Breve Lezione di Chimica - Il riempimento degli orbitali - Il principio dell’Aufbau

Successione degli orbitali in ordine crescente di energia:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f →5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p

Per inserire gli elettroni negli orbitali bisogna tener conto di alcune regole.

1. Un elettrone occupa l’orbitale disponibile a più bassa energia, quindi si comincia dall’orbitale 1s per poi proseguire in ordine crescente;
2. In un orbitale non possono esservi più di due elettroni e in tal caso come afferma il principio di esclusione di Pauli, essi devono essere appaiati e avere spin opposto, cioè antiparallelo.
3. Il principio di Hund afferma che in uno stesso sottolivello se vi sono più orbitali con la stessa energia, detti degeneri, gli elettroni tendono ad occupare il maggior numero di essi con la stessa direzione di spin. In questo modo si ottiene il massimo della stabilità.

Con l’aiuto di un diagramma della sequenza di riempimento degli orbitali come quello sopra e con le regole definite nel paragrafo precedente, possiamo ottenere la configurazione elettronica degli elementi.

Breve Lezione di Biologia - Il brodo primordiale - Esperimento di Miller-Urey sull'origine delle Biomolecole

Il brodo primordiale, noto anche come brodo prebiotico, è un ipotetico ambiente ancestrale nel quale, si pensa, possano essere avvenuti gli eventi chimico-fisici che avrebbero poi dato origine alla vita sulla terra. Dal punto di vista chimico, il brodo primordiale altro non sarebbe che una miscela acquosa di sali inorganici e vari composti chimici semplici a base di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, sia di natura organica (idrocarburi, amminoacidi, acidi carbossilici, brevi polimeri) che inorganica (ammoniaca, anidride carbonica).

Prima della comparsa della vita, l'atmosfera terrestre era prevalentemente costituita da azoto, anidride carbonica, vapore acqueo e pochi altri gas, mentre l'idrosfera era caratterizzata quasi esclusivamente da acqua allo stato liquido, considerando le elevate temperature del "giovane" pianeta terra. Sotto l'azione di fonti di energia libera quali i raggi ultravioletti solari e le scariche elettriche dei primi temporali, i gas atmosferici e le sostanze presenti negli oceani avrebbero dato luogo ad una serie di reazioni chimiche con la conseguente formazione delle prime molecole complesse. Tali molecole si sarebbero quindi accumulate in grande quantità negli oceani, dal momento che l'assenza di ossigeno e di qualsiasi organismo in grado di metabolizzarle ne limitava significativamente il degrado (attualmente, un terreno di coltura con le caratteristiche del brodo primordiale, abbandonato in natura, verrebbe rapidamente ossidato e metabolizzato). In questo ambiente ancestrale, con dinamiche ancora oggi non del tutto chiare, si sarebbero formati i primi agglomerati di molecole organiche abbastanza complessi da poter essere definiti cellule.

L'esperimento di Miller-Urey rappresenta la prima dimostrazione che le molecole organiche si possono formare spontaneamente, nelle giuste condizioni ambientali, a partire da sostanze inorganiche più semplici. L'esperimento portò di fatto alla formazione di una miscela organica aventi le caratteristiche chimiche del "brodo primordiale". L'esperimento fu condotto nel 1953 da Stanley Miller e dal suo docente, Harold Urey, per dimostrare la teoria di Oparin e Haldane, i quali ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche conducenti alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganiche.

Energia di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività

Andamento dell’energia di ionizzazione, dell’affinità elettronica e dell’elettronegatività 

L’energia di ionizzazione è l'energia necessaria per sottrarre il primo elettrone (il più esterno) da un atomo, varia in maniera opposta rispetto al variare del raggio atomico. Essa aumenta lungo un periodo andando da sinistra verso destra e diminuisce lungo un gruppo dall’alto al basso. Se procediamo da sinistra verso destra in un periodo notiamo che aumenta la carica del nucleo, gli elettroni saranno attratti con una forza maggiore e di conseguenza sarà necessaria più energia per rimuoverli.  Andando dall’alto verso il basso in un gruppo aumentano le dimensioni degli atomi e sarà più facile rimuovere un elettrone.

