Elementi di Chimica

Elementi di chimica

Martina Contestabile Ingegneria Informatica - Comune A-L A.A 2020/21

Lunedì 22 Febbraio 2020

Che cos’è la chimica?

La chimica è la scienza della materia e delle sue trasformazioni.

Le origini della chimica provengono dall’alchimia, una fase pregressa, non si basava su un metodo scientifico, ma sull’empirismo, che ha permesso lo sviluppo di tecniche estrattive e lavorative.

Nella nostra concezione, c’è una distinzione fra naturale e chimico, ma ciò non è vero, basta considerare i seguenti esempi:

Central La chimica viene definita Science, essa è la base di numerose scienze. Anche nel mondo del lavoro, si interagisce con tematiche e problemi che non riguardano nello specifico ciò in cui ci focalizziamo nei nostri studi. Pagina 1

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In questo corso ci concentreremo sugli aspetti chimici di ciò che ci circonda, la “chimica dentro le cose”. Più che i singoli elementi, prediligiamo uno studio pratico, che entra dentro le cose.

La chimica solida e la chimica organica. I principi con cui funzionano si basano su reazioni chimiche, nonostante non appaia concretamente

Legge di Moore

Il numero di transistor in un circuito integrato di un dispositivo raddoppia ogni due anni.

Ha portato ad una crescita molto rapida del numero di transistor all’interno di dispositivi elettronici. Ha fatto sì che la miniaturizzazione dei circuiti venisse sempre più aumentata.

Non c’è una distinzione fra natura e chimica applicata alla tecnologia. La natura, tra l’altro, ci ispira nelle strutture e legami chimici da creare per ottenere ciò che desideriamo.

Esempi sono le porte logiche molecolari, etichette intelligenti. Pagina 2

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Ci sono tanti aspetti della chimica nelle tecnologie, importante è anche nell’Internet of Things, creare sensori per le rilevazioni, ad esempio dell’acqua, oppure i supercalcolatori, i computer quantistici...

Motivi validi per studiare chimica

• Capire meglio il mondo e l’ambiente in cui viviamo.
• Ampliare gli orizzonti culturali.
• Nella vita non si sa mai. Pagina 3

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Fondamenti di chimica

Costituenti dell’atomo

Dalla metà dell’ottocento c’è stato un incremento della scoperta degli elementi, Stanislao uno dei più importanti chimici fu Cannizzaro, che riportò il maggior numero di elementi.

Pochi elementi hanno abbondanza sulla terra, la maggior parte sono presenti in maniera marginale.

La teoria atomica risale a Democrito di Abdera, atomo significava “ciò che non può essere diviso”, era un concetto filosofico.

A seguire, la teoria atomica venne approfondita da Dalton, Thomson, Millikan e Rutherford.

Thomson fu il responsabile della scoperta dell’elettrone, misurò il rapporto fra massa e carica, che è -5,686 · 10^-12 Kg/C.

Attraverso un tubo di vetro parzialmente vuoto d’aria, un tubo a raggi catodici di cui erano note le caratteristiche elettriche e meccaniche. Gli elettroni emessi da un filamento incandescente vengono accelerati nel cannone e penetrano fra le armature (distanti ) di un condensatore piano, carico ad una differenza di potenziale V che li devia prima che colpiscano lo schermo. C

Tutto il tubo è sotto vuoto spinto per evitare gli urti con le molecole dell’aria.

Millikan (con i suoi studenti, tra cui Fletcher), determinò la massa dell’elettrone, che è -31 -19 9,109 × 10 Kg 1,602 × 10 C. La carica dell’elettrone, invece, è .

Nel 1897 il fisico e ingegnere britannico J. J. Thomson riuscì a misurare il rapporto carica/massa di un elettrone nel 1897; 14 anni dopo R. A. Millikan ottenne il valore della carica elettrica.

Egli irradiò con raggi X delle finissime gocce di olio spruzzate da un atomizzatore tra due piastre cariche.

I raggi X provocano l'espulsione di elettroni dagli atomi del gas dell'aria. Pagina 4

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Questi vengono captati dalle gocce d'olio che acquistano così una, due o più cariche elettriche negative.

