Appunti di Fondamenti di chimica

Stefano Fioravanti Fondamenti di chimica

La classificazione della materia

La chimica è quella scienza che studia la composizione e le proprietà della materia in relazione alla sua struttura microscopica.

La chimica può essere divisa in 3 branche principali: la chimica organica, che studia i composti del carbonio, la chimica inorganica, che studia tutti gli altri composti ed elementi, ed infine la chimica fisica, che studia i principi della chimica. Con lo sviluppo della tecnologia si sono creati sempre più campi di studio, come la biochimica, le nanotecnologie, la biologia molecolare, la scienza dei materiali...

La materia è tutto ciò che ha massa ed occupa uno spazio, sia sostanze naturali che quelle artificiali.

La composizione indica la quantità di sostanze elementari di cui la materia è composta.

Le proprietà sono delle caratteristiche che permettono di distinguere un tipo di materia da un altro.

Ci sono due tipi di proprietà, che forniscono una prima classificazione:

• Proprietà fisiche, delle proprietà che possono essere misurate senza alterare la struttura o la composizione della materia.
• Proprietà chimiche, delle proprietà che implicano l’alterazione della struttura o della composizione della materia.

Si possono conoscere le proprietà della materia ed arrivare alla sua composizione oppure conoscere la composizione e stabilirne le proprietà.

Un materiale è diverso dalla materia. I materiali sono un concetto più concreto per gli studi di ingegneria.

Classificazione fisica

Classificazione in base allo stato fisico, uno dei tre stati di aggregazione:

• Solido, con forma e volume ben definiti.
• Liquido, forma e volume del contenitore nel quale viene posto.
• Gas, tende ad occupare tutto il volume che gli è messo a disposizione, non ha né una forma né un volume propri.
• Vapore, lo stato aeriforme di una sostanza che solitamente è solida o liquida, es. vapore acqueo.

Nei solidi gli atomi e le molecole che li compongono non possono cambiare posizione, possono solamente oscillare, con una frequenza ed intensità che aumenta con l’aumento della temperatura. Nei liquidi le particelle sono ancora “impacchettate”, ma possiedono sufficiente energia per cambiare posizione. In un gas le particelle hanno libertà quasi totale.

Altre proprietà fisiche sono: punto di fusione e di ebollizione, il colore, la durezza, la massa, la temperatura e la densità.

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Classificazione chimica

Classificazione in base alla struttura o alla composizione elementare:

• Miscela, è un miscuglio di una o più sostanze diverse.
• Sostanza pura, una sostanza che ha proprietà uguali per ogni campione di sostanza, uguali in tutti i punti.

Una proprietà può essere estensiva, se dipende dalla dimensione di un campione, o intensiva se è indipendente dalla sua dimensione.

Una sostanza pura può essere un composto o un elemento. Un elemento è una sostanza costituita da una unica specie di atomi (à tavola periodica). Un composto è invece formato da atomi ed elementi diversi, combinati con un rapporto costante.

Una miscela può essere omogenea o eterogenea. Una miscela omogenea ha una composizione che è identica in ogni punto. Una soluzione è un esempio di miscela omogenea (solvente, in maggior quantità, e soluto, in minore quantità, dove la quantità non indica necessariamente la massa ma il numero di atomi...), finché il soluto non aumenta la concentrazione, in quel caso non si parla più di miscela omogenea in quanto è presente un precipitato o corpo di fondo.

Una miscela è eterogenea quando la composizione risulta diversa in ogni punto della miscela, una composizione macroscopica (spesso che si può stabilire anche con i nostri sensi).

Delle trasformazioni o processi chimici alterano la composizione della materia e trasformano un materiale in un altro, con delle proprietà diverse. Delle trasformazioni fisiche alterano solamente lo stato di aggregazione ma non la composizione della materia.

Esempi:

• Filtrazione: è un processo fisico che permette di separare le componenti di una miscela eterogenea.
• Elettrolisi: è un processo chimico in grado di scomporre una sostanza pura negli elementi che la costituiscono, è in grado, per esempio, di separare gli elementi che compongono l’acqua.
• Distillazione: è un processo fisico che permette di separare le due componenti di una miscela di liquidi, sfruttando la loro differenza dei punti di ebollizione.

