Chimica

Chimica

1 Introduzione 6

Teorie atomiche

2.1 Legge della conservazione delle masse - Lavoisier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Legge delle proporzioni definite - Proust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Legge delle proporzioni multiple - Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Prima teoria atomica di Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.5 Legge di combinazioni dei volumi - Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.6 Ipotesi di Avogadro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.7 Ipotesi di Cannizzaro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.8 Unità di massa atomica amu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.9 Mole [mol] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.10 Stechiometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.11 Formule chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.12 Teorie atomiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.12.1 Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.12.2 Tubi catodici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.12.3 Millikan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.12.4 Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Interazioni tra materie e luce

3.1 Spettro di emissione del corpo nero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.1 Wien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.1.2 Rayleigh e Jeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.3 Planck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Effetto fotoelettrico - Ipotesi di Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Modello atomico di Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 Dualismo onda-particella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.5 Principio di indeterminazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.6 Equazione di Schrodinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.7 Equazione fondamentale della meccanica quantistica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.8 Onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Orbitali atomici e la loro rappresentazione

4.1 Orbitali di tipo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Orbitali di tipo p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3 Orbitali di tipo d e di tipo f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.4 Atomi polielettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.5 Approssimazione orbitalica del campo autoconsistente di Hartree . . . . . . . . . . . . . 26

4.6 Struttura elettronica degli atomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Il sistema periodico

5.1 Proprietà chimiche degli elementi e loro periodicità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2 Rappresentazione del sistema periodico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.3 La struttura della tavola periodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4 Proprietà periodiche degli elementi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.1 Dimensioni atomiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.2 Energia di ionizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.4.3 Affinità elettronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Il legame chimico

6.1 Energia di legame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Legami chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2.1 Legame ionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2.2 Energia reticolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2.3 Valenza ionica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.2.4 Legame covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.3 Polarità dei legami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.4 Elettronegatività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.5 Risonanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.6 Carica formale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.7 Legame di coordinazione o dativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.8 Teoria del legame di valenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.9 Orbitali ibridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.9.1 Ibridizzazione sp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.9.2 Ibridizzazione sp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.9.3 Ibridizzazione sp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.9.4 Molecole con legami multipli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.10 Teoria VSEPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.11 Teoria degli orbitali molecolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.11.1 Metodo LCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.11.2 Regole di combinazione degli orbitali atomici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.11.3 Distribuzione degli elettroni in alcune molecole biatomiche omonucleari . . . . . . 39

6.11.4 Molecole biatomiche eteronucleari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.11.5 Molecole con sistemi elettronici delocalizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.12 Legame metallico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.12.1 Conduttori, isolanti e semiconduttori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6.13 Legame a idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.13.1 Forze di van der Waals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Stato gassoso

7.1 Legge di Boyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.2 Leggi di Charles-Gay Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7.3 Equazione generale di stato dei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.4 Miscele gassose, pressioni parziali e legge di Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

7.5 Legge di Graham . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7.6 Teoria cinetica dei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7.7 Distribuzione delle velocità di Maxwell-Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7.8 Gas reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

7.9 Liquefazione dei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Termodinamica chimica

8.1 Sistemi, stati e funzioni di stato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.2 Energia, lavoro e calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.3 Primo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.4 Entalpia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.4.1 Trasformazioni a volume costante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.4.2 Trasformazioni a pressione costante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8.5 Relazione tra ΔE e ΔH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.6 Termochimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.7 Entalpia di formazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.8 Legge di Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

8.9 Dipendenza dei calori di reazione dalla temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

8.10 Trasformazioni spontanee e disordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.11 Processi reversibili ed irreversibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.12 Entropia e secondo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8.13 Interazione statistico-molecolare dell’entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

8.14 Terzo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

8.15 Variazione di entropia nei sistemi isolati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.15.1 Processo reversibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.15.2 Processo irreversibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.16 Energia libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.16.1 Dipendenza dell’energia libera dalla pressione e dalla temperatura . . . . . . . . . 63

