Appunti Chimica organica

Chimica inorganica

Cosa è la chimica?

La chimica è la scienza che descrive la materia, le sue proprietà e le trasformazioni che essa subisce, insieme alle variazioni energetiche che accompagnano questi processi.

Obiettivo: comprensione delle dinamiche che stanno alla base di ciò che succede a livello molecolare, di comprendere il comportamento della materia studiandone gli atomi e le molecole.

Che cos'è la materia?

Materia = tutto ciò che ha massa e occupa uno spazio.

È costituita da varie combinazioni di forme semplici definite elementi chimici, costituiti ognuno da un’unica specie di atomi. Un elemento chimico è costituito da un’unica specie di atomi.

Gli atomi di un dato elemento hanno tutti la stessa massa e sono identici sotto tutti gli aspetti, compreso il comportamento chimico.

Massa = quantità di materia contenuta in un corpo.

Energia = capacità di compiere lavoro o di trasferire calore.

Elementi e composti

Elementi differenti possono combinarsi insieme per dar vita ai composti.

Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse.

Una reazione chimica è un esempio di trasformazione della materia, in particolare essa consiste nella ricombinazione degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo da ottenere nuove combinazioni chimiche nelle sostanze formate dalla reazione (prodotti).

Leggi fondamentali

• Legge di conservazione della massa in una reazione chimica, la materia non si crea e non si distrugge: Massa dei reagenti = Massa dei prodotti.
• Legge delle proporzioni definite (Proust): in un qualunque composto il rapporto tra le masse degli elementi che reagiscono è definito e costante, indipendentemente dal modo in cui è stato ottenuto.

Quando due sostanze si combinano per formare un composto, le loro masse si combinano in proporzioni definite e costanti. Le proprietà chimiche e fisiche di un composto sono diverse da quelle dei suoi costituenti.

La formula chimica

Formula chimica = fornisce il numero di atomi di ciascun tipo all’interno della molecola secondo la legge delle proporzioni. Essa riporta sia gli elementi presenti e sia i rapporti tra gli atomi degli elementi:

• L’informazione qualitativa è contenuta nei simboli degli elementi costituenti la specie chimica.
• L’informazione quantitativa è data dagli indici numerici che indicano i rapporti di combinazione.

Le parentesi, invece, indicano gruppi che compaiono più volte in una formula.

Es: Ca(OH)² La molecola contiene 1 atomo di Ca, 2 di O e 2 di H.

La formula del singolo atomo coincide con il simbolo dell’elemento. (Tavola Periodica)

NB: in natura atomi isolati non si trovano quasi mai (eccezione: gas nobili).

La formula chimica non indica il modo in cui gli atomi sono legati tra loro ma mostra mediante formula di struttura = una rappresentazione che mette in evidenza come sono legati reciprocamente gli atomi in un composto.

Gli atomi

L’atomo è una struttura nella quale è normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. Gli atomi non sono indivisibili come si credeva, ma sono formati da costituenti subatomici, da particelle più piccole (elementari).

Particelle subatomiche

Particelle fondamentali.

• I protoni (carichi positivamente).
• I neutroni (privi di carica) formano il "nucleo" (carico positivamente); detti "nucleoni"; stesso numero dei protoni.
• Gli elettroni (carichi negativamente) sono presenti nello stesso numero dei protoni e ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa rimanendo confinati all'interno degli orbitali (o "livelli energetici").

Rappresentazione di un atomo

Tutti gli atomi sono neutri poiché la carica positiva del nucleo è controbilanciata dalla carica negativa degli elettroni, i quali sono in numero uguale ai protoni.

Ogni atomo può essere rappresentato da un simbolo.

A: numero di massa = Σ protoni + neutroni.

Z: numero atomico = Σ protoni (= Σ elettroni).

Atomi aventi lo stesso numero atomico, ma dotati di numero di massa differente (numero di neutroni) si dicono isotopi di tale elemento.

La tavola periodica

Schema logico che mette in evidenza possibili regolarità nelle loro proprietà.

• Lavoisier nel 1787 stilò un elenco che comprendeva 33 elementi noti all’epoca.
• Berzelius nel 1818 elencò 47 elementi.
• Mendelev nel 1869 formulò la prima versione, coerente con l’attuale, della tavola periodica contenente 63 elementi.

Tavola periodica (Mendeleev, 1869)

Peso atomico crescente.

Disposizione degli elementi in ordine di peso atomico crescente in sequenze successive tali che gli elementi con proprietà chimiche simili venissero a collocarsi nella stessa colonna.

• Osservazione e correlazione di proprietà chimiche (reattività, colore, solubilità, acidità, etc.).
• Ordinamento secondo Peso Atomico (non Numero Atomico Z: non si conosceva ancora la struttura elettronica della materia).
• Previsione dell’esistenza di nuovi elementi in base a ‘buchi’ nella classificazione.