Millikan misurò prima la velocità di caduta nell'aria delle gocce cariche di viscosità nota.

Successivamente misurò il voltaggio da applicare, necessario per sospendere le gocce tra le piastre.

Egli calcolò che la carica elettrica su qualsiasi goccia era sempre un multiplo intero di 1,6022 · 10^-19 Coulomb e, correttamente, concluse che questa doveva essere la carica di un singolo elettrone.

La carica acquistata dalla goccia d'olio può essere calcolata dalla tensione che deve essere applicata tra la piastra del condensatore perché vi sia uguaglianza fra la forza gravitazionale e forza elettrostatica.

Si riuscì successivamente anche a determinare la massa dell'elettrone.

Rutherford (e collaboratori, tra cui Geiger), si viene a conoscenza del nucleo atomico.

Bombardò una sottilissima lamina di oro con raggi alfa.

Le particelle alfa positive passavano nel 99% dei casi attraverso la lamina senza subire deviazioni. In qualche caso venivano deviate con angoli superiori ai 90° e, in un caso su 8000, venivano respinte indietro.

In base a questi dati Rutherford ipotizzò che:

• Poiché le particelle alfa nella maggior parte dei casi oltrepassavano la lamina d'oro senza subire deviazioni, significava che non incontravano alcun ostacolo sul proprio cammino e che quindi, l'atomo doveva essere formato prevalentemente da spazio vuoto.
• Poiché in qualche caso le particelle alfa venivano deviate e in rarissimi casi venivano riflesse, l'intera carica positiva (protoni) dell'atomo doveva essere concentrata in un "nocciolo" piccolissimo e centrale: il nucleo.
• Gli elettroni negativi dovevano muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del nucleo doveva essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo.

Questo modello atomico è detto modello planetario, poiché ricorda, in miniatura, il Sistema Solare in cui il sole rappresenta il nucleo dell'atomo e i pianeti gli elettroni, che si muovono, lungo le proprie orbite attorno al sole (nucleo dell'atomo).

I protoni e i neutroni occupano uno spazio molto piccolo nell’atomo, gli elettroni orbitano attorno a protoni e neutroni.

Per scoprire la vera struttura atomica, attualmente esistono strumentazioni di laboratorio altamente sofisticate, che aiutano a Pagina 5

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Nell’atomo deve esserci un bilanciamento di carica, il numero di protoni ed elettroni deve essere sempre uguale, altrimenti l’atomo è instabile.

Applicando alla carica nello spettrometro un campo magnetico, si avrà una deviazione, causa Forza di Lorenz, che viene analizzata dal detector. Nel caso del neon, la maggior parte sono con carica positiva, circa il 90%, il resto sono 20 Ne 21 Ne 22 Ne, ovvero gli isotopi.

Gli isotopi sono le varianti di un atomo, le cui diversità consistono nel numero di neutroni.

Isotopi: stesso numero atomico Z, ma diverso numero di massa A. Pagina 6

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La tavola periodica

Giovedì 25 Febbraio 2021

L’inventore della tavola periodica fu Dimitrij Mendeleev. Tuttavia, Cannizzaro presentò la lista degli elementi esistenti, da qui nacque la necessità di ordinarli. Mendeleev lo fece incaricato dallo Zar, ma non è l’unico che creò un’organizzazione. La sua intuizione fu quella di ordinarli per massa atomica. Un’altra intuizione notevole fu quella di capire che non erano stati scoperti ancora tutti gli elementi. Infatti, la prima tavola periodica aveva solo 63 elementi, quella attuale 118. Quindi, egli lasciò degli spazi per gli elementi che sarebbero stati scoperti. Pagina 8

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La tavola periodica degli elementi è un riferimento importante per organizzare gli elementi. Essa è divisa in colonne dette gruppi, che sono 8 + gli elementi di transizione il gruppo uno è quello degli alcalini, il secondo degli alcalino terrosi, il settimo degli alogeni e l’ottavo dei gas nobili. Il gruppo degli elementi di transizione contiene i metalli di transizione.

