Appunti finali chimica

Definizione di acido e base

La prima definizione di acido e base fu data da Arrhenius: gli acidi sono sostanze che sciolte in acqua liberano ioni H+; le basi sono sostanze che sciolte in acqua liberano ioni OH-. Tale definizione è applicabile soltanto a sostanze solubili in acqua. In acqua in realtà si liberano ioni H+ che subito si legano con la molecola d’acqua H₂O e formano attraverso un legame dativo lo ione H₃O+ (idronio).

Definizione generale di Bronsted e Lowry

Una definizione più generale fu proposta da Bronsted e Lowry dicendo che qualsiasi molecola o ione che può donare un protone è un acido; qualsiasi molecola o ione che può accettare un protone è una base. Se abbiamo a che fare con una reazione acido-base non è più quindi necessaria la presenza dell’acqua, è dall’accettare o donare protoni che differenziamo una base da un acido.

Quando un acido donando il proprio protone si trasforma in una base, è chiamata base coniugata. Allo stesso modo, ogni base accettando un protone si converte nel corrispondente acido coniugato. Alcune specie chimiche, come ad esempio l’acqua, sono in grado di accettare e di donare protoni e vengono chiamate anfiprotiche.

Definizione di Lewis

Infine, l’ultima definizione di acido e base l’abbiamo grazie a Lewis: si dicono acidi le specie che possono accettare una coppia di elettroni; si dicono basi le specie capaci di donare una coppia di elettroni liberi dai legami.

Ionizzazione dell’acqua

Nell’acqua sono presenti pochissimi ioni che derivano dalla sua ionizzazione infatti H₂O + H₂O → H₃O+ + OH-. K_w (ovvero costante di equilibrio dell’acqua dove Ka = Kb) è uguale al prodotto tra le concentrazioni di ioni H+ e OH- e vale a 25°C 1.00x10^-7 mol/L e quindi K_w = 1x10^-14. L’acqua pura si considera neutra. Si dice neutra una soluzione in cui [H+] = [OH-]. Se la concentrazione di ioni H+ è maggiore, la soluzione si dice acida; se invece è maggiore la concentrazione di ioni OH-, si dice basica.

Visto che il prodotto di queste due concentrazioni deve essere costante capiamo che sono inversamente proporzionali. In particolare, considerando lo ione H+ possiamo affermare che quando [H+] > 10^-7 soluzione acida; [H+] < 10^-7 soluzione basica.

Il pH è una misurazione della concentrazione degli ioni H+ e la ‘p’ sta per -log e quindi si definisce pH il logaritmo decimale negativo della concentrazione molare degli ioni H+ (possiamo dire che il pH corrisponde all’esponente cambiato di segno della concentrazione molare degli ioni H+ quando è espressa in potenza di 10). I valori del pH vanno da 1 a 14 e quindi le soluzioni acide hanno pH minore di 7 mentre le soluzioni basiche maggiore di 7.

Introduciamo il pOH che corrisponde al -log[OH-] e sapendo che il valore massimo di pH è 14 sappiamo che pH + pOH = 14.

Forza degli acidi e delle basi

Secondo la definizione di Bronsted, la forza di un acido corrisponde alla sua attitudine a protonare l’acqua (formare ioni H₃O+). La costante di equilibrio in una soluzione con acido debole o forte diventa H₃O+ * A- / HA. La costante viene indicata con K_a e viene chiamata costante di ionizzazione acida e più è alto il suo valore più l’acido è forte. Gli acidi forti si ionizzano completamente cedendo all'acqua i loro protoni mentre tutti gli altri acidi sono acidi deboli.

L’equilibrio che si instaura tra una generica base B e l’acqua, la cui costante viene chiamata K_b, costante di ionizzazione basica, è tanto più forte quanto più grande è la sua Kb. Il prodotto delle costanti di ionizzazione di una coppia acido-base coniugata in soluzione acquosa corrisponde al prodotto ionico dell’acqua Kb*Ka=Kw.

Calcolo del pH e pOH

Per gli acidi forti in soluzione basta conoscere la concentrazione dell’acido per calcolare il pH mentre per le basi forti si può calcolare dalla concentrazione il pOH e poi il pH ricordandosi che pH + pOH = 14. In una soluzione con un acido debole possiamo risalire alla concentrazione di ioni H+ conoscendo la costante Ka dell’acido e la concentrazione dell’acido in soluzione e quindi [H+] = √(Ka*[acido]).

