Appunti Chimica

Capitolo 1. Le chiavi per lo studio della chimica

Alcune definizioni fondamentali

La chimica è lo studio della materia e delle sue proprietà, delle trasformazioni subite dalla materia e dell’energia associata a tali trasformazioni.

Proprietà della materia

La materia è la “sostanza” dell’universo, ossia tutto ciò che ha una massa in volume. I chimici sono particolarmente interessati alla composizione della materia, ai tipi e alle quantità di sostanza più semplice che la costituiscono. Una sostanza è un tipo di materia che ha una composizione definita e fissa.

Per conoscere la materia, osserviamo le sue proprietà, le caratteristiche che conferiscono a ciascuna sostanza la sua identità esclusiva. Per identificare una sostanza osserviamo due tipi di proprietà: fisiche e chimiche.

• Proprietà fisiche: sono le proprietà che una sostanza presenta di per sé, senza trasformarsi in, o interagire con, un’altra sostanza. (Es: colore, punto di fusione, densità, conduttività elettrica) Una sostanza subisce una trasformazione fisica quando modifica la sua forma fisica, non la sua composizione.
• Proprietà chimiche: sono le proprietà che una sostanza presenta quando si trasforma in, o interagisce con, un’altra sostanza (o altre sostanze). (Es: infiammabilità, reattività con acidi, corrosività) Avviene una trasformazione chimica, detta anche reazione chimica, quando una sostanza (o più sostanze) si trasforma (trasformano) in una differente sostanza (o in differenti sostanze).

Una sostanza è identificata dal proprio insieme di proprietà fisiche e chimiche.

Corpo: oggetto materiale caratterizzato dalle sue caratteristiche contingenti (proprietà fisiche e chimiche)

Sistema: porzione di spazio con tutta la materia ed energia in esso contenute.

I tre stati di aggregazione

La materia si presenta comunemente in tre forme fisiche dette stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso (o aeriforme). Ciascuno stato è identificato dal modo in cui riempie un recipiente:

• Un solido ha una forma fissa che non si adatta alla forma del recipiente. Le particelle nei solidi sono affiancate l’una all’altra in una disposizione tridimensionale regolare con una forma definita.
• Un liquido si adatta alla forma del recipiente, ma ne riempie un volume pari al suo stesso volume; perciò un liquido forma una superficie. Le particelle nel liquido sono raggruppate, ma si muovono in modo casuale l’una accanto all’altra.
• Un gas (o aeriforme) si adatta alla forma del recipiente e lo riempie completamente; perciò un gas non forma una superficie. Le particelle nel gas hanno di solito grandi distanze reciproche mentre si muovono in modo casuale in tutto il recipiente.

Si può vedere che i cambiamenti di stato sono trasformazioni fisiche.

Distinzioni essenziali tra trasformazioni

• Una trasformazione fisica dà origine a una differente forma della stessa sostanza (stessa composizione), mentre una trasformazione chimica dà origine a una differente sostanza (diversa composizione).
• Una trasformazione fisica causata da una variazione di temperatura può essere generalmente invertita con la variazione opposta di temperatura, ma ciò non è generalmente vero nel caso di una trasformazione chimica.

L'importanza dell'energia nello studio della materia

Le trasformazioni fisiche e chimiche sono accompagnate generalmente da variazioni di energia. L'energia è definita come la capacità di compiere lavoro. Il corpo che compie lavoro trasferisce una parte della sua energia al corpo su cui compie il lavoro.

L'energia totale posseduta da un corpo è la somma della sua energia potenziale e della sua energia cinetica:

• Energia potenziale: è l'energia che un corpo possiede in virtù della sua posizione.
• Energia cinetica (o di movimento): è l'energia che un corpo possiede in virtù del suo movimento (o moto).

L'energia si conserva: può essere convertita da una forma in un'altra, ma non può essere distrutta. In natura le situazioni a energia più bassa sono generalmente favorite rispetto a quelle a energia più alta.

