Chimica generale e inorganica

CHIMICA GENERALE ED INORGANICA

a.s. 2024-25, I semestre, prof.ssa Delli Castelli

INDICE:

1)​ Materia:

a)​ Definizione. Sostanze pure, composti e miscele;

2)​ Teoria atomica della materia.

a)​ Particelle subatomiche: protoni, elettroni e neutroni.

b)​ Numero atomico e numero di massa.

c)​ Isotopi.

d)​ Massa atomica; Struttura dell’atomo.

3)​ Radiazioni elettromagnetiche e materia.

a)​ Atomo di Bohr.

b)​ Descrizione quanto-meccanica dell’atomo.

c)​ Numeri quantici, orbitali atomici. Principio di Pauli. Regola di

Hund. Metodo dell’Aufbau;

4)​ Composti chimici

5)​ Tabella periodica degli elementi.

a)​ Proprietà periodiche

6)​ Legame chimico:

a)​ Legame ionico e covalente,

b)​ strutture di Lewis,

c)​ Distanze, energie e polarità dei legami. Concetto di risonanza.

7)​ Carica formale e numero di ossidazione.

a)​ Forma delle molecole: teoria VSEPR.

b)​ Concetto di risonanza.​

8)​ Teoria del legame di valenza: orbitali ibridi.

9)​ Teoria degli orbitali molecolari. Polarità delle molecole: legami

intermolecolari;

10)​ Nomenclatura (1 e 2)

11)​ Stati di aggregazione delle materia.

a)​ Stato gassoso: leggi dei gas ideali e reali.

b)​ Stato liquido e stato solido: Soluzioni. Concentrazione.

12)​ Proprietà colligative delle soluzioni; Meccanismo di reazione.

Catalisi; Equilibrio chimico. Costante di equilibrio. Principio di Le

Chatelier;

13)​ Acidi e Basi. Teorie di Arrhenius, Bronsted-Lowry e Lewis. Forza di

un acido e di una base.

14)​ Soluzioni Tampone; Equilibri di dissoluzione/precipitazione.

15)​ Solubilità e prodotto di solubilità. Fattori influenzanti la

solubilità;

16)​ Elettrochimica. Reazioni di ossidoriduzione. Celle galvaniche ed

​

elettrolitiche. Equazione di Nernst. Pile

1)​LA MATERIA

-​ Chimica: definizione

Nasce come disciplina empirica per classificare sostanze, le loro

proprietà e le loro trasformazioni

-​ utile per decifrare i processi alla base della vita

Materia: ogni cosa che occupa spazio ed ha massa

Stati di aggregazione:

: particelle si muovono casualmente nello spazio ed occupano

★​

GAS

un grande volume → non ha volume e forma propria

: particelle hanno minor libertà di movimento → ha volume

★​

LIQUIDO

proprio ma assume forma del contenitore

: particelle disposte nello spazio in modo fisso e regolare,

★​

SOLIDO

non può essere compresso

Ulteriori stati di aggregazione:

: gas ionizzato, altamente eccitato in cui gli atomi o le molecole

PLASMA

si muovono liberamente nel materiale. Costituito principalmente da

particelle cariche : proprietà intermedie tra liquido e solido (es

★​

LIQUIDO CRISTALLINA

membrane cell) : propr intermedie tra liquido e gas

★​

FLUIDO SUPERCRITICO

SUDDIVISIONE DELLA MATERIA:

: composizione fissa e proprietà distinte

SOSTANZE PURE

: sostanze base, non decomponibili

★​

ELEMENTI : dall'unione di due o più elementi in proporzioni definite,

★​

COMPOSTI

sono decomponibili : combinazione di due

MISCELE

o più sostanze in cui ognuna

mantiene la sua identità chimica

e le sue proprietà : non

★​

ETEROGENEE

uniformi in tutto il sistema

: (soluzioni):

★​

OMOGENEE

uniformi in tutto il sistema.

Separabili solo grazie a differenti

proprietà fisiche

Proprietà:

●​ : possono essere modificate senza cambiare l'identità della

FISICHE

sostanza

●​ : come un sostanza può essere modificata per diventare

CHIMICHE

un'altra

2) La teoria atomica

LA STORIA

-​ Platone e Aristotele (V-IV sec a. C.): La materia ha carattere continuo

-​ Democrito (V-IV sec a. C.): la materia è composta da particelle fondamentali

indivisibili che variamente combinandosi formano la moltitudine dei cori

materiali

Nei secoli successivi si affermò il pensiero di Aristotele che, essendo anti-atomista,

frenò la visione atomica

-​ Solo a inizio 1800, con la scoperta delle leggi ponderali, l’ipotesi atomica fece

il suo ingresso definitivo nella scienza

LEGGI PONDERALI:

LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DI MASSA

(Legge di Lavoisier, 1785)

La massa totale della materia dopo una reazione chimica è uguale alla massa

totale prima della reazione (Nulla si crea nulla si distrugge ma tutto si

trasforma)

Post Dalton: è conseguenza del fatto che le reazioni chimiche ricombinano

tra loro gli stessi elementi dei composti di partenza e di arrivo quindi va da se’

che la massa ne risulti invariata

LEGGE DELLE PROPORZIONI DEFINITE (PROUST 1799)

In un dato composto il rapporto tra le quantità in peso degli elementi

costitutivi è definito e costante

CONSEGUENZE:

-​ se in una reazione si impiegano quantità di reagenti che non rispettano il

rapporto fra le masse, la parte in eccesso non reagisce

-​ questa legge permette di distinguere i composti dai miscugli (la composizione

di un miscuglio può variare, quella di un composto no)

Post Dalton: in un dato composto il numero ed il tipo relativo di atomi sono costanti

LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE (Dalton 1807)

Quando due elementi possono combinarsi in rapporti ponderali diversi per formare

diversi composti, le quantità di uno di essi che nei vari casi si combinano con la

medesima quantità dell’altro stanno tra loro in rapporti espressi da numeri interi

Post Dalton: è conseguenza del fatto che gli atomi entrano sempre interi in

qualunque reazione chimica

TEORIA ATOMICA DI DALTON :

-​ la materia è composta da atomi indivisibili

-​ gli atomi di uno stesso elemento sono identici

-​ gli atomi di un elemento non si convertono in un altro elemento mediante reazioni

chimiche

-​ gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di altri elementi

-​ Gli atomi non possono essere creati né distrutti, si trasferiscono interi da un

composto ad un altro

+​ Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici ; atomi differenti elementi sono

differenti ed hanno differenti di proprietà

+​ I composti si formano quanto atomi di più di un elemento si combinano; un dato

composto ha lo stesso numero relativo e tipo di atomi

RIASSUMENDO:

ELEMENTO: composto da un solo tipo di atomo

COMPOSTI: atomi di 2 o più elementi, si combinano in proporzioni definite

THOMSON scopre che nell’atomo sono presenti delle particelle cariche negativamente =>

elettroni

Lo scopre con l’esperimento del tubo a raggi catodici:

immagina un plum pudding model: nuvola di carica positiva all’interno della quale fossero

immersi degli elettroni −19

MILLIKAN misura la carica dell’elettrone (1.6x COULOMB) grazie all’

10 Esperimento della goccia

d’olio:

→ Analizzando numerosi

dati, giunge alla conclusione

che la grandezza della

carica q della gocciolina è

un multiplo intero della

carica elettronica e (q=ne)

RADIOATTIVITÀ:

-​ Roentgen (premio nobel per la fisica 1901) scopre che quando degli elettroni

colpiscono certi materiali vengono emesse delle radiazioni elettromagnetiche

estremamente energetiche, dette "raggi x".

-​ Becquerel scopre che minerali contenenti uranio producono radiazioni ad

elevata energia simili ai raggi x.

-​ I Curie riuscirono ad isolare gli elementi radioattivi (uranio, polonio e radio) nei

minerali a base di uranio (pechblenda e torbernite)

Rutherford scopre che le sorgenti radioattive possono emettere tre tipi di radiazioni:

●​ raggi a: particelle cariche positivamente ( fascio di nuclei di He, He2+)

●​ raggi b: elettroni ad alta velocità ( fascio di elettroni ad alta velocità (energia) che

si origina nel nucleo)

●​ raggi radiazioni elettromagnetiche ad alta energia

: :

CONCLUSIONI

-​ La maggior parte della massa e tutta la carica positiva è concentrata in una

piccola regione chiamata nucleo

-​ ci sono tanti elettroni all’esterno del nucleo quanti protoni nel nucleo

-​ gli e ruotano intorno al nucleo altrimenti l’attrazione coulombiana farebbe collassare

l’atomo

La carica positiva del nucleo viene ad assumere il valore del numero atomico. Il rapporto

invece rispetto al peso atomico della carica nucleare è di circa 0.5-0.4 (cioè il rapporto medio

tra numero di protoni e peso atomico). Da queste scoperte si dedusse che il numero di

elettroni dovendo bilanciare le cariche positive del nucleo fosse uguale al numero atomico

dell’elemento considerato anch’esso. Poiché i pesi atomici sono circa il doppio rispetto al

numero atomico, se ne dedusse che il nucleo dovesse contenere altre particelle dotate di

massa ma non di carica

Rutherford scopre il PROTONE

Riassumendo: le principali particelle subatomiche sono:

-19

●​ elettrone: carica (-) (-1.602 x 10 c) e massa: 9.1110-28 g.; per convenienza, la

carica di particelle atomiche e subatomiche è espressa come multiplo di questo

valore (carica elettronica) carica = -1.