8.16.2 Come varia l’energia libera di un sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Liquidi

9.1 Evaporazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

9.2 Passaggi di stato nei sistemi ad un componente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

9.3 Diagrammi di stato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

9.3.1 Diagramma di stato dell’acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

9.3.2 Diagramma di stato dello zolfo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Miscele

10.1 Concentrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

10.2 Formazione delle soluzioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

10.3 Tensione di vapore e legge di Raoult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

10.3.1 Distillazione frazionata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

10.4 Osmosi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

10.5 Elettroliti e non elettroliti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

10.6 Miscele azeotropiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

10.7 Regola delle fasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

10.8 Miscele di due liquidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Cinetica chimica

11.1 Velocità di reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

11.2 Legge cinetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

11.3 Reazioni del primo ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

11.4 Reazioni del secondo ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

11.5 Reazioni di ordine zero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

11.6 Dipendenza dalla velocità di reazione dalla temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

11.7 Equazione di Arrhenius e teoria delle collisioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

11.8 Catalisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Equilibri chimici

12.1 Legge di azione di massa e costante di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

12.2 Modi di esprimere la costante di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

12.3 Fattori che influenzano l’equilibrio chimico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

12.4 Costante di equilibrio e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

12.5 Equilibri nei sistemi eterogenei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

12.6 Costante di equilibrio e grado di dissociazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

12.7 Equilibrio ionici acido-base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

12.8 Autoionizzazione dell’acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

12.9 Soluzioni acquose con acidi o basi forti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

12.9.1 Acido forte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

12.9.2 Base forte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

12.10 Soluzioni acquose con acidi o basi deboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

12.10.1 Acido debole monoprotico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

12.10.2 Base debole monoprotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

12.11 Acidi e basi poliprotici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

12.11.1 Acido forte poliprotico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

12.11.2 Base forte poliprotica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

12.12 Soluzioni tampone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

12.13 Ioni come acidi e basi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

12.14 Titolazioni acido-base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

12.15 Equilibri di solubilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

12.15.1 Effetto dello ione a comune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

12.15.2 Precipitazione frazionata e selettiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

12.15.3 Influenza del pH sulla solubilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Elettrochimica

13.1 Pile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

13.2 Potenziale di un semielemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

13.2.1 Potenziale di un semielemento in cui l’elettrodo partecipa alla reazione . . 106

13.2.2 Potenziale di un semielemento in cui l’elettrodo non partecipa alla reazione 107

13.3 Equazione di Nernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

13.4 Pile di concentrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

13.5 Dipendenza del potenziale di un semielemento dal pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

13.6 Determinazione potenziometrica del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

13.7 Relazione tra energia libera di reazione e f.e.m. di una pila . . . . . . . . . . . . . . . . 109

13.8 Corrosione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Introduzione

La materia è ciò che ha massa e occupa uno spazio.

Essa è caratterizzata da:

• Proprietà fisiche: descrivono lo stato della materia;
• Proprietà chimiche: descrivono la trasformazione della materia;
• Proprietà estensive: dipendono dalla quantità di materia;
• Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di materia.

Proprietà e trasformazioni della materia avvengono nel mondo macroscopico ma dipendono dalle proprietà microscopiche, cioè quelle che riguardano atomi e molecole.

Se la materia non ha composizione variabile stiamo parlando di una sostanza pura:

• Composto: costituito da almeno due tipi di atomi diversi, può essere decomposto in elementi con metodi chimici;
• Elemento: costituito da atomi tutti uguali tra di loro, essi possono essere in forma monoatomica, molecolare, cristallina o metallica.

Se invece la materia ha composizione variabile parliamo di miscele (unione di uno o più sostanze), esse possono essere:

• Omogenee: le sostanze non si distinguono;
• Eterogenee: le sostanze si distinguono.

Quando parliamo di miscele e sentiamo la parola fase, intendiamo una porzione di materia con proprietà costanti in ogni punto, quindi con la stessa composizione.

Le molecole sono costituite da atomi; esistono 92 elementi naturali e 26 elementi sintetici, questi sono raccolti nella tavola periodica.

Ogni elemento sulla tavola presenta due numeri al pedice e all’apice, rispettivamente:

• Numero di massa: massa degli atomi espressa in uma, atomi dello stesso elemento possono avere numero di massa diverso;
• Numero atomico: indica quanti protoni ci sono nel nucleo, atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero atomico.

La chimica si può dividere in:

• Organica: studia i composti del carbonio: nomenclatura, sintesi, meccanismi, metodi fisici di riconoscimento e caratterizzazione;
• Biochimica: studia le molecole che hanno attività biologica;
• Analitica: caratterizzazione di una matrice, quantificazione di un componente, ricerca di molecole indesiderate;
• Chimica-fisica: applica le leggi fisiche ai sistemi fisici atomo e molecola.

Il metodo scientifico si divide in quattro parti: osservazione di un fenomeno, misura delle grandezze, ipotesi e formulazione di una teoria.

La misura in tutti i casi porta ad avere un errore, che può essere sistematico se incide sull’accuratezza, o casuale, se incide sulla precisione.

Teorie atomiche

2.1 Legge della conservazione delle masse - Lavoisier

La massa totale delle sostanze reagenti coinvolte in una trasformazione chimica è uguale alla massa totale delle sostanze prodotte per effetto di quella trasformazione.

Gli atomi di un elemento presente tra i reagenti devono essere in numero uguale a quelli presenti tra i prodotti, o nel caso in cui la reazione coinvolga ioni, la carica elettrica dei reagenti deve essere mantenuta nei prodotti.

Nulla si crea e nulla si distrugge, tutto si trasforma.

2.2 Legge delle proporzioni definite - Proust

Un composto è caratterizzato dall’avere rapporti ponderali definiti e costanti tra gli elementi componenti.

2.3 Legge delle proporzioni multiple - Dalton

Se un elemento A reagisce con un elemento B formando una serie di composti, le masse di A nei vari composti che reagiscono con una massa fissa di B, stanno tra di loro secondo numeri interi, generalmente piccoli.

2.4 Prima teoria atomica di Dalton

1. La materia è formata da particelle piccolissime e indivisibili dette atomi.
2. Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra di loro.
3. Gli atomi di elementi diversi hanno masse differenti.
4. Le reazioni chimiche consistono nella separazione e ricombinazione di atomi, ma nessun atomo