L’elettronegatività

27 04 2012

     Quando si forma un legame chimico tra due o più atomi ci può essere un trasferimento di elettroni da uno di essi ad un altro oppure una condivisione di elettroni. Quando uno o più coppie elettroniche vengono condivise, questi ultimi generalmente si muovono in una regione di spazio compresa tra i nuclei dei corrispondenti atomi. In alcuni casi distribuiscono equamente il loro tempo tra i due nuclei, mantenendosi anche equidistanti tra di loro. È il caso degli elettroni di legame delle molecole diatomiche (H2, O2, Cl2, Br2, N2, F2, I2,): si tratta di molecole per le quali si può far passare un piano di simmetria tra i due nuclei. Si parla di legame covalente puro, tipico dell’unione di due atomi identici. In altri casi invece le coppie elettroniche non sono rigorosamente condivise tra i due atomi ma sono spostate in modo poco o molto accentuato verso uno dei due atom. Questo capita quando i due atomi sono diversi e tra loro c’è una differente tendenza ad attrarre elettroni. Gli elettroni condivisi passano gran parte del loro tempo in prossimità del nucleo dell’atomo “più attrattivo”. Il risultato è una molecola che non presenta un piano di simmetria tra i due nuclei. Si parla di legame covalente polare. Maggiore è la differenza di attrazione, più polare sarà il legame. Ma c’è un limite. Quando viene superato, la differenza di attrazione verso gli elettroni condivisi tra i due atomi diventa tale che un atomo cede l’elettrone e l’altro lo acquista, si ha il legame ionico.

     Questa tendenza ad attrarre più o meno fortemente gli elettroni durante un legame chimico è stata definita elettronegatività. Il modo più diffuso per rappresentare l’elettronegatività è la scala di Linus Carl Pauling (1901-1994) che si basa sulle energie di dissociazione di legame. Considerando solo alcuni elementi più elettronegativi, si hanno i seguenti valori: Fluoro 4,0; ossigeno 3,5; azoto 3,0; cloro 3,0; bromo 2,8; zolfo 2,5; carbonio 2,5; iodio 2,4. Notare le loro posizioni sulla tavola periodica. Tra gli elementi meno elettronegativi invece: cesio 0,7; rubidio 0,8; potassio 0,8; bario 0,9; sodio 0,9; stronzio 1,0; calcio 1,0; litio 1,0. In questo caso si nota che sono dalla parte opposta della tavola rispetto a quelli maggiormente elettronegativi, sono metalli alcalini o alcalino-terrosi. Osservando la prima immagine si ha un quadro d’insieme delle elettronegatività.

     Ma l’elettronegatività può anche essere espressa nella scala di Robert Sanderson Mulliken (1896-1986) in cui viene calcolata con la formula E=(I+A)/2, dove I ed A sono rispettivamente il potenziale di ionizzazione e l’affinità elettronica dell’elemento. Non è altro che la media aritmetica tra il potenziale di ionizzazione e l’affinità elettronica.

     In generale, quando la differenza di elettronegatività tra i due atomi del legame è zero o vicina allo zero, avremo un legame covalente puro. Se questa differenza è superiore al valore di 1,7-1,8 e perciò sono nettamente diverse, il legame sarà ionico, nei casi intermedi il legame è covalente polare. Nelle molecole con legame polare, il baricentro delle cariche positive non coincide con quello delle cariche negative e la molecola stessa si comporta come un dipolo elettrico, cioè contiene zone di carica opposta indicate con i simboli  d+ e  d -.

Bisogna ricordare che i legami polari non sempre originano molecole polari, questo dipende dalla geometria della molecola.

La prima immagine mostra come varia il valore dell’elettronegatività nella tavola periodica. L’altra  indica che il legame ionico e quello covalente puro sono due casi limite e nel mezzo stanno i legami covalenti polari.

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I pericoli della chimica a tavola

20 04 2012

       Diffido sempre della frutta che non si può sbucciare. È il periodo delle fragole ma ne mangio raramente, proprio perché i trattamenti chimici che vengono fatti contro i parassiti e la muffa mi danno l’idea di persistere anche quando il prodotto arriva sulle nostre tavole. Eppure se le coltivazioni sono rigorose e i periodi dei trattamenti sono rispettati, per la raccolta e la commercializzazione, non dovrebbero esserci pericoli per i consumatori. Ma le fragole, come le ciliegie che matureranno tra un mese, mi rendono più sospettoso rispetto al consumo di mele, pere e agrumi che possono essere sbucciati.