Per affinità elettronica si intende la quantità di energia che serve ad un atomo neutro per acquistare un elettrone. Come per l’energia di ionizzazione, essa aumenta procedendo da sinistra a destra lungo un periodo e diminuisce scendendo lungo un gruppo dall’alto verso il basso. L’elettrone acquistato si dispone nel livello energetico più esterno, quindi lungo un gruppo allontanandosi dal nucleo risulta meno attratto, invece lungo un periodo aumentando la carica nucleare sarà più attratto.

L’elettronegatività indica la forza con cui un atomo tiene legati a sé gli elettroni dello strato esterno, più alto è il valore dell’elettronegatività, più l’atomo  tiene legati a sé i suoi elettroni, come per l’energia di ionizzazione e per l’affinità elettronica essa diminuisce lungo un gruppo e cresce lungo un periodo.

Breve Lezione di Chimica - La Valenza ed il Numero di Ossidazione. Una introduzione

Metano modello molecolare - Nero Carbonio elettronegatività 2,55 - Bianco Idrogeno elettronegatività 2,20

La Valenza indica la capacità che hanno gli atomi di combinarsi con altri atomi appartenenti allo stesso elemento chimico o a elementi chimici differenti (legame chimico). In particolare la Valenza esprime il numero di atomi di idrogeno che si legano all'elemento nel suo composto binario.

Quindi nel composto HF (acido Fluoridrico) il Fluoro ha valenza 1.

Nel composto NaH (Idruro di Sodio) il Sodio ha valenza 1.

Acqua modello molecolare - Rosso Ossigeno elettronegatività 3,44 . Bianco Idrogeno elettronegatività 2,20

Nel composto H2O (acqua) l'Ossigeno ha valenza 2.

Nel composto CH4 (Metano) il Carbonio ha valenza 4.


Se abbiniamo alla Valenza l'Elettronegatività dei singoli atomi che formano questi composti e attribuiamo il segno meno agli atomi più elettronegativi ed il segno più a quelli meno elettronegativi in ogni singolo composto otteniamo il numero di ossidazione (n.o.).
Si ricorda che l'Elettronegatività è la capacità di un atomo di attrarre elettroni ed ha un valore massimo di 4 (Fluoro).

Quindi nel composto HF il Fluoro avrà numero di ossidazione n.o. -1 e l'Idrogeno n.o. +1.

Nel composto NaH il Sodio avrà n.o. +1 e l'Idrogeno n.o. -1

Nel composto H2O l'Idrogeno avrà n.o. +1 e l'Ossigeno n.o. -2

Nel composto CH4 l'Idrogeno avrà n.o. +1 ed il Carbonio n.o. -4
Importante notare che in ogni composto la somma dei numeri di ossidazione è uguale a zero.
Nei composti Ionici la somma dei numeri di ossidazione deve essere uguale alla carica degli stessi.

La configurazione elettronica di un atomo- Tutorial

Scrivere una configurazione elettronica significa rappresentare la disposizione degli elettroni negli orbitali di un atomo. Ecco i passaggi principali per farlo:

1. Trova il numero atomico: Il numero atomico di un elemento indica il numero di protoni e, in un atomo neutro, anche il numero di elettroni. Ad esempio, il numero atomico del carbonio è 6, quindi ha 6 elettroni.
2. Segui l’ordine di riempimento degli orbitali: Gli elettroni riempiono gli orbitali in un ordine specifico, che può essere ricordato usando la regola della diagonale. L’ordine è il seguente: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.
3. Scrivi la configurazione elettronica: Usa la notazione con i numeri quantici principali e secondari. Ad esempio, per il carbonio (6 elettroni), la configurazione elettronica è 1s² 2s² 2p².
4. Applica i principi di esclusione di Pauli e di Hund: Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni con spin opposto (principio di esclusione di Pauli). 
5. Quando si riempiono orbitali degeneri (stesso livello energetico), si colloca un elettrone in ciascun orbitale prima di completare gli orbitali semipieni (regola di Hund).

