Dalla materia agli atomi: struttura atomica e configurazione elettronica

Flashcard di vocabolario sui concetti fondamentali di chimica generale: teoria atomica di Dalton, particelle subatomiche, isotopi, spettri atomici, modelli di Bohr e quanto-meccanico, numeri quantici e regole di configurazione elettronica.

Elemento chimico

Sostanza pura formata da atomi dello stesso tipo che non può essere decomposta in sostanze più semplici, contraddistinta da un simbolo chimico costituito da una singola lettera maiuscola o da due lettere (la prima maiuscola e la seconda minuscola).

Composto chimico

Sostanza pura costituita da atomi di elementi diversi combinati in proporzioni costanti e uniti fortemente tra loro, scindibile unicamente mediante reazioni di decomposizione e descritta da una formula chimica.

Teoria atomica di Dalton

Modello scientifico basato su cinque postulati: la materia è fatta di atomi indivisibili e indistruttibili; gli atomi di un dato elemento hanno massa identica; gli atomi di elementi diversi hanno masse diverse e non si convertono gli uni negli altri; nei composti gli atomi si legano in proporzioni espresse da numeri interi; gli atomi prendono parte interi alle reazioni chimiche.

Nucleoni

Termine collettivo che identifica le particelle subatomiche pesanti, ossia protoni e neutroni, che risiedono stabilmente nel nucleo centrale dell'atomo.

Protone

Particella subatomica che compone il nucleo atomico, dotata di carica elettrica positiva pari a $+1$ e massa pari a circa $10^{-24}\,\text{g}$.

Neutrone

Particella subatomica priva di carica elettrica ($0$) presente nel nucleo atomico, caratterizzata da una massa di circa $10^{-24}\,\text{g}$.

Elettrone

Particella subatomica indivisibile con carica elettrica negativa pari a $-1$ e massa circa $2000$ volte più piccola di quella di protoni o neutroni, che ruota a velocità elevatissima attorno al nucleo formando una nube elettronica.

Numero atomico ($Z$)

Grandezza che esprime il numero di protoni presenti nel nucleo atomico; in un atomo neutro equivale al numero di elettroni e definisce l'identità chimica dell'elemento.

Numero di massa ($A$)

Valore che corrisponde al numero totale di nucleoni (somma di protoni e neutroni) che compongono il nucleo dell'atomo ($A = \text{protoni} + \text{neutroni}$).

Isotopi

Atomi che presentano il medesimo numero atomico ($Z$) ma differente numero di massa ($A$), poiché possiedono un diverso numero di neutroni; condividono le stesse proprietà chimiche ma mostrano masse differenti.

Isotopi dell'idrogeno

Le tre forme isotopiche dell'elemento idrogeno: il pròzio ($^1_1\text{H}$, senza neutroni), il deuterio ($^2_1\text{H}$, con un neutrone) e il trizio ($^3_1\text{H}$, con due neutroni).

Frequenza ($\nu$)

Parametro delle onde che indica il numero di oscillazioni complete eseguite in un secondo, misurato in hertz ($\text{Hz}$ o $\text{s}^{-1}$).

Lunghezza d'onda ($\lambda$)

Distanza dopo la quale un'onda si riproduce uguale a se stessa, misurata in metri ($\text{m}$) ed inversamente proporzionale alla frequenza.

Velocità della luce ($c$)

Velocità di propagazione delle radiazioni elettromagnetiche nel vuoto, il cui valore è pari a circa $3{,}00 \times 10^8\,\text{m/s}$, legata alla relazione $c = \lambda \cdot \nu$.

Spettro del visibile

Porzione ristretta dello spettro elettromagnetico percepibile dall'occhio umano, caratterizzata da radiazioni aventi lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra $400\,\text{nm}$ e $700\,\text{nm}$.

Fotone

Quanto fondamentale di radiazione elettromagnetica («pacchetto di energia») capace di cedere energia agli elettroni, la cui quantità energetica è calcolabile tramite la formula $E = h \cdot \nu$.

Costante di Planck ($h$)

Costante fisica fondamentale che quantifica la proporzionalità diretta tra la frequenza di un'onda elettromagnetica e l'energia del fotone associato, con un valore di $6{,}63 \times 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s}$.

