “pulito” non è sempre detto che sia sostenibile. La velocità di sfruttamento delle risorse impiegate potrebbe essere superiore a quella di rigenerazione naturale. Oppure quelle risorse potrebbero servire anche per altri scopi, per esempio alimentari. Inoltre, l’applicazione dei principi della green chemistry può minimizzare l’impatto delle sostanze dannose per la salute e per l’ambiente, ma non necessariamente annullarlo. Per questa ragione è necessario associare questa nuova filosofia della chimica a una riduzione dei consumi.
←È possibile sostituire i fitofarmaci di sintesi impiegati in agricoltura con molecole ricavate dalle piante, dotate di minor tossicità. Per esempio, dal Chrysanthemum cineraefolium (nella foto) si estraggono le piretrine, sostanze antiparassitarie. ↑Piante ad alto contenuto di olio come il girasole e alcune brassicacee sono utili per la produzione dei biolubrificanti, sostanze impiegate nell’industria, da quella tessile a quella farmaceutica. →Oggi i coloranti impiegati nel settore tessile, agroalimentare e artistico sono prevalentemente sintetici. Grazie all’approccio della green chemistry si stanno ottimizzando i processi per produrre i coloranti a partire dal mondo vegetale: come si è fatto nel passato, ma con resa e qualità maggiori.
C Le reazioni chimiche in soluzione
Durante la grande crisi del ’29, Henry Ford cercava di realizzare alcune parti delle sue automobili a partire dalla soia. In quegli anni prese piede la chemiurgia, un approccio che prevede l’impiego di materie prime agricole o naturali per l’industria. Con l’avvento dell’industria petrolchimica nel secondo dopoguerra, l’idea fu accantonata, per poi essere ripresa in epoca più recente con la green chemistry. Per esempio, la gomma naturale si ottiene dal lattice ricavato dall’albero del Cahutchu (Hevea Brasiliensis). Durante la seconda guerra mondiale, gli americani, privati dell’accesso alle piantagioni, imparano a produrre la gomma per via sintetica ricavando le materie prime in un primo momento dall’agricoltura e, successivamente, dal petrolio. Oggi sono tornati “di moda” progetti volti a ricavare la gomma naturale dalle piante, come il guayule. Questo arbusto in grado di crescere nei climi temperati era già stato preso in considerazione anche dall’Italia negli anni Quaranta, e potrebbe fornire gomma a basso contenuto proteico (con proprietà anallergiche), adatta alla produzione di prodotti medicali.
↓Anche i detergenti e i cosmetici possono essere prodotti riducendo l’impiego di fonti fossili. Un rossetto può essere prodotto con paraffina, non derivante dall’industria petrolchimica ma estratta, per esempio, dalla paglia del grano. Per questo tipo di estrazione viene utilizzata la CO2 supercritica. I fluidi in stato supercritico, grazie alle loro proprietà analoghe sia ai liquidi che ai gas, vengono utilizzati come solventi al posto di quelli organici, potenzialmente più tossici.
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Che cos’è la green chemistry?
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COMPETENZE
DOMANDE E ATTIVITÀ Consolida le tue conoscenze
→ Uno dei campi di applicazione più interessanti della
green chemistry è la sintesi di farmaci attraverso processi più sostenibili di quelli tradizionali. Si cerca, per esempio, di catalizzare le reazioni coinvolte nel processo utilizzando gli enzimi. In questo caso di parla di biocatalizzatori: molecole complesse in grado di catalizzare quasi tutte le reazioni che avvengono nel nostro organismo e in quello di tutti gli altri esseri viventi. Quali sono i vantaggi dell’impiego di un catalizzatore nelle reazioni di sintesi di molecole utili, come i farmaci? Per quali ragioni l’impiego di biocatalizzatori come gli enzimi renderebbe più sostenibile la produzione dei farmaci? (Ricorda che nelle reazioni chimiche un ruolo fondamentale è giocato da fattori come il solvente, la temperatura e il pH).
momento storico in cui gli effetti antropici sullo stato di salute del pianeta non sono più trascurabili, i consumatori stanno diventando più attenti alle conseguenze socioambientali delle loro scelte e questi termini possono aiutarli a orientarsi nelle loro scelte. A volte, però, si sbandierano delle presunte qualità “green” soltanto per motivi di marketing. Riesci a identificare dei casi in cui questo fenomeno, definito green washing, è avvenuto nel caso specifico della chimica verde?
SCRIVERE DI SCIENZA
Metti in gioco le tue capacità di comunicazione
→Immagina di essere uno scienziato di un importante centro di ricerca che lavora seguendo i principi della green chemistry. Stai studiando la sintesi di una sostanza fondamentale per la società, che però richiede l’impiego di reagenti tossici e provoca gravi danni all’ambiente e alle persone che lavorano nell’impianto di produzione. Un giorno trovi finalmente le condizioni adatte a sintetizzare la stessa sostanza riducendo notevolmente gli effetti collaterali. Pubblichi i risultati della tua ricerca su una rivista scientifica prestigiosa e, in breve tempo, diventi famoso. A questo punto ti viene chiesto di scrivere un articolo per un importante quotidiano al fine di raccontare a tutti il tuo lavoro. Prova a scrivere davvero quell’articolo, tenendo presente che ti stai rivolgendo a un pubblico che non sempre conosce la chimica. La sostanza in questione può essere di tua fantasia, oppure puoi provare a cercarla nella vita reale. Storie simili a questa sono davvero accadute?
CLIL → Un “trucchetto” impiegato dai chimici per far avvenire alcune reazioni che altrimenti non potrebbero avvenire con facilità è la cosiddetta catalisi per trasferimento di fase. In sostanza si fa uso di molecole che sono in grado di favorire la migrazione di un reagente da una fase acquosa (polare) a un’altra organica (apolare) o viceversa. Svolgi una breve ricerca per comprendere per quale motivo questo tipo di catalisi può essere impiegata nella chimica verde. SCIENZA E SOCIETÀ
Rifletti sui limiti della scienza
→Sempre più spesso si utilizza il termine “green” per indicare un prodotto di mercato o, in genere, un’attività umana a basso impatto ambientale. Si parla di green energy, green chemistry e green economy, per esempio. In un 22
→ Green chemistry reduces pollution at its source by minimizing or eliminating the hazards of chemical feedstocks, reagents, solvents and products. This is unlike cleaning up pollution (also called remediation), which involves treating waste streams (end-of-the-pipe treatment) or cleanup of environmental spills and other releases. Remediation may include separating hazardous chemicals from other materials, then treating them so they are no longer hazardous or concentrating them for safe disposal. Most remediation activities do not involve green chemistry. Remediation removes hazardous materials from the environment; on the other hand, green chemistry keeps the hazardous materials out of the environment in the first place. Do you know a remediation activity that involves green chemistry?