Nel video c’è una dimostrazione molto semplice di come fare una configurazione elettronica di un elemento chimico.

Silicio Si - Elemento - Peso atomico 28,06, Numero atomico 14

Silicio - Si presenta grigio scuro con riflessi bluastri

Il silicio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Si con valenza 2,4,6 e come numero atomico il 14. Un semiconduttore tetravalente, il silicio è meno reattivo del suo analogo chimico, il carbonio. È il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre dopo l'ossigeno, componendone il 27,7% del peso. Si trova in argilla, feldspato, granito e quarzo, principalmente in forma dibiossido di silicio, silicati e alluminosilicati (composti contenenti silicio, ossigeno e metalli). Il silicio è il componente principale di vetro, cemento, ceramica e silicone.

Nella sua forma cristallina, il silicio ha un colore grigio e una lucidità metallica. Anche se è un elemento relativamente inerte, reagisce con gli alogeni e gli alcali diluiti, ma la maggior parte degli acidi (eccetto l'acido fluoridrico) non lo intaccano.
Il silicio trasmette più del 95% di tutte le lunghezze d'onda della luce infrarossa.
Il silicio è alla base di tutti i silicati, minerali formati da silicio e ossigeno più altri elementi in forma ionica. I silicati sono contenuti nei magmi e, per la struttura tetraedrica della silice, il magma diventa più viscoso, e capace di trattenere maggiori quantità di gas. In base al contenuto di silice si determina l'acidità di un magma e delle rocce dal quale deriva. Se è poco presente il magma si dirà basico.

Quarzo - Località : La Gardette mine, Bourg d'Oisans, Isère France - Size 13 x 13 cm

Il silicio è il principale componente degli aeroliti, che sono una classe di meteoroidi nonché della tectite, che è una forma naturale di vetro.
Calcolando in base al peso, il silicio compone il 27,7% della crosta terrestre e dopo l'ossigeno è il secondo elemento più abbondante sul pianeta. Il silicio elementare non si trova in natura, appare in genere come ossido (ametista, agata, quarzo, rocce cristalline, selce, diaspro, opale) e silicati (granito, amianto,feldspato, argilla, hornblenda, mica e altri).
Il silicio viene preparato commercialmente tramite riscaldamento di silice ad elevato grado di purezza, in una fornace elettrica usando elettrodi di carbonio. A temperature superiori a 1 900 °C, il carbonio riduce la silice in silicio secondo l'equazione chimica

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Il silicio liquido si raccoglie in fondo alla fornace, e viene quindi prelevato e raffreddato. Il silicio prodotto tramite questo processo viene chiamato silicio di grado metallurgico (MGS) ed è puro al 98%. Un eccesso di carbonio può portare alla formazione del carburo di silicio

SiO2 + C → SiO + CO

SiO + 2C → SiC + CO

Comunque, se la concentrazione di SiO2 è mantenuta elevata, il carburo di silicio può essere eliminato

2SiO2 + SiC → 3Si + 2CO

Per raggiungere gradi di purezza superiori necessari ad esempio per realizzare dispositivi elettronici a semiconduttore, è necessario praticare un ulteriore purificazione ad esempio con il metodo Siemens. Nel marzo del 2012 il silicio di grado metallurgico costava circa 2,19 €/kg.
Per saperne di più sul Silicio comincia da qui.

Calcio Ca - Elemento chimico

Calcio metallico in atmosfera di Argon

Il calcio è l'elemento chimico di numero atomico 20. Il suo simbolo è Ca. Il calcio è un metallo alcalino terroso, tenero, grigio, usato come agente riducente nell'estrazione mineraria di torio, uranio e zirconio. È il quinto elemento in ordine di abbondanza nella crosta terrestre ed è essenziale per tutta la vita sulla Terra.