Per calcolare il pH di una base debole, allo stesso modo, con la concentrazione di ioni [OH-] calcolata [OH-] = √(Kb*[base]) e poi calcolare il pOH e poi il pH.

Esercizi

Per misurare il pH abbiamo bisogno di particolari apparecchi elettronici chiamati pH-metri oppure ci sono particolari sostanze organiche che cambiano colore a seconda del pH che assumono e sono dette indicatori. Ad esempio, in contattologia abbiamo il test lacrimale ‘filo di cotone al rosso fenolo’ e si tratta di un filo impregnato di rosso fenolo, sensibile al pH che cambia colore dal giallo al rosso quando viene bagnato, in particolare vira dal giallo (pH neutro circa=7) al rosso per il pH della lacrima circa=7.4.

Comunque, quando si ha il passaggio da un colore all’altro si chiama punto di viraggio e vuol dire che si è arrivato all’equilibrio di concentrazioni e quando stiamo effettuando una titolazione (tecnica di analisi quantitativa che serve a determinare la concentrazione incognita di una soluzione tramite aggiunte progressive di un’altra soluzione a titolo noto, detta titolante. Poiché le soluzioni acide e basiche una volta miscelate annullano le une le proprietà delle altre e la neutralizzazione dà come risultato un sale e acqua e libera una buona quantità di calore.

Una reazione di neutralizzazione quindi è la reazione che avviene tra una soluzione acida e una soluzione basica in quantità stechiometricamente equivalenti. Nelle neutralizzazioni gli ioni H+ devono reagire con egual numero di ioni OH- e si utilizza quindi il concetto di normalità e non molarità per esprimere le concentrazioni in modo da evidenziare il numero di protoni accettati o donati. La normalità di una soluzione è il rapporto tra numero di equivalenti di soluto e il volume della soluzione in litri. Un equivalente può essere definito come la quantità di composto a cui corrisponde una mole di unità reattive e per gli acidi o le basi l’unità reattiva è lo ione H+ quindi un equivalente di un acido è la quantità di acido che può fornire una mole di ioni H+; un equivalente di una base è la quantità di base che può fissare una mole di ioni H+.

La massa in grammi di un equivalente è detta massa equivalente ed è uguale al rapporto tra la massa molare e il numero di unità reattive presenti in una mole di sostanza m_eq = M (g/mol) / n_u (eq/mol). La neutralizzazione è effettivamente completa quando eq_acido = eq_base.

Idrolisi dei sali

Se aggiungiamo un sale in acqua non sempre otteniamo una soluzione con pH neutro, ad esempio una soluzione con KCl (cloruro di potassio) ha pH 7 ed è neutra ma una soluzione con NH₄Cl (cloruro di ammonio) è acida e ancora una soluzione con KNO₂ (nitrito di potassio) è basica. La reazione tra gli ioni del sale disciolto e le molecole d’acqua è chiamata idrolisi. Quando l’acqua con il sale disciolto non muta il suo pH vuol dire che gli ioni generati dal sale non reagiscono con le molecole d’acqua e sono detti ioni spettatori.

I sali che disciogliendosi in acqua formano ioni che reagiscono con essa si differenziano per il comportamento dato alla soluzione basico o acido a seconda del tipo di ioni che rilasciano, infatti quando un sale rilascia anioni provenienti da acidi deboli reagendo con l’acqua si comportano da basi. Tutti i cationi provenienti da basi deboli invece reagiscono con l’acqua comportandosi da acidi.

Se anione e catione provengono da acidi e basi forti la soluzione è neutra. Se l’anione proviene da acido debole e il catione da base forte la soluzione è basica; se l’anione proviene da acido forte e il catione da base debole, la soluzione è acida; se anione e catione derivano da acido e base entrambi deboli ma con valori simili di K_a e K_b la soluzione è neutra.

Soluzioni tampone

Dal momento che l’acqua ha rapide variazioni di pH, esistono delle soluzioni tampone o semplicemente tamponi: le soluzioni tampone sono soluzioni contenenti una coppia acido-base coniugata in cui le concentrazioni di acido e base, entrambi non forti, sono circa dello stesso ordine di grandezza.