Se tramite un processo fisico è possibile separare due componenti di una sostanza, allora si tratta di una miscela (omogenea o eterogenea). Se non è possibile, allora siamo davanti ad una sostanza. Se questa si può scomporre in elementi chimici allora si tratta di un composto, altrimenti si tratta di un elemento.

Acqua e ghiaccio è un sistema della stessa sostanza presente in due stati fisici diversi. Con la filtrazione è possibile separarli, quindi si tratta di una miscela eterogenea.

Il glucosio è una sostanza pura, i cui elementi costituenti possono essere separati tramite dei processi chimici (in questo caso tramite la combustione), quindi si tratta di un composto.

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Materia Sostanza Miscela pura Omogenea Eterogenea Composto Elemento

Il modello nucleare e l’atomo

L’atomo è costituito da tre tipi di particelle diverse: elettroni, neutroni e protoni. Il modello atomico (il modello planetario), è un modo per studiare l’atomo. Le particelle che costituiscono a loro volta gli elettroni, neutroni e protoni sono il campo della fisica e non della chimica.

Il numero atomico di un atomo è il numero dei protoni (Z), mentre il numero di massa (A) è la somma dei neutroni e dei protoni (nucleoni). Sono entrambi dei numeri interi in quanto le particelle sono presenti in quantità discrete (solo la massa sarà espressa da un numero reale). Ogni elemento ha un simbolo atomico.

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I vari elementi differiscono per il numero di protoni, quindi ogni elemento ha un numero atomico diverso. Gli isotopi hanno invece lo stesso numero atomico ma diversa massa atomica. Essi hanno quindi lo stesso numero di elettroni e di protoni, ma hanno un numero di neutroni diverso. Sono presenti in diverse abbondanze percentuali in natura. Siccome gli isotopi hanno lo stesso numero di elettroni e di protoni hanno solitamente delle proprietà fisiche e chimiche molto simili, un caso particolare è l’H (idrogeno – deuterio - trizio).

La massa atomica

Gli elettroni hanno una massa molto piccola rispetto a quella dei neutroni e dei protoni, possono quindi essere spesso trascurati nel calcolo della massa di un atomo.

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La massa atomica è definita come 1/12 della massa atomica del C e si indica con uma, unità di massa atomica.

Si può calcolare una massa atomica media, ovvero una media delle masse atomiche di tutti gli isotopi di un elemento, “pesata” rispetto all’abbondanza naturale relativa di ciascun isotopo.

Sulla tavola periodica si riporta la massa atomica media ed ogni massa viene espressa in uma in quanto fornisce un modo per confrontare i vari elementi.

Le formule sono dei modi di rappresentare delle sostanze o dei composti chimici. Ce ne sono di diversi tipi:

• Formula molecolare, con la tipologia ed il numero di atomi presenti nel composto (H O)2.
• Formula minima (o empirica), la tipologia ed il numero di atomi presenti in un composto, in cui il rapporto tra gli indici sia il più semplice possibili, solitamente l’indice più piccolo è minore o uguale a 1. Ogni tanto la formula molecolare o quella minima possono coincidere.
• Formula di struttura, una rappresentazione della molecola che mostra in parte o completamente i legami presenti tra gli atomi, ma non la sua struttura tridimensionale.
• Struttura topologica (o a segmenti).

Moseley riuscì a determinare le masse atomiche di qualche elemento, studiando le proprietà dei raggi X emessi dagli elementi quando venivano bombardati con degli elettroni. Successivamente, con l’avanzamento tecnologico, fu possibile costruire lo spettrometro di massa, uno strumento capace di determinare la massa atomica. Con esso vennero trovate le masse atomiche di tutti gli altri elementi e gli scienziati scoprirono l’esistenza degli isotopi, notarono infatti che non tutti gli atomi di un elemento hanno sempre la stessa massa atomica.

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Molecole

Una molecola è un gruppo di due o più atomi legati, distinto ed elettricamente neutro.

Ci sono molecole biatomiche (composte da due atomi) e poliatomiche. Questi atomi possono essere legati tra loro in diversi modi.

