Chimica materiale per superare l'esame

Lavoisier e la legge di conservazione della massa

Riconobbe l’importanza delle misurazioni accurate e fece una serie di esperimenti sulla combustione. All’epoca si pensava che la combustione fosse dovuta a una proprietà chiamata flogisto espulsa dal legno o dai materiali quando bruciavano. Egli riscaldò dei metalli (stagno o piombo) in recipienti chiusi con quantità limitate di aria. La calce che si formava pesava di più del metallo originale, ma il peso dell’intero recipiente era immutato. Analogamente bruciando la legna la cenere residua era più leggera del legno di partenza ma il peso del recipiente rimaneva lo stesso. La trasformazione del metallo (o della legna) non era conseguenza della perdita di flogisto ma dell’acquisto di una parte di aria (ossigeno).

Legge di conservazione di massa: “In una reazione chimica la massa totale si conserva” (la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti).

2 g di idrogeno + 16 g di ossigeno = 18 g di acqua

Legge delle proporzioni definite (o legge di Proust)

Un composto puro, qualunque sia l’origine o il modo di preparazione, contiene sempre quantità definite e costanti degli elementi proporzionali alla loro massa.

La teoria atomica di Dalton

• Tutta la materia è composta da atomi indivisibili. Un atomo è una particella estremamente piccola che mantiene la sua identità durante le reazioni chimiche.
• Un elemento è un tipo di materia composto da un solo tipo di atomo. Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà.
• Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse. Due tipi di atomi in un composto si legano in proporzioni espresse da numeri semplici interi.
• Una reazione chimica consiste nella ricombinazione degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo da dare nuove combinazioni chimiche presenti nelle sostanze formate dalla reazione.

Elementi, composti e miscele

Strumento dell’atomo

Vari esperimenti condotti all’inizio del 1900 dimostrarono che gli atomi non sono indivisibili ma costituiti da particelle più piccole (elementari).

Tubo a raggi catodici

La deviazione di un raggio catodico da parte di un campo elettronico e di un campo magnetico.

Esperimento di Thomson

Misura del rapporto carica/massa dell’elettrone: un fascio di raggi catodici attraversa un campo elettronico e un campo magnetico. L’esperimento è predisposto in modo che il campo elettrico devii il fascio in una direzione mentre il campo magnetico lo devia nella direzione opposta. Bilanciando gli effetti è possibile determinare il rapporto carica/massa dell’elettrone.

Quantizzazione della carica elettrica: esperimento di Millikan

Struttura nucleare

Ogni elemento è caratterizzato da una carica nucleare tipica che è multiplo della carica elettronica e. Questo multiplo viene indicato con la lettera Z. Ad ogni Z corrisponde un atomo; nell’atomo neutro attorno a tale nucleo si muovono Z elettroni. Un nucleo è costituito da due tipi di particelle:

• Protoni carica +e, massa 1831 volte quella dell’elettrone;
• Neutroni carica 0, massa 1831 volte quella dell’elettrone.

Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri:

• Un numero atomico Z = numero di protoni;
• Un numero di massa A = numero di protoni + numero di neutroni.

Un nucleo particolare caratterizzato da Z e da A è anche chiamato nuclide e rappresentato con la seguente notazione: atomi i cui nuclei hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi. Gli elementi presenti in natura sono in genere miscele di isotopi: il postulato di Dalton rimane valido se si fa riferimento a una massa media: infatti la composizione isotopica rimane costante.

Il modello atomico – planetario di Bohr

1° ipotesi di Bohr

Esiste uno stato stazionario dell’atomo caratterizzato da particolari orbite circolari lungo le quali gli elettroni si muovono senza emettere radiazioni elettromagnetiche. Gli elettroni che percorrono tali orbite stazionarie possiedono una certa quantità ben definita di energia detta livello energetico dell’orbita. Raggio quantizzato: dalla condizione di quantizzazione del momento angolare si ricava la velocità che sostituita nella 1) fornisce la relazione quantistica del raggio.

Energia quantizzata (livello energetico)

L’atomo si spiega in base ad onde stazionarie di elettroni.

Relazione di L. de Broglie

Interferenza e diffrazione.

Orbitale atomico

L’atomo quanto-meccanico.

I numeri quantici degli orbitali

Gli orbitali e i numeri quantici.

Gli atomi si uniscono in un legame che non è indissolubile

Legge di Coulomb

Legame chimico

• Ionicov
• Covalentev
• Dativov

Oppure si possono verificare due casi limite.

Metodi basati sulla meccanica quantistica

Teoria del legame di valenza VB

Legami multipli.

Il legame chimico e la sua geometria

La geometria delle molecole: teoria VSEPR

Momento dipolare e geometria molecolare.

Teoria degli orbitali molecolari

La nomenclatura chimica

I composti possono essere indicati con nomi comuni oppure con nomi sistematici. Alcuni composti sono fatti da cationi ed anioni (ionici), altri non si separano in cariche elettriche (covalenti).