     I  fitofarmaci si utilizzano molto anche per questi ultimi, ma si ha l’impressione di poterne eliminare una parte insieme alla buccia. Nei decenni passati c’è stato sicuramente un abuso di prodotti nei frutteti e negli orti. Ho verificato direttamente invece che in molti casi i produttori trattavano diversamente ortaggi e frutta destinati al loro consumo personale e familiare rispetto a quelli destinati alla vendita. Sapevano che i prodotti chimici utilizzati contro le erbe infestanti, i funghi, gli insetti, le lumache, consentivano una produzione omogenea, di bell’aspetto come vuole il mercato, ma non dava certezze di sicurezza sulla salute umana. Oggi ci sono maggiori controlli lungo la filiera, dal campo al supermercato, ma si aggiungono anche ulteriori sostanze: cere che rendono la frutta lucida e colorata; conservanti che la mantengono integra per settimane durante il trasporto, lo stoccaggio e la vendita, preservandola dall’attacco di batteri e muffe. 

     Insomma quando il prodotto arriva al consumatore, sono sempre presenti tracce dei prodotti utilizzati. In teoria dovrebbero essere quantità minime da non costituire un rischio per la salute. Evidentemente non è così se negli ultimi decenni c’è stato un aumento costante delle patologie tumorali che hanno interessato il sistema digerente. È vero che non mangiamo solo frutta e verdura: la carni non offrono maggiore sicurezza, anzi è il contrario. Perciò non è giusto buttare la croce su ortaggi e frutta, del resto se fino a  10 anni fa erano ammessi circa 800 prodotti da usare in agricoltura tra erbicidi, fungicidi, fumiganti e insetticidi, oggi siamo scesi a 200. Peccato però che le quantità totali utilizzate, almeno per i fungicidi e gli insetticidi, siano aumentate.

     Tra i prodotti non più utilizzati c’è l’atrazina, il principio attivo di numerosi diserbanti, utilizzati fino al 1992, che però si è accumulato nei terreni e viene assorbito dalle piante attraverso le radici. Molti insetticidi ancora utilizzati invece appartengono al gruppo dei nicotinoidi, come l’imidacloprid. In quantità “normali” è considerato di limitata tossicità per l’uomo ma è imputato come uno dei responsabili della moria di api degli ultimi anni. I controlli sui singoli prodotti sembrano rassicuranti: solo una percentuale inferiore all’1% dei prodotti commercializzati presenta residui di pesticidi superiori ai limiti di legge. Ma noi consumiamo diversi tipi di prodotti e gli effetti di questi residui, ancorché nella norma, si sommano? Si moltiplicano? Sarebbe interessante saperlo. Di sicuro non fanno bene.

     Le sostanze utilizzate sono tante e tali che è lecito essere sospettosi e prudenti. Se le tasche lo consentono (hanno un costo leggermente superiore) sono sempre preferibili i prodotti biologici sui quali ci sono maggiori controlli. Sarebbe ancora meglio coltivarsi alcuni ortaggi, frutta, verdura, oppure acquistarli direttamente da persone conosciute e di fiducia. Ma non sempre queste ultime due opzioni sono possibili.

 




Caccia al litio

13 04 2012

     L’enorme successo di smartphone, cellulari, tablet e PC sempre più piccoli si deve anche al litio. Quest’elemento del primo gruppo (famiglia dei metalli alcalini) del Sistema periodico (Z=3; A=6,94), con una spiccata tendenza a cedere l’unico elettrone nel suo orbitale più esterno, il 2s, è il più utilizzato per realizzare accumulatori di energia di piccola massa. Il litio è l’elemento solido più leggero a temperatura ambiente, ha una densità di 0,53 g/cm3, circa la metà di quella dell’acqua distillata. Ha sostituito il piombo molto meno costoso (Z=82; A=207,20) che, però, rimane sovrano negli accumulatori di grande massa per autoveicoli, per i mezzi agricoli e industriali. Purtroppo alcuni ragazzi  (solo alcuni, per fortuna!) di 14-15 anni, addirittura hanno saputo indicare in quali prodotti si può trovare il litio e hanno avuto incertezze su dove trovare carbonio.

     Il litio ormai viene considerato un elemento d’importanza strategica per il suo impiego nelle batterie dei piccoli strumenti ad elevata tecnologia, sia perché a parità di volume, la sua massa è 30 volte inferiore a quella del piombo, sia per la sua scarsa pericolosità. È un elemento abbastanza diffuso sul pianeta, ma sempre in piccole quantità. Depositi considerevoli invece si possono trovare nei composti dei deserti salati dall’America latina: Bolivia, Cile, Argentina. La disponibilità e il costo, per ora ne hanno frenato l’impiego negli accumulatori delle auto elettriche. Ma la ricerca continua, come continua anche la caccia delle multinazionali ai depositi naturali di litio e di altri elementi più rari, importanti per l’industria dell’energia e quella dell’hi-tech. Le nuove frontiere di ricerca di questi materiali sono i fondali marini e oceanici, costi tecnologici permettendo. Molti Paesi, tra cui l’Italia, stanno rendendo sempre più efficiente il recupero di litio, oro, indio, cadmio, cobalto e altri metalli rari dallo smaltimento di PC e altri apparecchi elettronici..