Gli elementi chimici sono ordinati in numero atomico crescente. Gli elementi della stessa colonna (gruppo) hanno configurazione elettronica esterna simile e ciò comporta la somiglianza delle proprietà chimiche e delle proprietà fisiche di questi elementi.

L’idrogeno, nonostante sia nel gruppo uno, non fa parte dei metalli alcalini, è un non-metallo costituito da un solo elettrone.

La periodicità della tavola degli elementi è quindi dovuta alla struttura elettronica più esterna degli elementi. Gli elettroni presenti nell'ultimo livello di energia sono chiamati elettroni di valenza. Pagina 9

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La mole

La mole è la quantità di sostanza che contiene un numero di Avogadro di particelle elementari, atomi o molecole. Quindi: per prelevare una mole di qualsiasi sostanza, basterà pesarne una quantità in grammi numericamente uguale alla massa atomica o alla massa molecolare. In tal modo saremo sempre certi che con tale quantità preleveremo sempre un numero di Avogadro di atomi o di molecole.

Poiché l'unità di massa atomica scelta è il Dalton, unità di massa atomica, che corrisponde alla dodicesima parte dell'atomo di 12C, occorre dare per la mole una definizione più rigorosa, che è quella adottata nella comunità scientifica: la mole è la quantità di sostanza che contiene tante entità elementari, atomi o molecole, quanti sono gli atomi presenti in 12 g di carbonio 12C.

La mole per il chimico è quindi l'unità di misura fondamentale; essa, infatti, permette di determinare il numero delle particelle contenute in una determinata quantità di sostanza.

La massa in grammi di una mole prende il nome di massa molare, misurata in g/mol, e il suo simbolo è M.

La mole ci consente il passaggio dalla sfera microscopica a quella macroscopica, riusciamo a trovare la massa della molecola considerata.

Una mole di qualsiasi sostanza ha sempre 6,022 · 10²³ atomi. Pagina 10

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Nel caso ci sia un pedice, la massa atomica va moltiplicata per quel pedice!

La massa atomica del composto è la somma delle masse atomiche del singolo elemento, ciascuno considerato con il proprio pedice. Pagina 11

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Crescendo di informazioni sulla molecola che devo studiare

Quando si ha stessa formula molecolare, come nell’alcol etilico e nell’etere dimetilico, si ha un caso di isomeria, solo la formula di struttura ci aiuta a capire le proprietà chimico-fisiche dei composti

Lunedì 1 Marzo 2021

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Reazioni chimiche: scrittura e bilanciamento

Reazioni (equazioni) chimiche: scrittura e bilanciamento

Un confronto tra le masse non indica il rapporto con cui i reagenti si combinano per dare i prodotti. Ad esempio, 4,032g di H2 e 31,99g di O2 reagiscono per formare 36,22g di H2O.

Questi dati confermano solo che la massa si conserva (Legge di Lavoisier) se convertiamo queste masse in moli.

2 mol di H2 e 1 mol di O2 reagiscono per formare 2 mol di H2O e, quindi, 2 molecole di H2 e 1 molecola di O2 formano 2 molecole di H2O.

Nel momento in cui scrivo, devo considerare che il coefficiente stechiometrico indica allo stesso tempo il numero di atomi e le moli, permettendoci di vedere che la reazione è bilanciata.

Ho una reazione con ossigeno biatomico, che poi si spezzerà. Bisogna tener conto della realtà chimica, quindi considerando la chimica della reazione moltiplico per 2Mg + O2 → 2MgO, altrimenti avrei 1/2. Pagina 13

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Avvertenze generali e consigli pratici

Le reazioni si bilanciano modificando solo i coefficienti davanti alle formule e mai cambiando i pedici!

Nel bilanciare una reazione è meglio cominciare con un elemento che compare in un’unica specie (o nel numero minore) su ogni lato della reazione.

Quando uno dei reagenti o dei prodotti esiste come elemento libero bisogna bilanciare questo elemento per ultimo.

In alcune reazioni certi gruppi di atomi (ad esempio ioni poliatomici) restano immutati. In tal caso, si possono bilanciare questi gruppi come unità.