Orbite stazionarie

Traiettorie circolari permesse all'elettrone secondo il modello di Bohr per l'atomo di idrogeno (1913), percorrendo le quali l'elettrone non assorbe né emette energia, garantendo la stabilità dell'atomo.

Stato fondamentale

Condizione atomica di minima energia in cui ciascun elettrone occupa il livello energetico quantizzato più basso consentito ($n = 1$ per l'atomo di idrogeno).

Stato eccitato

Condizione in cui un elettrone, dopo aver assorbito una quantità definita di energia per riscaldamento o scarica elettrica, compie un salto quantico stabilendosi temporaneamente su un livello di energia superiore a quello fondamentale.

Regola della capienza elettronica massima ($2 \times n^2$)

Relazione quantitativa che stabilisce il numero massimo di elettroni che possono essere ospitati in un livello energetico principale $n$ (per $n = 1$ massimo 2 elettroni; per $n = 2$ massimo 8; per $n = 3$ massimo 18; per $n = 4$ massimo 32).

Energia di prima ionizzazione ($E_i$)

Energia minima necessaria per allontanare l'elettrone più esterno da un atomo isolato allo stato gassoso, secondo la reazione schematizzata come $A_{(g)} + \text{energia} \rightarrow A^+_{(g)} + e^-$.

Onda di materia (Relazione di de Broglie)

Comportamento ondulatorio associato a una particella materiale in movimento teorizzato nel 1924, la cui lunghezza d'onda si esprime mediante la formula $\lambda = \frac{h}{m \cdot v}$.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

Principio enunciato nel 1927 secondo cui risulta impossibile conoscere simultaneamente e con precisione assoluta la posizione esatta e la velocità con cui si sta muovendo un elettrone, superando il concetto di orbita definita.

Orbitale atomico

Espressione matematica derivata dall'equazione d'onda di Schrödinger che consente di determinare l'energia dell'elettrone e di quantificare la probabilità di localizzarlo nello spazio circostante il nucleo.

Numero quantico principale ($n$)

Numero quantico che definisce il contenuto energetico complessivo del livello e la dimensione dell'orbitale, assumendo valori interi compresi tra $1$ e $7$.

Numero quantico secondario ($l$)

Numero quantico che specifica il sottolivello energetico ($s, p, d, f$) e determina la forma geometrica dell'orbitale, assumendo valori interi compresi nell'intervallo tra $0$ e $n - 1$.

Numero quantico magnetico ($m$)

Numero quantico che stabilisce l'orientazione nello spazio dell'orbitale e il suo comportamento in presenza di un campo magnetico esterno, assumendo tutti i valori interi tra $-l$ e $+l$.

Numero quantico di spin ($m_s$)

Quarto numero quantico riferito alla singola particella che specifica il senso di rotazione orario o antiorario dell'elettrone attorno al proprio asse, potendo assumere esclusivamente i valori $+\frac{1}{2}$ e $-\frac{1}{2}$.

Orbitali $p$ ($p_x, p_y, p_z$)

Terna di orbitali bilobati mutuamente perpendicolari orientati lungo le tre direzioni cartesiane dello spazio, associati al numero quantico secondario $l = 1$ e ai valori magnetici $m = -1, 0, +1$.

Orbitali $d$

Gruppo di cinque orbitali atomici a quattro lobi (e lobo centrale con anello toroidale) associati al valore quantico secondario $l = 2$, indicati rispettivamente come $d_{xy}$, $d_{yz}$, $d_{zx}$, $d_{x^2-y^2}$ e $d_{z^2}$.

Principio di esclusione di Pauli

Regola quantistica formulata nel 1925 la quale stabilisce che all'interno di un atomo non possono sussistere due elettroni aventi la medesima quaterna di numeri quantici; di conseguenza, ciascun orbitale può accogliere al massimo due elettroni a patto che presentino spin antiparalleli.

Regola di Hund (della massima molteplicità)

Criterio di distribuzione elettronica secondo cui, in presenza di orbitali degeneri (aventi identica energia), gli elettroni occupano singolarmente il maggior numero di essi con spin paralleli prima di procedere con l'appaiamento.

Principio di Aufbau

Procedimento di riempimento progressivo in base al quale gli elettroni si dispongono negli orbitali atomici partendo da quelli a più basso contenuto energetico disponibile prima di occupare i sottolivelli ad energia superiore.