Gran parte della materia esistente è costituita da particelle cariche positivamente e da particelle cariche negativamente. Un comportamento ben noto delle particelle cariche deriva da interazioni note come forze elettrostatiche: cariche di segno opposto si attraggono e cariche dello stesso segno si respingono. Quando si compie lavoro per separare una particella positiva da una negativa, l'energia potenziale del sistema delle due particelle aumenta. La variazione di energia potenziale si converte in energia cinetica quando le particelle si avvicinano l'una all'altra. Inoltre, quando due particelle dello stesso segno sono spinte una verso l'altra, l'energia potenziale del sistema delle due particelle aumenta e, quando si lasciano libere di allontanarsi, la variazione di energia potenziale si converte in energia cinetica.

Le particelle cariche tendono a muoversi verso una posizione di energia più bassa o di maggiore stabilità. L'energia potenziale chimica di una sostanza è dovuta alle posizioni relative di tutte le sue particelle e alle attrazioni e repulsioni che si esercitano tra di esse. Alcune sostanze sono più ricche di altre di questa energia potenziale chimica.

L'energia non viene creata né distrutta: si conserva sempre quando si converte da una forma a un'altra.

Processo endotermico: trasferimento di calore dall’ambiente al sistema, aumento di entalpia.

Processo esotermico: trasferimento di calore dal sistema all’ambiente, se isobaro (p = cost) si ha diminuzione di entalpia.

Metodo scientifico

• Osservazioni: Fenomeni naturali ed eventi misurati; le generalizzazioni di regolarità osservate e misurate possono essere enunciate come leggi naturali.
• Ipotesi: Congettura o proposizione provvisoria formulata per spiegare una categoria di osservazioni. L’ipotesi viene riveduta se i risultati sperimentali non la confermano.
• Esperimento: Procedimento per verificare le ipotesi; misura una variabile per volta.
• Modello (teoria): Insieme di costrutti concettuali che spiega i dati forniti da esperimenti ripetuti; permette di prevedere fenomeni correlati. Il modello viene modificato se gli eventi previsti non lo corroborano.
• Nuovo esperimento: Verifica le previsioni basate sul modello.

Risoluzione dei problemi di chimica

Unità di misura e fattori di conversione impiegati nei calcoli. La misura di una grandezza è il valore della grandezza espresso come rapporto tra la grandezza data e un’altra grandezza della stessa specie assunta come unità di misura. Un fattore di conversione è un rapporto usato per cambiare in una nuova unità di misura della stessa specie l’unità di misura di una grandezza, cambiandone così anche il valore (es: 1 km = 1000 m; fattore di conversione 1 km/1000 m = 1). Essendo il numeratore e il denominatore di un fattore di conversione equivalenti, il fattore di conversione è uguale a 1; quindi moltiplicare una misura per un fattore di conversione significa moltiplicarla per 1, ossia lasciare invariata la sua entità. Quindi, anche se il valore numerico e l’unità di misura della grandezza cambiano, l’entità della grandezza resta invariata. L’impiego dei fattori di conversione nei calcoli in cui intervengono misure di grandezze è generalmente detta analisi dimensionale.

La misurazione nella scienza

Nel 1960, la IX Conferenza Generale di Pesi e Misure (CGPM) istituì un sistema metrico basato sull’adozione di sei (successivamente sette) grandezze fondamentali e delle relative unità di misura, che fu denominato Sistema Internazionale di Unità (SI).

Caratteristiche generali del Sistema Internazionale di Unità

Il Sistema Internazionale di Unità (SI) si basa su sette grandezze fondamentali indipendenti e sulle relative unità di misura, dette unità fondamentali. Tutte le altre grandezze, dette grandezze derivate, e le relative unità di misura, dette unità derivate, si ricavano dalle grandezze fondamentali e dalle loro unità di misura. Poiché alcune unità di misura sono di uso scomodo perché troppo grandi o troppo piccole, il Sistema Internazionale contempla un certo numero di prefissi di multipli e sottomultipli delle unità e i relativi simboli.

Alcune unità SI importanti in chimica

Lunghezza: L’unità di misura della lunghezza nel SI è il metro [m]. La sua definizione è basata su due quantità: il secondo e la velocità della luce nel vuoto. Per misurare lunghezze su scala atomica si usano il nanometro (1 nm = 10^-9 m) e il picometro (1 pm = 10^-12 m).