Il calcio è il quinto elemento per abbondanza nella crosta terrestre (di cui costituisce il 3%) ed è parte essenziale di foglie, ossa, denti e gusci di conchiglie. A causa della sua reattività chimica con l'acqua, il calcio puro non è reperibile in natura, tranne che in alcuni organismi viventi dove lo ione Ca²⁺ gioca un ruolo chiave nella fisiologia cellulare. Questo elemento metallico si trova in grandi quantità nel calcare, nel gesso e nella fluorite, tutte rocce di cui è un componente fondamentale. L'apatite è fluorofosfato o clorofosfato di calcio. L'elettrolisi del cloruro di calcio fuso (CaCl2) può essere usata per ottenere calcio puro metallico secondo le seguenti reazioni:

catodo: Ca²⁺ + 2e⁻ → Ca

anodo: Cl⁻ → ½ Cl₂ (gas) + e⁻

Per saperne di più inizia da qui: Calcio

Chimica - Infografica - Purines & Pyrimidines

Chimica - Gli elementi - Idrogeno H

L'Idrogeno è il primo degli elementi chimici, ha simbolo H e peso atomico 1,008.

Dell'Idrogeno sono noti tre isotopi (si chiamano isotopi gli elementi che hanno lo stesso numero di protoni e un numero diverso di neutroni). Il più comune è il Prozio il cui nucleo ha un solo protone. Segue il Deuterio, al nucleo ha un protone e un neutrone e il Trizio, che ha un protone e due neutroni.

Gli isotopi dell'idrogeno più diffusi; da sinistra a destra: prozio, deuterio e trizio.

L'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'universo osservabile. È presente nell'acqua (11,19%) e in tutti i composti organici e organismi viventi. Forma composti con la maggior parte degli elementi, spesso anche per sintesi diretta.

A pressione atmosferica e a temperatura ambiente (298 K), l'idrogeno si trova sotto forma di un gas biatomico avente formula H2. Tale gas è incolore, inodore, insapore ed altamente infiammabile, con un punto di ebollizione di soli 20,27 K e un punto di fusione di 14,02 K. Si ricorda che 0°K sono uguali a circa 273°C.

Le stelle sono principalmente composte di idrogeno nello stato di plasma di cui rappresenta il combustibile delle reazioni termonucleari, mentre sulla Terra è scarsamente presente allo stato libero e molecolare e deve quindi essere prodotto per i suoi vari usi. In particolare è usato nella produzione di ammoniaca, nell'idrogenazione degli oli vegetali, in aeronautica (in passato nei dirigibili), come combustibile alternativo e, di recente, come riserva di energia nelle pile a combustibile. Inoltre è occluso in alcune rocce, come il granito.

La molecola dell’idrogeno è biatomica H2; le molecole sono molto stabili e soltanto a temperatura elevata si dissociano parzialmente in atomi; tale dissociazione si realizza facendo passare un getto di idrogeno nell’arco elettrico fra due elettrodi di tungsteno; gli atomi così liberati si ricombinano quasi subito, specialmente in contatto con superfici metalliche; nella zona prossima all’arco si raggiungono temperature molto elevate per l’elevato calore di ricombinazione degli atomi in molecole (430,7 kJ/mol).

L’idrogeno si combina direttamente con gli alogeni, con lo zolfo, con il selenio, con l’azoto, con il carbonio; con l’ossigeno si combina a formare acqua secondo la reazione esotermica

2H2+O2 ⇄ 2H2O

La reazione avviene lentamente sotto 550 °C, ma con andamento esplosivo a temperatura più elevata (da qui il nome di miscela tonante per la miscela ossigeno-idrogeno). Con i metalli alcalini e alcalino-terrosi e con alcune terre rare l’idrogeno forma idruri salini; con diversi elementi di transizione forma vere e proprie leghe. L’idrogeno è un energico riducente (riduce a metallo diversi ossidi e tanto più facilmente quanto minore è il loro calore di formazione).