Composti ionici

Unità formula e peso formula. Un composto ionico è rappresentato da una formula chimica che indica il numero relativo di atomi di ciascun elemento nel composto.

I cationi

Nomenclatura degli anioni

Per gli anioni monoatomici si aggiunge il suffisso –uro alla radice del nome dell’elemento.

Ossianioni

Gli ossianioni contengono almeno un atomo di ossigeno. Aggiungere il suffisso –ato alla radice dell’elemento. Se ci sono ioni con minor numero di atomi di ossigeno essi assumono il suffisso –ito.

Ossiacidi

Basi

Acidi

F, Cl, Br, I sono alogeni. Gli “alogenuri d’idrogeno” – HF, HCl, HBr, HI sono denominati acido … –idrico.

Come si ottengono i sali

La formula chimica di un sale si può costruire come abbiamo appena esposto, ma i sali si producono attraverso numerose reazioni chimiche. Vediamo le principali.

Numero di ossidazione

• Regola 1
• Regola 2
• Regola 3
• Regola 4
• Regola 5 e 6

Struttura dei solidi cristallini

I materiali cristallini sono caratterizzati da una distribuzione regolare e rispettiva degli atomi nelle tre direzioni che definisce la sua struttura cristallina.

Celle unitarie

Sono l’unità strutturale di base la cui trasposizione nello spazio dà luogo ai cristalli.

Principali strutture dei materiali metallici

• Struttura cubica a facce centrali (CFC)
• Struttura cubica a corpo centrato (CCC)
• Struttura esagonale compatta (EC)

Legge di Bragg

Un fascio di raggi X può essere ricollegato all’esempio della luce monocromatica: gli atomi del cristallo (analogamente alle fenditure) danno luogo a diffrazione e quindi interferenze. La radiazione interagisce con atomi O, P, R e da interferenza per avere interferenza costruttiva occorre che: per cui i raggi X appariranno riflessi dal cristallo solo per angoli che rispettano questa relazione. Fascio raggi X colpisce il cristallo con angolo. Condizioni per avere diffrazione: che le spaziature fra i piani siano dell’ordine della lunghezza d’onda del fascio; che i centri diffusori siano distribuiti nello spazio in modo molto regolare.

Sistemi cristallini e reticoli di Bravais

Le diverse strutture cristalline possono essere divise in gruppi sulla base della forma della cella unitaria, indipendentemente dalla posizione occupata dagli atomi all’interno della cella. Questi gruppi prendono il nome di sistemi cristallini. I sistemi cristallini sono completamente descritti da 6 parametri, individuati su un sistema di coordinate x, y, z la cui origine viene posta in corrispondenza di un vertice della cella ed i cui assi vengono fatti coincidere con tre spigoli della cella. I sei parametri reticolari risultano così essere: gli impaccamenti ordinati producono strutture cristalline caratterizzate da:

Struttura CCC (cubica a corpo centrato)

Si può vedere come la CCC vi sia un atomo al centro e otto atomi situati sui vertici del cubo, ciascuno di questi ultimi è in comune con oltre 8 celle elementari; ne consegue che in totale vi saranno 2 atomi per cella ovvero:

Struttura CFC (cubica a facce centrali)

Struttura EC (esagonale compatta)

Numero di coordinazione

È il numero di atomi primari vicini a un atomo considerato; esso risulta essere pari a 8 per la CCC e pari a 12 per la CFC e CCF.

Fattore di compattazione

È il rapporto tra il volume occupato degli atomi in una cella ed il volume della cella stessa; esso viene calcolato applicando la seguente formula.

Densità del materiale

I solidi ionici: entrano in gioco due atomi A e B in realtà due ioni (+) e (-).

Legame covalente

La struttura del diamante, la struttura della grafite: legami covalenti e interazioni di van der Waals.

I solidi molecolari

Lo stato gassoso possiede diverse proprietà

• Proprietà estensive: massa, volume. Le proprietà estensive dipendono dalla quantità di sostanza.
• Proprietà intensive: temperatura, pressione. Caratteristiche come composizione, struttura, stato di aggregazione, sono dette proprietà intensive e dipendono dalla natura delle sostanze ma non dalla loro quantità.

Pressione

È una forza per unità di superficie ed è data semplicemente dal rapporto P=F/S quando F è uniformemente distribuita su S. Nei gas la pressione è legata agli urti delle particelle contro le pareti del recipiente. La pressione si valuta generalmente misurando l’altezza di una colonna di mercurio (Hg) che il gas riesce a sostenere contro la forza di gravità. Al livello del mare e a 0°C, la pressione atmosferica media fa salire la colonna di Hg a 760 mm.

Un barometro a mercurio

Meccanica delle palle da biliardo

Il modello cinetico molecolare di un gas. Le molecole di gas sono in movimento costante e le loro collisioni sono elastiche. Le collisioni con le pareti producono la pressione del gas. La pressione aumenta quando la quantità di gas aumenta; la pressione diminuisce quando il volume aumenta; la pressione aumenta quando la temperatura aumenta.