Le molecole possono essere omonucleari, quando sono formate da atomi dello stesso elemento, oppure eteronucleari quando sono formate da atomi di elementi diversi.

Composti

Un composto è una sostanza elettricamente neutra, costituita da due o più elementi diversi, i cui atomi vi figurano in proporzioni definite.

I composti possono essere divisi in composti ionici e composti molecolari.

• I composti molecolari sono formati da molecole che contengono atomi di almeno due elementi diversi. Sono elettricamente neutri.
• I composti binari sono formati da solo due elementi.
• I composti organici contengono l’elemento C e spesso anche l’elemento H.
• I composti inorganici sono i composti che non sono organici.
• I composti ionici sono formati da ioni, cioè atomi o gruppi di atomi carichi positivamente o negativamente. Nei composti ionici si distinguono i cationi (ioni con carica positiva +, quindi ci sono più protoni che elettroni) e gli anioni (ioni con carica negativa -, quindi con un eccesso di elettroni).

Gli elementi nei composti non sono mischiati ma sono legati in seguito ad una trasformazione chimica. Per questo le proprietà chimiche e fisiche sono diverse da quelle dei singoli elementi.

Un composto ionico è il sale da cucina (NaCl). Complessivamente esso non ha una carica elettrica, perché le cariche positive e quelle negative si equivalgono. Gli ioni sono disposti in modo ordinato nello spazio formando un reticolo cristallino.

Nel caso di un composto molecolare, la formula molecolare corrisponde con la molecola. Che forma il composto In un composto ionico la formula molecolare non rappresenta tutto un cristallo, ma solo l’unità formula, la combinazione più semplice di atomi che mi permette di descrivere il cristallo.

La formula molecolare non è quindi sempre in grado di descrivere la struttura di un intero composto.

Molti elementi sono presenti in natura in molecole: H è l’elemento, ma in natura esiste la molecola H . Stessa cosa per l’ossigeno. Quando separiamo gli elementi che compongono l’acqua, non otteniamo H e O, ma H e O . Alcuni elementi in natura sono, al contrario, rappresentabili semplicemente con il loro simbolo, per esempio i metalli. Essi sono generalmente dei solidi in cui l’atomo rappresenta l’unità formula. Altri tendono a formare delle molecole. Elementi nel sistema periodico ed elementi allo stato naturale non sono sempre la stessa cosa.

2 2 2

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Uno ione è un atomo o un gruppo di atomi carico positivamente o negativamente.

Ione sodio - Ione cloruro da ricordare (nomenclatura particolare).

La mole e la massa molare

Gli atomi sono degli oggetti molto piccoli, ma quando vengono studiati si lavora con delle masse relativamente molto grandi. Il concetto di mole permette di descrivere un numero di particelle molto grande.

Il termine mole viene da Avogadro, che la descrive come il numero di entità (particelle, atomi, molecole...) quante ne sono contenute in 12 g di C.

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12 ' "$!" = = 6.022 ∗ 10(19.92 )'!"#∗ 10

Il numero di Avogadro è un numero puro, senza unità di misura. Quando si usa nei calcoli gli viene affiancata da mol , e si parla di costante di Avogadro (la mole va al denominatore, quindi è il numero di particelle per unità di mole).

-1

) *!+,à($%&) ($%&)! = ) *!,+,à = ! ∗ ).).

La mole serve a calcolare le masse molari. Una mole è una quantità di sostanza che contiene "$ unità elementari.

6.022 ∗ 10

La massa molare è la massa in grammi di una mole di sostanza. Corrisponde numericamente alla massa in uma, ma espressa in .

'

2/01(3"/45067) (/01)/ = 6 ∗ 8 (/"99" /01":7)/6= 8

Nei composti molecolari, la massa molare corrisponde alla somma delle masse molari degli elementi che lo compongono.

Per i composti ionici si prende l’unità formula e si sommano le masse molari delle unità che lo compongono.

La mole rappresenta un numero di atomi, quindi una mole di atomi di un certo elemento ha massa diversa da una mole di atomi di un diverso elemento.

La purezza rappresenta la quantità effettiva di un composto all’interno di un campione. È espressa in percentuale.