Per saperne di più cominciate da qui.
Tavola Periodica degli elementi, anche interattiva, stampabile e scaricabile.

La mole e volume molare - Definizione - Chimica

Un campione di materia, anche piccolo, contiene un gran numero di particelle (atomi, molecole, ioni). Per poter confrontare le quantità di sostanze differenti si deve utilizzare un’unità che indichi un numero molto alto di particelle, questa unità è la mole che può essere usata non solo per gli atomi ma anche per molecole, elettroni e ioni.
Nel Sistema Internazionale di misura essa rappresenta l’unità di sostanza e viene indicata col simbolo mol (n), la definizione è la seguente: la mole è la quantità di sostanza contenente tante particelle
elementari quanti sono gli atomi che si trovano in 12,0 grammi di carbonio-12.
È importante specificare sempre a quale entità si fa riferimento: atomi, ioni, molecole, ecc. Se l’entità non viene specificata vuol dire che si fa riferimento ad una mole di molecole.
La mole contiene un numero noto di particelle elementari, 6,023×10 alla 23 detto numero di Avogadro in onore dello scienziato italiano Amedeo Avogadro.
Nel SI (Sistema Internazionale) la massa molare di una sostanza è una quantità espressa in grammi/mol che è numericamente uguale alla massa molecolare o atomica della sostanza considerata.

Strettamente collegato al concetto di mole è quello di volume molare per il quale: una mole di un qualsiasi gas, in condizioni standard (STP), alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm, occupa il volume di 22,4 litri, detto volume molare.
Standard Temperature and Pressure  cioè STP equivalgono a 0°C di temperatura e 1 atm di pressione.
Ad esempio, una mole di acqua ha massa 18 grammi e contiene 6,02×10 alla 23 molecole di acqua; una mole di metano pesa 16,043 grammi e contiene  6,02×10 alla 23 molecole,  una  mole  di C-12 pesa 12g e contiene 6,02×10 alla 23 atomi di C-12.
Si dovrebbe pensare alla mole non come ad un peso ma come un insieme di particelle, così come si pensa ad un paio, ad una dozzina, un centinaio.

Scienze - Simulatore Interattivo - Le Proprietà dei Gas

Chimica - Tavola Periodica degli Elementi (Interattiva, Scaricabile e stampabile)

Questo è il primo post di una lunga serie (mi auguro) riguardante gli elementi chimici, la loro ricerca e l'uso che ne fa l'uomo. I miei testi spesso, anzi, quasi sempre sono tratti da risorse disponibili su internet. Il mio compito molto spesso è quello di trovare un semplice testo, senza paroloni scientifici e comprensibile da tutti. Non mi reputo uno scienziato ne quanto meno un divulgatore scientifico. Quindi se trovate qualche inesattezza o trovate di meglio non esitate a contattarmi nelle mie pagine facebook o nel gruppo geologia. Grazie per l'attenzione e scusate questa lunga introduzione.

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Nella moderna tavola periodica degli elementi, a differenza di quanto previsto nella tavola periodica di Mendeleev, gli elementi chimici sono ordinati in base al numero atomico crescente.

La caratteristica fondamentale di questa tabella è la periodica distribuzione degli elettroni nel livello più esterno. Per esempio, se confrontiamo le configurazioni elettroniche di litio, sodio e potassio, notiamo che tutte quante hanno un solo elettrone nel livello più esterno (sottolivello s). Analogamente, confrontando le configurazioni elettroniche dei gas nobili notiamo che tutte quante terminano nello stesso identico modo (s2p6).

Pertanto, gli elementi della stessa colonna (gruppo) hanno configurazione elettronica esterna simile e ciò comporta la somiglianza delle proprietà chimiche e delle proprietà fisiche di questi elementi.