    È dal 13 agosto 2006 che è entrato in attuazione il D.lgs 151/2005 (sulle apparecchiature elettriche ed elettroniche). Con questo decreto la Commissione europea e l’Italia e hanno stabilito regole più precise per la costruzione e lo smaltimento finale delle apparecchiature elettriche ed elettroniche, ponendo l’accento anche sul recupero dei materiali utili, preziosi o pericolosi. Al momento dell’acquisto di un nuovo apparecchio, i venditori sono tenuti all’obbligo del ritiro dell’apparecchio da buttare.

 




Gli elettroni e i numeri quantici

7 04 2012

     Nelle settimane passate, in classe abbiamo affrontato l’argomento della moderna teoria atomica degli elementi. Abbiamo visto che negli ultimi duecento anni, da Dalton in avanti, la teoria è stata progressivamente arricchita e modificata, passando attraverso i modelli di Thomson e Rutherford, fino all’atomo di Bohr e alle integrazioni e modificazioni di Planck, De Broglie, Schrödinger e Pauli. La meccanica quantistica o ondulatoria ha fornito contributi determinanti all’attuale concezione della struttura atomica. Sappiamo che non è possibile individuare con certezza la posizione di un elettrone all’interno di un atomo ma possiamo solo parlarne in termini probabilistici. Pertanto non esistono orbite di elettroni come postulava Bohr ma orbitali, cioè regioni di spazio intorno al nucleo in cui vi è almeno il 90% di probabilità di trovare l’elettrone, ovvero regioni in cui l’elettrone passa almeno il 90% del suo tempo. Ma qual è l’energia degli elettroni? Max Planck aveva evidenziato che l’energia non viene emessa in modo continuo ma in modo discreto, secondo “pacchetti definiti” detti quanti. Anche gli elettroni possono avere solo determinate quantità di energia, cioè possono trovarsi solo su determinati livelli energetici e non tra due livelli successivi. L’energia perciò è “quantizzata”. Per chiarire la differenza tra continuo e discreto, porto qualche esempio: quello della scala e della passerella. Per accedere ad un istituto scolastico, spesso ci sono alcune scale da salire e il singolo gradino si può far corrispondere a un “quanto di energia”. Per salire le scale e entrare nell’istituto devo necessariamente alzare la gamba di quanto basta per passare ripetutamente al gradino successivo. In questo caso si tratta di quantità discrete di energia e se alzo la gamba della metà rispetto all’altezza del gradino non passerò mai a quello successivo. Ma per accedere posso anche seguire la passerella che consente l’ingresso ai diversamente abili (credo che ormai sia in tutte le scuole!). In questo caso c’è un percorso in salita continuo e non discreto. Un altro esempio può essere quello di due bicchieri: uno di forma cilindrico e l’altro a forma di prisma a base ottagonale. Nel primo caso esiste una simmetria di rotazione continua, nel secondo invece la simmetria di rotazione è discreta: solo ruotando di determinati angoli, 45° (360° / 8 = 45°) o multipli di 45° (che possiamo far corrispondere ai quanti di energia) potremo far coincidere la posizione del bicchiere ruotato con quello di partenza.

     Gli elettroni possono assorbire o emettere solo quantità discrete di energia. Questi quanti di energia sono minori per gli elettroni vicino al nucleo e aumentano progressivamente in modo “discreto” a mano a mano che la loro distanza dal nucleo aumenta. Il passaggio successivo nella teoria atomica è stata l’introduzione dei numeri quantici, tre numeri che descrivono le dimensioni, la forma e l’orientamento nello spazio dei vari orbitali. Sono stati chiamati “quantici” perché furono introdotti con l’applicazione della meccanica quantistica. Sinteticamente possiamo dire che:

a.       il numero quantico principale si indica con n e può assumere tutti valori interi compresi tra 1 e 7. Indica le dimensioni e l’energia di un orbitale. Un orbitale che ha n piccolo ha minori dimensioni e minore energia di un altro che ha n grande.

b.      Il secondo numero quantico è quello angolare, si indica con l (elle) e può assumere tutti i valori interi compresi tra 0 e n-1 (enne meno uno). Ad esempio, se n=4, i valori di l possono essere 0, 1, 2, 3. Questo numero indica la forma dell’orbitale. Ad esempio ad l=0 corrisponde un orbitale sferico (s), ad l=1 corrisponde un orbitale (p) che ha la forma di due gocce unite per la “punta” o, se si vuole, al simbolo dell’infinito in forma tridimensionale. Se l=2 c’è un doppio “infinito” che si interseca, ecc.

c.      Sappiamo che l’elettrone è una carica elettrica in continuo movimento e, come tutte le altre cariche elettriche che si muovono, genera un campo magnetico. Il terzo numero quantico è quello magnetico (m) e indica le diverse possibilità di orientamento degli orbitali nello spazio. I valori che m può assumere sono compresi tra –l (elle) e +l (elle). Ad esempio, se l=2, m può essere –2, -1, 0, +1, +2.