Esempi

• C8H18 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)
• C8H18 (g) + 25 O2 (g) → 8CO2 (g) + 9H2O (g)
• 2C8H18 (g) + 25O2 (g) → 16CO2 (g) + 18H2O (g)
• Pb(NO3)2 (aq) + Kl (aq) → Pbl2 (s) + K NO3 (aq)
• Pb(NO3)2 (aq) + 2Kl (aq) → Pbl2 (s) + 2K NO3 (aq)
• Na2CO3 (s) + HCl (l) → NaCl (aq) + CO2 (g) + H2O (l)
• Na2CO3 (s) + 2HCl (l) → 2NaCl (aq) + CO2 (g) + H2O (l) Pagina 14

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Reagente limitante e reagente in eccesso

Spesso i reagenti non vengono mescolati in un rapporto esatto richiesto dalla stechiometria della reazione. Ci saranno quindi reagenti limitanti e in eccesso.

Esempio: antimonio e iodio riscaldati insieme formano lo ioduro di antimonio (III)

2Sb (s) + 3I2 (s) → 2SbI3 (s).

Supponiamo di mescolare 15 moli di Sb con 15 moli di I2. Per avere l’equivalenza le moli di I2 dovrebbero essere i 3/2 delle moli di Sb.

Reagente limitante → I2 (reagisce completamente) → Sb Reagente in eccesso (10 moli di Sb reagiscono, restano in eccesso 5 moli).

La quantità di prodotto viene determinata dalla quantità di reagente limitante tenendo conto dei coefficienti stechiometrici: nSbI3 = 2/3 nI2 = 10 moli.

Con il termine resa, in chimica vengono indicate diverse figure di merito che fanno riferimento alla quantità di prodotto che si è riusciti ad ottenere da una reazione chimica.

Ci sono prodotti principali, ma anche una serie di prodotti collaterali

Si definisce resa assoluta (o resa effettiva) il rapporto tra la quantità di prodotto ottenuto dallo svolgimento di una reazione chimica e la quantità di reagente inizialmente contenuto nell'ambiente di reazione.

La resa teorica è la quantità di prodotto teoricamente ottenibile se tutto il reagente limitante si trasformasse durante la reazione chimica.

La resa teorica è pari a nlp = vl/vp, dove:

• Vp e vl sono i coefficienti stechiometrici relativi al prodotto (P) e al reagente limitante (L), ottenibili dall'equazione della reazione.
• Nl è la quantità di reagente limitante.

Trattandosi di un valore di massa, la resa teorica può essere espressa in grammi. Pagina 15

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Le soluzioni

La soluzione è un sistema omogeneo costituito da almeno due componenti. Il componente maggioritario è chiamato solvente, mentre quelli minoritari sono chiamati soluti.

Per caratterizzare una soluzione occorre specificare, oltre ai componenti, anche le loro abbondanze relative. In genere, si usano grandezze intensive. Una delle più impiegate è la concentrazione, che può essere espressa in vari modi:

• Molarità (M) = moli di soluto / 1 dm3 di soluzione (1L).
• Molalità (m) = moli di soluto / 1 kg di solvente.
• Frazione molare (x1) = n1 / (n1 + n2).
• Massa percentuale = (massa soluto/massa soluzione) · 100. Pagina 16

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Lunedì 8 Marzo 2021

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Concetti fondamentali sulle ossidoriduzioni

Le specie chimiche che cedono elettroni si ossidano e quelle che li accettano si riducono:

2Mg + O2 → 2(Mg2+)(O2−)

Il magnesio si ossida, l’ossigeno si riduce

Il processo di ossidoriduzione può essere suddiviso in semi-reazioni di ossidazione e di riduzione.

Il numero di elettroni ceduti da una specie deve equivalere al numero di elettroni acquistati dall’altra specie.

La specie che ossida (ossidante) si riduce.

La specie che riduce (riducente) si ossida.

Il numero (stato) di ossidazione è la carica che l’atomo di una molecola (o composto ionico) avrebbe se gli elettroni non fossero condivisi, ma completamente trasferiti.

BaSO4 + C → BaS + CO

+2 +6 -8 0 +2 -2 +2 -2

S: +6 → + 8e− → −2

C: 0 → −2e− → −2

Bisogna bilanciare