Pressione osmotica

Pressione osmotica: pressione che deve essere esercitata sulla soluzione per impedire il passaggio del solvente (acqua) nella soluzione (acqua+zucchero). Indico tale pressione con Π. Π*V = nRT dove n è il numero di moli, R è una costante (R = 0.082 atm L/K mol) e T è la temperatura assoluta della soluzione in Kelvin (Celsius+273).

Soluzioni e concentrazioni

Soluzione: è un sistema omogeneo di due o più componenti che possono essere solidi, liquidi o gassosi. Il liquido presente in quantità maggiori è chiamato solvente (acqua) e la sostanza liquida o solida presente in minor quantità è chiamata soluto (zucchero).

Concentrazioni delle soluzioni

Esprime la quantità relativa dei soluti rispetto al solvente e può essere espressa in vari modi. Molarità (M) esprime il numero di moli di soluto contenute in un litro di soluzione. Molalità (m) esprime il numero di moli di soluto contenute in un kilo di solvente. Percentuale in peso o in volume esprime la quantità di peso o volume di soluto contenuto in 100 parti in peso o volume di soluzione (grammo o millilitro).

Massa atomica

È stata definita facendo riferimento alla massa dell'atomo particolare di carbonio chiamato isotopo 12 e a quest'atomo però non viene assegnata massa unitaria ma massa 12. L'unità di misura della massa atomica è il dalton (u) e corrisponde alla dodicesima parte della massa di un atomo isotopo12 di carbonio. Quindi dire che l'ossigeno ha massa 16u vuol dire che ha massa 16 volte più grande della dodicesima parte della massa isotopo12 di carbonio.

Tavola periodica

A sinistra ci sono tutti i metalli, poi la linea sulla destra iniziano i semimetalli e i non metalli e l'ultima colonna a destra sono i gas nobili. Proprietà dei metalli: duttilità, possibilità di ridurre in fili o in lamine molto sottili il metallo; malleabilità, possibilità di poter modellare il metallo.

Proprietà estensive e intensive

Le grandezze estensive dipendono dalla quantità di materia presente nel campione che si vuole misurare. Le grandezze intensive non dipendono dalla quantità di materia presente nel campione ma soltanto dalla natura del campione e dalle condizioni in cui esso si trova. Esempi: peso specifico, densità, temperatura di ebollizione sono proprietà intensive mentre massa (inteso come misura dell’inerzia di un corpo), peso, volume e lunghezza sono proprietà estensive.

Misure ed errori

Errori sistematici dovuti allo strumento di misura, errori accidentali dovuti a chi esegue la misura. Gli errori sistematici possono esser notevolmente ridotti o quasi eliminati del tutto mentre gli accidentali no. Se sono presenti in minima rilevanza errori sistematici la misura è accurata. Il valore più attendibile di misura è una media aritmetica.

Le cifre significative sono le cifre di una misura più la prima cifra incerta. Gli zeri che precedono a sinistra la prima cifra diversa da 0 non sono significativi, ad esempio 0.03000 ha tre cifre significative infatti gli 0 terminali a destra di una cifra decimale diversa da 0 sono cifre significative.

Fase

Si dice fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi. Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo. Se è costituito da più fasi è eterogeneo. Un sistema è puro quando è formato da una sola sostanza, è un miscuglio se formato da più sostanze. Una soluzione è un miscuglio di due o più sostanze ma fisicamente omogeneo. Il componente più abbondante è detto solvente e gli altri si chiamano soluti. Un miscuglio eterogeneo è costituito da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili.

Classe di materiali, colloidi intermedi tra miscugli omogenei e miscugli eterogenei. Le particelle fluttuano e abbiamo l'insieme di particelle chiamate fase dispersa e il solvente è la fase disperdente. Attraverso un raggio di luce capisco se si tratta di un miscuglio omogeneo o di colloidi. In una dispersione colloidale il raggio viene deviato dalla fase dispersa. Effetto Tyndall (fenomeno di diffusione della luce). Le dimensioni della fase dispersa al suo interno è compresa tra i 10^-6 e i 10^-9 m.

Passaggi di stato

• Solido → liquido: fusione
• Liquido → gassoso: evaporazione
• Solido → gassoso: sublimazione
• Gassoso → solido: brinamento
• Liquido → solido: solidificazione
• Gassoso → liquido (per raffreddamento): condensazione
• Gassoso → liquido (per aumento di pressione): liquefazione

Legge di conservazione della massa

La legge di Lavoisier afferma che in una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti.