Appare chiaro che questi numeri quantici sono dipendenti l’uno dall’altro: m dipende dai valori di l (elle) che, a loro volta, dipendono dai valori di n.

     Esiste un quarto numero quantico, non riferito agli orbitali ma all’elettrone. Anche in questo caso è opportuno un paragone: la Terra e gli altri pianeti oltre a girare intorno al Sole (moto di rivoluzione) su orbite ellittiche, ruotano anche intorno al proprio asse (moto di rotazione). Allo stesso modo, l’elettrone oltre a girare intorno al nucleo negli orbitali di dimensioni, forma e orientamento diversi, ruota anche intorno a se stesso come una trottola in senso orario o in senso antiorario.

Il numero quantico di spin (dall’inglese to spin = ruotare) indica proprio il senso di rotazione su  se stesso dell’elettrone, che può assumere solo due valori: -1/2 oppure +1/2 e si indica con ms. Quando due elettroni hanno spin diverso, ruotano in senso opposto.

Possiamo riassumere nomi, simboli, valori e significato dei numeri quantici in una tabella.

nome simbolo valore significato
Principale n 1 –> 7 Raggio ed energia dell’orbitale
Angolare l 0 –> n-1 Forma dell’orbitale
Magnetico m -l –> +l Orientamento dell’orbitale
Di Spin ms -1/2 oppure +1/2 Senso di rotazione dell’elettrone

 

 




Ossidi acidi: equazioni svolte

1 04 2012

2N2(I)  + O2 —>  2N2O   (ossido di diazoto)

N2(II)  + O2 —>  2NO   (ossido di azoto)

C(IV) + O2 —>  CO2   (diossido di carbonio)

S + O2 —>  SO2     (diossido di zolfo)

2Cl2(V)  + 5O2 —>  2Cl2O5   (pentossido di dicloro)

2Cl2(III)  + 3O2 —>  2Cl2O3        (triossido di dicloro)

2N2(III)  + 3O2 —>    2N2O3     (triossido di diazoto)

2N2 (IV)  + 2O2 —>   N2O4     (triossido di diazoto)

4P(III)  + 3O2 —>  P4O6     (esossido di tetrafosforo)

4P(V)  + 5O2 —>    P4O10     (esossido di tetrafosforo)

2Cl2 (VII)  + 7O2 —>    2Cl2O7    (eptossido di dicloro)

2C(II) + O2 —>  2CO   (monossido di carbonio)

Si(IV)  + O2 —>  SiO2   (diossido di silicio)

4B  + 3O2 —>  2B2O3    (triossido di diboro)

 

Ossidi anfoteri: Al2O3, PbO, As4O6, As2O10, Sb4O6 .

 I nomi e le equazioni bilanciate che portano alla loro formazione.

4Al + 3O2 —>  2Al2O3    (triossido di dialluminio)

2Pb + O2 —>  2PbO      (monossido di piombo)

4As(III) + 3O2 —>  As4O6   (esossido di tetrarsenico)

2As(V) + 5O2 —>  As2O10     (decaossido di diarsenico)

4Sb (III) + 3O2 —>  Sb4O6    (esossido di tetrantimonio)

        Nell’immagine, una città con una cappa di smog costituito va vari inquinanti, tra i quali il monossido di carbonio, un gas che si ottiene dalla combustione degli idrocarburi e altre sostanze contenenti carbonio. Una possibile produzione di CO è quella che si ottiene dalla combustione del metano in carenza di ossigeno. Essendo un gas incolore, inodore e insapore, è particolarmente pericoloso negli ambienti chiusi e ogni anno in Italia si hanno decine di casi di persone intossicate, di cui alcuni mortali. La sua presenza nel sangue può passare inosservata mentre la sua quantità continua ad aumentare. Si lega all’emoglobina formando la carbossiemoglobina e impedendo il trasporto dell’ossigeno da parte dei globuli rossi.

I sintomi più comuni dell’intossicazione da CO sono: confusione mentale, stordimento, mal di testa, sonnolenza. Quindi attenzione a qualsiasi tipo di combustione che avvenga in ambienti chiusi, soprattutto nel periodo invernale.

 L’immagine è tratta da: http://topnews.ae/content/29986-carbon-monoxide-kills-two-families