Sostanze e materia - Composizione delle sostanze

In questo appunto viene data una panoramica dapprima sulla chimica, per poi comprendere appieno cosa si intende per materia, sostanza pura e composta, ed infine entrare nello specifico nel comprendere il concetto di composizione chimica e calcolo stechiometrico.

Che cos'è la chimica

La chimica è la scienza, o più precisamente quella branca delle scienze naturali che studia la natura e il mondo, e tutto ciò che ci circonda. In chimica sono essenziali alcuni concetti di base fondamentali, i seguenti quattro riportati:

• Composizione. Per composizione si intende proprio ciò di cui e cosa è fatta la materia.
• Struttura. Per sostanza si intende proprio come le particelle elementari sono legate tra di loro.
• Proprietà. Per proprietà si intendono proprio le caratteristiche della materia, a livello chimico e fisico.
• Reazioni. Per reazione chimica si intende proprio come si comporta ciascuna sostanza in presenza di altre e come queste interagiscono tra di loro andando a dare vita a dei composti e sostanze nuove.

La materia

Che cosa si intende quando si parla di materia? La Materia è il materiale fisico dell’universo, che occupa spazio e che è percepibile dai nostri sensi umani. Tutto ciò che possiede massa e occupa spazio è proprio materia. Si vanno a differenziare due livelli su cui si studia la materia, ovvero il Livello macroscopico e il Livello microscopico.
Per Livello macroscopico si va ad intendere tutto ciò che riguarda le proprietà e trasformazioni di oggetti grandi e visibili.
Per Livello microscopico si va ad intendere tutto ciò che riguarda la tipologia degli atomi costituenti e mutamento nella loro organizzazione (proprio a livello di composizione e struttura).

Sostanze pure e sostanza elementare

Quando si parla di materia e di chimica è necessario andare a definire e comprendere appieno il concetto di sostanza pura. Per Sostanza pura, o semplicemente sostanza, si va ad intendere proprio un dato tipo di materia caratterizzato da ben definite proprietà, la cui composizione è ben determinata e costante.
Un esempio pratico può essere proprio l'acqua oppure il normale sale da cucina (il cui comporto chimico è cloruro di sodio, ovvero

) o tutti i componenti primari dell’acqua di mare che sono sostanze pure.
Nello specifico una sostanza è definita pure quando la sostanza considerata è costituita da una sola tipologia di elemento chimico.
Gli elementi della tavola perioda sono sostanze pure. Esempi di altre sostante pure possono invece essere: il rame

, l'idrogeno

, l'ossigeno

.
Si può anche andare a definire il concetto di sostanza elementare.
Una sostanza elementare non può essere decomposta tramite nessuna reazione chimica in sostanze più semplici. È costituita da un solo tipo di elemento
Ad oggi si conoscono solo 117 elementi che variano abbondantemente nella loro distribuzione. Questi elementi sono proprio quelli della tavola periodica.
Per esempio solo cinque elementi compongono più del 90% della crosta terrestre: ossigeno, alluminio, silicio, ferro e calcio. Solo tre elementi compongono più del 90% del corpo umano: carbonio, idrogeno e ossigeno.

Per ulteriori approfondimenti sulla tavola periodica, vedi qui

Composti

Una volta parlato di sostanze pure, si può procedere a parlare di composti. Per composti si intende l'unione di sostanze pure ottenuti tramite una trasformazione chimica di due o più elementi chimici (formati da due o più
atomi, anche delle stesse tipologie di elementi). Un esempio pratico è proprio quello più comune, ovvero l'acqua.
L’acqua è un composto formato da due elementi ovvero da idrogeno e ossigeno

.
Molti elementi possono interagire con altri elementi per formare composti. Un composto dunque si va a definire come una sostanza costituita da due o più elementi uniti da legami chimici ; in un composto puro, qualsiasi sia la sua origine, gli elementi che lo compongono sono presenti in percentuali fisse. Esistono milioni di composti sia di origine naturale che sintetica.

Per ulteriori approfondimenti sui legami chimici, vedi qui

Composizione delle sostanze e calcoli stechiometrici

Nei composti chimici, le moli di atomi si combinano sempre nello stesso rapporto in cui si trovano i singoli atomi, espresso dagli indici presenti nell'unità formula. La percentuale in peso, o composizione percentuale, corrisponde ai grammi di un elemento contenuti in 100 g del composto.

La formula che esprime la composizione di una molecola è detta formula molecolare. La formula più semplice che esprime il rapporto più piccolo fra due elementi è la formula minima, detta anche empirica. Per ottenere una formula empirica dobbiamo: determinare sperimentalmente la quantità in grammi di ciascun elemento presente in un campione del composto, convertire la massa in grammi in moli, mettere in rapporto le moli tra loro, ricavare, dal rapporto molare, i rapporti fra gli indici, ottenere infine la formula empirica. Qualche volta la strategia di utilizzare il numero più piccolo come divisore comune non funziona perché i numeri trovati non sono multipli di uno in particolare.
In questo caso, bisogna moltiplicare per 2 gli indici ottenuti dai rapporti molari, compreso quello uguale a 1. Se anche questa operazione non dovesse fornire il risultato desiderato, si deve moltiplicare per 3 e così via, se necessario, fino a che tutti i numeri di moli non siano numeri interi.

Talvolta la formula empirica e quella molecolare coincidono. Più spesso, tuttavia, gli indici di una formula molecolare sono multipli di quelli della formula empirica. Se gli indici della formula molecolare sono il doppio di quelli della formula empirica, anche la massa massa molecolare sarà il doppio dell'altra massa molecolare. I coefficienti stechiometrici di un'equazione bilanciata esprimono i rapporti molari esistenti tra le sostanze in gioco. Un'equazione deve essere bilanciata, ciò significa che ciascun elemento deve essere presente con un uguale numero di atomi dalla parte dei reagenti e dalla parte dei prodotti.
Il reagente limitante limita la quantità di prodotto formato. Il reagente in eccesso è presente in quantità superiori rispetto a quelle necessarie per consumare l'altro reagente. Uno dei motivi principali che portano a ottenere quantità di prodotto inferiori a quelle stechiometriche è il verificarsi di una reazione collaterale che compete con la reazione principale e porta alla formazione di un sottoprodotto. La resa effettiva di prodotto desiderato è la quantità isolata, mentre la resa teorica è ciò che ci aspettiamo di ottenere in assenza di perdite.