Volume: Ogni campione di materia ha un certo volume (V), la quantità di spazio che occupa. L’unità SI di volume, un’unità derivata, è il metro cubo [m³]. In chimica le unità di misura più usate sono il litro [L] e il millilitro [mL]. N.B: 1 L = 1 dm³ = 10^-3 m³.

Massa: La massa di un corpo è una grandezza legata alla quantità di materia di cui è fatto. L’unità di misura nel SI è il kilogrammo [kg]. Il termine massa e il termine peso si riferiscono a grandezze diverse. Poiché la quantità di materia di un dato corpo non può variare, la sua massa è costante. Il peso del corpo, invece, è la forza di gravità che deve essere equilibrata affinché il corpo sia in quiete e dipende dalla massa del corpo e dall’accelerazione di gravità nella posizione che occupa.

Densità: La densità (d) di un corpo è il rapporto tra la sua massa e il suo volume, ossia è la massa riferita all’unità di volume: d = m/V. In condizioni date di pressione e temperatura, la densità è una proprietà fisica caratteristica di una sostanza e ha un valore fisso. La massa e il volume sono esempi di proprietà estensive, che dipendono dalla quantità di sostanza presente. La densità, invece, è una proprietà intensiva, che è indipendente dalla quantità di sostanza presente. L’unità SI di densità è il kilogrammo al metro cubo (kg/m³); ma in chimica la densità è espressa di solito in grammi al litro (g/L) (1 g/L = 1 g/dm³) oppure in grammi al millilitro (g/mL) (1 g/mL = 1 g/cm³).

Temperatura: La temperatura (T) è la grandezza che misura di quanto una sostanza è “più calda” o “più fredda” rispetto a un’altra sostanza. Il calore è l’energia che si trasmette tra due corpi che sono a differenti temperature. Quando due corpi a differenti temperature sono posti in contatto, il calore si trasmette da quello a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa finché le loro temperature non si eguagliano. In laboratorio, lo strumento più usato per misurare la temperatura è il termometro, un dispositivo che contiene un fluido che si dilata quando viene riscaldato. Le scale di temperatura più importanti in chimica sono la scala Celsius, in cui l’unità di temperatura è il grado Celsius [°C] e la scala Kelvin (o scala assoluta delle temperature), in cui l’unità di temperatura è il kelvin [K]. Il kelvin [K] è l’unità di temperatura fondamentale nel SI. La scala Celsius si basa sui cambiamenti di stato fisico dell’acqua. T (in K) = T (in °C) + 273,15. T (in °C) = T (in K) – 273,15.

Intervallo di tempo: L’unità di misura dell’intervallo di tempo nel SI è il secondo [s]. In laboratorio si studia la velocità di una reazione misurando l’intervallo di tempo impiegato da una quantità fissa di una sostanza per subire una trasformazione chimica. Una reazione rapida può durare meno di 1 nanosecondo (1 ns = 10^-9 s), mentre le reazioni lente impiegano anni (es: arrugginimento e invecchiamento).

Incertezza di misura: cifre significative e arrotondamento

Ogni misura ha un’incertezza.

Precisione e accuratezza

Precisione: indica quanto le singole misure sono vicine tra loro.

Accuratezza: indica quanto una misura è vicina al valore “vero”.

Errore sperimentale

• Sistematico
• Casuale

Errore sistematico (determinato): Dà origine a valori che sono tutti maggiori o tutti minori del valore “vero”. Questo tipo di errore fa parte del sistema sperimentale e può essere causato da uno strumento difettoso o da uno sbaglio ripetuto nell’eseguire una lettura. Si può individuare e correggere:

• Con standard di riferimento
• Con analisi di campioni “bianchi”
• Con metodi analitici diversi sulla stessa quantità

Errore casuale (o accidentale): In assenza di errore sistematico, dà origine ad alcuni valori che sono maggiori del valore “vero” e ad alcuni valori che sono minori. L’errore casuale è inevitabile, ma la sua entità dipende dall’abilità di chi esegue la misurazione.

Le cifre significative indicano la precisione di una misura.