Elemento e molecola

Un elemento è ciò che è costituito da atomi che hanno identiche proprietà chimiche. Una molecola è un raggruppamento di più atomi che possiede proprietà chimiche caratteristiche. Le proprietà macroscopiche della materia sono date da un insieme di atomi mentre le proprietà microscopiche sono proprietà chimiche che dipendono dalla natura degli atomi e delle molecole che costituiscono le sostanze.

Ioni

Ioni sono particelle elettricamente cariche. Ioni positivi sono detti cationi, mentre ioni negativi sono detti anioni. Sostanze formate da ioni sono composti ionici.

Leggi dei gas

Il principio di Avogadro afferma che volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole e non di atomi, quindi a pressione e temperatura costanti il volume di un gas è direttamente proporzionale al suo numero di molecole. La massa atomica relativa è all'isotopo12 del carbonio.

La massa molecolare (MM) è detta anche peso molecolare ed è la somma delle masse atomiche che compaiono nella formula della molecola. La mole indica la quantità di una sostanza, facendo riferimento alla quantità uguale al numero di atomi contenuti in 12 g di isotopo12 di carbonio. La massa molare (M) è uguale alla sua massa atomica o molecolare espressa in g/mol. La costante di Avogadro è pari a 6.022x10²³. Il numero di particelle è uguale al numero di moli moltiplicato per la costante di Avogadro.

Composizione percentuale e formula minima

La composizione percentuale di un composto è utile per determinare la massa effettiva di un elemento presente in una data massa di composto. La formula minima è considerata la formula 'base' di ogni composto, indica il rapporto di combinazione minimo con cui gli atomi si legano per formare la molecola. Tuttavia, non sempre la formula minima corrisponde alla formula molecolare, che può essere ricavata tramite la formula minima e il suo peso molecolare.

Teoria cinetica dei gas

L'energia cinetica media delle particelle del gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. La pressione è l'effetto macroscopico complessivo degli urti delle particelle di gas sull'unità di superficie e nell'unità di tempo.

La legge di Boyle o isoterma afferma che la pressione di una determinata quantità di gas a temperatura costante è inversamente proporzionale al volume (p*V = k). La legge di Gay-Lussac o isocora afferma che la pressione di una determinata quantità di gas a volume costante è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta (p/T = k). La legge di Charles o isobara afferma che il volume di una determinata quantità di gas a pressione costante è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta (V/T = k).

Il volume molare è il volume occupato da una mole di sostanza e nei gas, per il principio di Avogadro, ogni gas contiene lo stesso numero di molecole in uno stesso volume, è sempre lo stesso. A temperatura e pressione standard, ovvero 0° e 1 atm, indichiamo con la sigla STP e il volume molare corrisponde a 22.4 litri.

La legge generale dei gas è espressa come pV/T = k, in questo caso si sostituiscono i dati standard STP quindi pressione = 1 atm, V = 22.4 L e T = 273.15 Kelvin e otteniamo R, la costante universale dei gas, che vale R = 0.082 L * atm/mol * K. Considerando n moli di gas, abbiamo l'equazione di stato dei gas ideali pV = nRT. Questa equazione è valida anche per miscele gassose, non solo gas puri. La pressione di una miscela di gas è la somma di tutte le pressioni che esercita ciascun gas in assenza degli altri (pressione parziale).

Diffusione gassosa comporta la dispersione delle molecole di un gas all'interno di un altro. La velocità di diffusione, studiata da Graham, o più precisamente velocità di effusione (sperimentalmente si riuscì a calcolare la velocità con cui i gas attraverso un piccolo foro sfuggivano dal contenitore in cui erano racchiusi per raccogliersi in un altro in cui era stato fatto il vuoto). La velocità di effusione di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molecolare.

Isoterme e temperatura critica

Le isoterme sono curve che descrivono la variazione di volume al variare della pressione a temperatura costante. Nei gas reali, le isoterme si comportano similmente al gas perfetto alle alte temperature, mentre a temperature basse ogni tentativo di compressione rende il gas liquido senza modificare la pressione finché tutto il gas non diventa liquido. La temperatura dell'isoterma al di sotto della quale si può avere la condensazione del vapore è chiamata temperatura critica. La corrispondente pressione a cui inizia la condensazione è chiamata pressione critica.

Numero atomico e mole

Numero atomico (Z) indica il numero di protoni presenti nel nucleo dell'atomo.