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"99" 7>>7??5@";<:7==" = ∗ 1008"99" 3"/45067

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Le reazioni chimiche

Le reazioni chimiche sono delle trasformazioni della materia in cui una o più specie chimiche (reagenti) vengono trasformate in altre (prodotti), caratterizzate da una diversa struttura e composizione, quindi anche da proprietà diverse.

I numeri che compaiono davanti alle formule dei composti sono i coefficienti stechiometrici, che indicano i rapporti con cui le sostanze reagiscono tra loro. Si possono leggere anche come le moli.

Delle lettere tra parentesi indicano lo stato di aggregazione o fase (o anche ambiente), per esempio (g, l, s, aq).

Un reagente che è in difetto rispetto agli altri è un reagente limitante. La massima quantità di prodotto sarà condizionata dal reagente che è in minor quantità. L’altro reagente sarà invece il reagente in eccesso.

Una reazione deve essere bilanciata, è necessario avere lo stesso numero di atomi di ogni elemento sia tra i prodotti che tra i reagenti. Se non fosse così si avrebbe la creazione o perdita di materia, cosa che è impossibile.

La resa di una reazione è il rapporto tra il prodotto ottenuto e quello teoricamente ottenibile.

0??76<?"'$##$ '(-+ ())"*1)"!"#$ = ∗ 100 = ∗ 100'$##$ ())"*+,+-" '(-+ ())"*+,+-+

La struttura atomica

La struttura dell’atomo ha una storia che comincia con Dalton (1807), che formula la prima teoria atomica. Sono teorie perché fino a poco tempo fa non si poteva vedere l’atomo. Egli riuscì a calcolare il rapporto tra le masse degli elementi che si combinano nei composti e notò una certa regolarità (per esempio che nell’acqua vi erano sempre 8g di ossigeno per ogni grammo di idrogeno). Affermò così che tutta la materia deve essere costituita da combinazioni di diversi elementi, elementi che sono però sempre uguali (un atomo di elio è sempre uguale a sé stesso). Affermò inoltre che gli elementi non si possono trasformare in atomi di un diverso elemento e che i composti si formano quando diversi elementi si legano. Affermò inoltre che atomi di elementi diversi possedevano masse diverse. Dalton distinse la scienza alchemica (alchimia) dalla chimica.

Egli pose le basi, ma tutte le sue congetture derivano da degli esperimenti, la scienza non era ancora abbastanza avanzata.

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Thomson (1897) usa un tubo catodico, un tubo sottovuoto nel quale viene creata una differenza di potenziale: degli elettroni transitano e proiettano un’immagine su uno schermo. Egli varia l’intensità del campo magnetico ed elettrico per far puntare il fascio di elettroni verso il centro dello schermo, in modo da dimostrare che gli elettroni interagiscono con quei campi, pur non conoscendoli. Trova così il rapporto tra la carica e la massa dell’elettrone.

Egli formula un’ipotesi: afferma che l’atomo è costituito da elettroni che sono sospesi in un mezzo carico positivamente. Propone così un nuovo modello (modello a panettone).

Millikan (1911) realizza uno strumento molto semplice, una specie di condensatore nel quale vengono immesse delle gocce d’olio nebulizzate. Una sorgente di raggi X carica le gocce d’olio negativamente (era già noto che i raggi x caricassero negativamente le sostanze - ionizzazione). Variando il campo elettrico tra le piastre fu in grado di variare la velocità con cui le gocce (ora cariche negativamente) cadevano verso la piastra inferiore. Trovò così che la carica delle gocce era sempre un multiplo di un determinato valore, quello della carica elettrica (7 ). Dal rapporto di Thomson ( ) Millikan trova per la prima volta la massa dell’elettrone.

&!"% = 1,6021 ∗ 10 '&

Rutherford (1920): egli svolge l’esperimento determinante per la struttura atomica. Realizza un dispositivo in cui una sorgente di particelle alfa (positive) vengono irradiate verso una lamina d’oro. Immagina che un foglio d’oro possa avere dimensioni atomiche, anche se non è vero. Quando dirige il fascio su un foglio ottiene un risultato inaspettato: molte particelle passano dritte attraverso il foglio e poche vengono riflesse. L’elettrone è negativo ma le particelle alfa però