Affidabilità di una misura e cifre significative

Le misure scientifiche sono riportate in modo che ciascuna cifra sia certa eccetto l’ultima che è stimata: es. 5.213 (dove l’ultima cifra è stimata e le altre sono certe). Il numero di cifre riportate in una misura dipende dalla sensibilità dello strumento usato per fare la misura (ovvero dall’accuratezza della misura) e dev’essere preservato nel corso dei calcoli che coinvolgono quella misura. Questo è fatto attraverso la definizione delle cifre significative.

Cifre significative

Il numero di cifre con cui viene espresso il risultato della misura di una grandezza fisica è detto numero di cifre significative e deve corrispondere all’accuratezza con cui è stata eseguita la misura.

• Tutte le cifre diverse da zero sono significative (es: 28.03, 0.0540)
• Gli zero tra due cifre sono significativi (es: 7.0301, 408)
• Gli zero che precedono il numero non sono significativi (es: 0.0032, 0.0006)
• Gli zero che seguono la virgola sono significativi (es: 45.000, 3.5600)

Arrotondamento

Considerare tutte le cifre che si trovano oltre la posizione decimale desiderata. Per difetto o eccesso dell’ultima cifra:

• Se la cifra da scartare è minore di 5, la cifra precedente rimane invariata.
• Se la cifra da scartare è maggiore di 5, si aumenta di 1 unità la cifra precedente.
• Se la cifra da scartare è uguale a 5:
  • Se la cifra precedente è dispari e il 5 è seguito da zeri, si aumenta di 1 (es: 2,37550 diventa 2,376).
  • Se la cifra precedente è pari e il 5 è seguito da zeri, rimane invariata (es: 4,64450 diventa 4,644).
  • Se è seguita da cifre diverse da 0, viene sempre aumentata di 1 (es: 3,64354 diventa 3,644).

Capitolo 2. L'atomo

Natura atomica della materia: elementi, composti e miscele

La materia può essere classificata in tre tipi: elementi, composti e miscele.

Un elemento è il tipo di materia più semplice, con proprietà fisiche e chimiche esclusive. Un elemento è costituito da una sola specie di atomo. Quindi, non può essere scomposto in un tipo di materia più semplice con metodi fisici o chimici. Un elemento è un tipo di sostanza pura, materia la cui composizione è fissa. Parecchi elementi esistono in natura in forma molecolare: una molecola è un’unità strutturale indipendente costituita da due o più atomi legati chimicamente tra loro. (Per esempio l’ossigeno è presente nell’aria sotto forma di molecole biatomiche)

Un composto è un tipo di materia costituito da due o più elementi diversi che sono legati chimicamente tra loro (es: acqua, ammoniaca, diossido di carbonio). Una caratteristica che definisce un composto è il fatto che in esso gli elementi sono presenti in parti fisse in massa (rapporti fissi delle masse). In virtù di questa composizione fissa, un composto è considerato anche una sostanza. Una molecola di un composto ha le stesse parti fisse in massa essendo costituita da numeri fissi di atomi degli elementi componenti.

Una miscela è un gruppo di due o più sostanze (elementi e/o composti) che sono mescolati fisicamente. A differenza di un composto, i componenti di una miscela possono variare nelle loro parti in massa. Una miscela, non avendo una composizione fissa, non è una sostanza. Una miscela conserva molte delle proprietà dei suoi componenti.

Natura atomica della materia

La chimica moderna nasce con Lavoisier. La massa totale dei prodotti formati deve essere esattamente uguale alla massa totale delle sostanze di partenza. Legge della conservazione della massa: In una reazione chimica la somma delle masse delle sostanze reagenti è uguale alla somma delle sostanze che si formano.

Composizione definita e costante

Legge della composizione definita e costante: indipendentemente dalla sua fonte, un particolare composto chimico è costituito dagli stessi elementi nelle stesse parti (frazioni) in massa. La frazione in massa è quella parte della massa del composto che è rappresentata da ciascun elemento nel composto. Si ottiene dividendo la massa di ciascun elemento per la massa totale del composto. La percentuale in massa (massa percentuale, massa%) è la frazione in massa espressa come percentuale.