●​ protone: ha carica +1 e massa: 1.6710-24 g.

●​ neutrone: particella neutra del nucleo con massa: 1.6710-24 g.

-14 -10

Le dimensioni del nucleo (10 m) sono piccole rispetto alle dimensioni dell’atomo (10 m).

La maggior parte dello spazio atomico è lo spazio vuoto in cui gli elettroni ruotano, trattenuti

vicino al nucleo dalle forze di attrazione tra particelle di carica opposta -24

1 u.m.a. (unità di massa atomica) = 1.66054 x 10 g

numero atomico z = numero di protoni nel nucleo

numero di massa a = numero di protoni + numero di neutroni nel nucleo (= numero di

nucleoni) →

ATOMO = è la porzione più piccola di un elemento tutti gli atomi di un elemento hanno

lo stesso numero atomico. La carica elettrica atomica netta è 0

numero protoni = numero elettroni.

numero protoni = numero neutroni, (ma non è una regola generale)

Lo stesso elemento può presentare atomi con massa diversa in quanto differiscono nel

Tali atomi di uno stesso elemento si chiamano ISOTOPI

numero di neutroni.

ISOTOPI= atomi dello stesso elemento con numero differente di neutroni; poiché il neutrone

ha la massa quasi uguale a quella del protone, gli isotopi hanno masse differenti. Un atomo

di uno specifico isotopo è chiamato nuclide

Gli isotopi prendono il nome dell'atomo che ha il loro stesso numero di massa, tranne

l’idrogeno

MASSA ASSOLUTA: è un valore molto piccolo, conviene usare la 12

MASSA RELATIVA: la dodicesima parte della massa del Carbonio = 1

-27

u.m.a. (amu in English)= 1.66x10

[Δm] DIFETTO DI MASSA è la differenza tra la somma delle masse dei nucleoni

componenti un atomo e la sua misura presa in laboratorio (sempre inferiore), ovvero la

misura dell’energia di legame tra protoni e neutroni. La relazione tra questa energia e il

difetto di massa discende dalla legge di Einstein: E mc

3) Radiazioni elettromagnetiche e materia.

LIMITI DEL MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD

(modello planetario con elettroni che ruotano intorno al nucleo)

-​ Impossibile giustificare la stabilità dell’atomo → ogni carica che si muove di moto non

uniforme irradia onde elettromagnetiche

-​ Un elettrone, percorrendo una traiettoria curva (orbita) è necessariamente

sottoposto ad un’accelerazione di tipo centripeto in un tempo molto piccolo, e

dovrebbe quindi cadere sul nucleo.

-​ è previsto a livello teorico uno spettro continuo di radiazione, che non è in accordo

con lo spettro discreto che viene osservato.

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA:

I campi elettrici e magnetici si propagano come onde attraverso il vuoto/un mezzo

➔​ Un’ onda trasmette energia

➔​ -1

Frequenza (v) in Hertz [Hz] o s .

➔​ Lunghezza d’onda (λ) in metri (m)

➔​ Velocità (c)—2.997925 × 108 m s

➔​ c = λv λ = c/v v=c/λ

INTERFERENZE TRA ONDE:

Se le onde sono in concordanza di fase, si

➔​ sovrappongono esattamente dando luogo ad un'onda di

ampiezza pari alla somma delle singole ampiezze

Se le onde sono in opposizione di fase, si elidono

➔​ esattamente

Si parla rispettivamente di interferenza totalmente costruttiva e di

interferenza totalmente distruttiva, a seconda dello sfasamento (nullo

nel primo, π nel secondo)

Spettri Atomici e spettroscopia

Quando una sostanza viene eccitata (per esempio per riscaldamento), essa emette delle

radiazioni che, se fatte passare attraverso un prisma, vengono deviate in maniera differente

a seconda della loro lunghezza d’onda. Raccogliendo le radiazioni separate su uno schermo

spettro di emissione. Se invece una sostanza

o su una lastra fotografica si ottiene uno

viene fatta attraversare da un fascio di luce bianca, parte delle radiazioni viene assorbita e le

rimanenti radiazioni trasmesse danno luogo ad uno spettro di assorbimento. Questa

tecnica è detta spettroscopia.