La periodicità della tavola degli elementi è quindi dovuta alla struttura elettronica più esterna degli elementi. Gli elettroni presenti nell'ultimo livello di energia sono chiamati elettroni di valenza.

Per saperne di più: Chimica on Line
Una bella tavola periodica interattiva si trova a questo link: Tavola periodica

Scienze della Terra - Unità di misura nel Sistema Internazionale (S.I.) - Il Metro

La barra di platino-iridio utilizzata come campione del metro dal 1889 al 1960

Il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo (assumendo che la velocità della luce nel vuoto è per definizione 299 792 458 m/s

I multipli ed i sottomultipli del metro sono riportati nella tabella seguente:

Multipli e Sottomultipli del Metro (Sistema Internazionale - SI)

Nella tabella sotto troviamo le sette grandezze fisiche fondamentali del Sistema Internazionale (S.I.)

Per saperne di più sul Metro.

Chimica - Video - Il benzene e le regole di nomenclatura IUPAC - Gli areni [720p]

Modello 3D Cross-Eyed del benzene.
Per una corretta visualizzazione, incrociare lo sguardo fino a sovrapporre i due punti rossi.

Chimica - Infografica - La Chimica del Peperoncino

Chimica - Infografica - Il pH - Mappa Concettuale

Chimica - Infografica - La chimica del Sistema Solare - L'Atmosfera dei Pianeti

Chimica - Video - Il legame di valenza - L'orientamento dei legami e la struttura delle molecole

Chimica - Video - Livelli energetici dell'atomo di idrogeno - parte 1 e parte 2 (Cristian Manzoni)

Il brodo primordiale

Il brodo primordiale, noto anche come brodo prebiotico, è un ipotetico ambiente ancestrale nel quale, si pensa, possano essere avvenuti gli eventi chimico-fisici che avrebbero poi dato origine alla vita sulla terra. Dal punto di vista chimico, il brodo primordiale altro non sarebbe che una miscela acquosa di sali inorganici e vari composti chimici semplici a base di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto, sia di natura organica (idrocarburi, amminoacidi, acidi carbossilici, brevi polimeri) che inorganica (ammoniaca, anidride carbonica).

Prima della comparsa della vita, l'atmosfera terrestre era prevalentemente costituita da azoto, anidride carbonica, vapore acqueo e pochi altri gas, mentre l'idrosfera era caratterizzata quasi esclusivamente da acqua allo stato liquido, considerando le elevate temperature del "giovane" pianeta terra. Sotto l'azione di fonti di energia libera quali i raggi ultravioletti solari e le scariche elettriche dei primi temporali, i gas atmosferici e le sostanze presenti negli oceani avrebbero dato luogo ad una serie di reazioni chimiche con la conseguente formazione delle prime molecole complesse. Tali molecole si sarebbero quindi accumulate in grande quantità negli oceani, dal momento che l'assenza di ossigeno e di qualsiasi organismo in grado di metabolizzarle ne limitava significativamente il degrado (attualmente, un terreno di coltura con le caratteristiche del brodo primordiale, abbandonato in natura, verrebbe rapidamente ossidato e metabolizzato). In questo ambiente ancestrale, con dinamiche ancora oggi non del tutto chiare, si sarebbero formati i primi agglomerati di molecole organiche abbastanza complessi da poter essere definiti cellule.

L'esperimento di Miller-Urey rappresenta la prima dimostrazione che le molecole organiche si possono formare spontaneamente, nelle giuste condizioni ambientali, a partire da sostanze inorganiche più semplici. L'esperimento portò di fatto alla formazione di una miscela organica aventi le caratteristiche chimiche del "brodo primordiale". L'esperimento fu condotto nel 1953 da Stanley Miller e dal suo docente, Harold Urey, per dimostrare la teoria di Oparin e Haldane, i quali ipotizzavano che le condizioni della Terra primordiale avessero favorito reazioni chimiche conducenti alla formazione di composti organici a partire da componenti inorganiche.