Tavola periodica attuale

Classificazione degli elementi secondo il numero atomico (Z) crescente.

Legge periodica: le proprietà degli elementi sono funzioni periodiche dei loro numeri atomici.

Come sono sistemati gli elementi?

Gli elementi sono distribuiti nella tavola periodica secondo il numero di protoni posseduti da ciascun elemento.

La posizione di un elemento nella tavola periodica costituisce un criterio di previsione delle sue proprietà.

Le colonne verticali della tavola periodica si chiamano gruppi, le righe orizzontali si chiamano periodi.

Ioni e composti

Ione = un atomo che, in particolari condizioni, perde o acquista elettroni, diventando così una specie elettricamente carica.

• Catione = un atomo che perde uno o più elettroni diventando carico positivamente, ovvero uno ione positivo.
• Anione = un atomo che acquista uno o più elettroni diventando carico negativamente, ovvero uno ione negativo.

Composti ionici

Composti formati da un catione e un anione, tenuti insieme da forze elettrostatiche.

Formule dei composti ionici: combinazione di un metallo con un non metallo. Nella formula il catione precede sempre l’anione.

Durante una reazione chimica, i metalli di solito cedono e^-, trasformandosi in cationi, mentre i non metalli acquistano e^- originando anioni.

Gli elementi metallici formano tipicamente cationi, quelli non metallici anioni.

• Le cariche degli ioni sono correlate con il gruppo al quale appartengono nella tavola periodica.
• Per determinare la carica di un anione identifichiamo il numero del gruppo di appartenenza e poi sottraiamo 18.

Gli ioni poliatomici

Gli ioni poliatomici sono gruppi di atomi legati tra loro in possesso di una carica complessiva di segno positivo o negativo.

Quando due ioni monoatomici o poliatomici si combinano tra loro dando luogo ad una specie neutra il composto formatosi si dice composto ionico.

Formule dei composti covalenti

Combinazione tra due non metalli.

Nella formula dei composti covalenti, precede l’elemento che appartiene al gruppo di numero più basso.

La maggior parte dei composti molecolari deriva dalla combinazione fra due o più elementi non metallici (CO², H²O, NH³, CHCl³).

La teoria atomica

• Conoscere la struttura atomica.
• Disposizione degli elettroni negli atomi (Configurazioni elettroniche).
• E le loro collocazioni spaziali (orbitali).

La teoria di Thomson e il modello atomico - 1897

In seguito alla scoperta di cariche positive e cariche negative costituenti la materia, nel 1904 il fisico inglese J.J. Thomson, nel suo modello atomico, ipotizzò che la carica positiva fosse omogeneamente distribuita e che gli elettroni fossero incastonati nell’atomo come “l’uvetta nel panettone”.

Gli elettroni comuni a tutti gli atomi, portano carica negativa unitaria (-1) e hanno massa molto piccola. Ogni atomo contiene un numero definito di elettroni.

Rutherford (1910) (Modello nucleare dell’atomo)

Bombardando una sottile lamina d’oro con particelle alfa prodotte da una sorgente radioattiva, Rutherford dimostrò che la maggior parte delle particelle attraversarono la lamina senza mutare direzione, alcune venivano riflesse indietro ad angoli acuti. Egli dimostrò che quasi l’intera massa dell’atomo è concentrata in un piccolo spazio al centro dell’atomo, il nucleo, e che gli elettroni sono posti a grande distanza dal nucleo.

Caratteristiche

• Atomo essenzialmente vuoto: poiché le particelle α hanno una massa notevolmente maggiore rispetto a quella di un elettrone, per passare indisturbate oltre la lamina non devono trovare ostacolo nelle masse dei singoli atomi di oro. La massa di ciascun atomo d'oro avrebbe dovuto concentrarsi in una regione particolare: il nucleo.
• Nucleo carico positivamente: il nucleo deve essere 10⁴-10⁵ volte più piccolo di quello dell'atomo, e deve essere carico positivamente.
• Rappresentava il I° modello planetario: dal momento che, in condizioni ordinarie, la materia è impenetrabile, bisogna supporre che gli elettroni impegnino comunque, in un qualche modo, la periferia dell'atomo (lo spazio intorno al nucleo). In prima approssimazione gli elettroni possono essere immaginati come i pianeti attorno al Sole.
• Atomo elettricamente neutro: il numero degli elettroni, carichi negativamente, deve essere uguale a quello delle cariche positive presenti nel nucleo, per cui l'atomo, nel suo complesso, è neutro.

Limiti

Non riesce a spiegare la stabilità dell’atomo.

Per spiegare l’esistenza dell’atomo occorre un modello che tragga origine da una nuova fisica basata su principi e postulati diversi da quelli classici:

La meccanica quantistica o ondulatoria

Il modello di Bohr: “Gli spettri di emissi