Parallelamente agli esperimenti di Rutherford e all’emissione degli spettri atomici, altri

esperimenti intervennero a mettere in discussione le leggi della fisica classica:

• La radiazione del corpo Nero

• L’effetto fotoelettrico

TEORIA DEI QUANTI e SPETTRO DI EMISSIONE DEL CORPO NERO:

L’interpretazione degli spettri atomici è impossibile se non si usa il concetto di

quantizzazione dell’ energia, che venne introdotto per la prima volta da Planck nel 1900

per spiegare la legge di distribuzione dell’energia nello spettro del corpo nero.

●​ Se un corpo nero viene riscaldato, esso emette delle radiazioni che sono il risultato

delle vibrazioni degli atomi del corpo caldo. L’energia di tali

radiazioni dipende dalla lunghezza d’onda e dalla temperatura

●​ Osservando il grafico, possiamo notare che solo una piccola

quantità dell’energia totale è irradiata alle basse o alle alte

tutte le curve passano per un massimo il cui

lunghezze d’onda e

valore cresce al crescere della temperatura. Tutti i tentativi per

giustificare la distribuzione di energia secondo le leggi della fisica

classica non ebbero successo.

M. Planck ipotizzò che l’energia dei singoli oscillatori elementari non fosse una grandezza

continua ma discreta e che risultasse sempre multipla di un certo valore elementare

non ulteriormente divisibile, hν, dove ν è la frequenza e h è una costante, costante di

Planck, il cui valore è 6,626 • 10–34 J • s:

E= hv

Alla quantità elementare di energia Planck dette il nome di quantum, per cui la sua teoria

prese il nome di teoria dei quanti. La validità della teoria di Planck fu dimostrata da

Einstein, nel 1905, nella sua spiegazione dell’effetto fotoelettrico dei metalli.

:

QUINDI

-​ L’energia, come la materia, è discontinua

-​ Essa è quantizzata, ovvero circoscritta a valori discreti (quanti).

-​ L’energia può essere scambiata dagli atomi solo in “pacchetti”

-​ L’equazione di Planck definisce l’energia posseduta dal singolo quanto: E= hv

L’EFFETTO FOTOELETTRICO

L’effetto fotoelettrico, che sta alla base del funzionamento delle comuni cellule fotoelettriche,

consiste nella emissione di elettroni da parte degli atomi di un metallo colpito da radiazioni

.

luminose di opportuna frequenza Applicando una differenza di potenziale tra A

(anodo) e C (catodo), il galvanometro G permette di

osservare un passaggio di corrente che inizia

quando il metallo è irradiato e termina quando cessa

.

l’irradiazione

Al potenziale d’arresto l’energia cinetica degli e emessi è stata convertita in energia

potenziale. 2

1/2 mv = eV

s

Per frequenze maggiori di o: V = k (v-v )

s o

Secondo la teoria elettromagnetica classica, l’energia dei fotoelettroni avrebbe

dovuto aumentare con l’intensità della luce ed essere indipendente dalla frequenza.

Einstein dimostrò invece che l’effetto fotoelettrico poteva essere spiegato solo alla

luce dell’ipotesi di Planck. Gli elettroni sono fotoemessi quando ricevono dalla luce

l’energia minima necessaria per strapparli dalla superficie del metallo. Tale

energia minima, variabile da metallo a metallo, prende il nome di lavoro di

estrazione [W]. Einstein, invece di considerare la radiazione incidente come un

fascio di onde di frequenza ν, la considerò come un pacchetto di particelle, chiamati

fotoni, ad ognuno dei quali era associata l’energia hν. In seguito all’urto con il

metallo, ogni fotone cede la sua energia ad un elettrone. Se questa energia è

maggiore del lavoro di estrazione, si ha l’effetto fotoelettrico e l’elettrone abbandona

dall’equazione:

il metallo con un’energia cinetica espressa

E = e V

k s

Energia cinetica di un elettrone = carica dell’elettrone x Potenziale di arresto

E = hv

0 0

Lavoro minimo per prendere un e al metallo = cost di Planck x frequenza

minima

Frequenza minima= carica x lavoro / cost di Planck

:

QUINDI

La luce che incide la superficie di certi metalli induce l’espulsione di elettroni:

-

-​ v > v emissione e solo quando si supera una frequenza soglia

0

-

-​ e I n° di e- emessi dipende dall’intensità della luce incidente

∝

-​ e v energia cinetica degli e- dipende da v

∝

k

L’ATOMO DI BOHR:

Niels Bohr propone un nuovo modello atomico che permetta di ricavare esattamente

i dati spettrali dell’atomo di idrogeno:

l’elettrone si muove intorno al protone centrale in un’orbita circolare; sono

➔​ consentite solamente orbite di un determinato raggio ed ener