Esame di Chimica inorganica

Indice

• Cenni alla fisica ed alla matematica fondamentali
  • Le grandezze e le loro unità di misura
  • Cifre significative
  • Gli errori di misura
  • La notazione esponenziale o scientifica
• La chimica e la materia
  • Classificazione della materia
  • Sostanza pura
  • Composti
  • Miscela
  • Miscele gassose
  • Miscele omogenee liquide: le soluzioni
  • Miscele omogenee solide: le leghe
  • Miscele eterogenee liquide
  • Miscele eterogenee liquido-solido
  • Proprietà della materia e la loro misura
  • Proprietà fisiche della materia
  • Scale di temperatura
  • Trasformazione della materia
  • L’energia
• L’atomo, peso atomico, isotopi
  • Composizione della materia secondo Dalton
  • Esperimento di Thomson
  • Composizione degli atomi
  • Esperimento di Millikan
  • Esperimento di Rutherford
  • Atomi dei diversi elementi
  • Numero atomico (Z)
  • Atomo neutro
  • Introduzione alla tavola periodica - gli elementi
  • Gli isotopi
  • Abbondanza isotopica
  • Peso atomico
  • Nuclide
  • Spettrometro di massa
  • Processi radioattivi - gli isotopi radiattivi
• I composti chimici
  • I composti molecolari
  • Formula molecolare
  • Formula minima
  • Formula estesa
  • Formula di struttura
  • Modello molecolare
  • I composti ionici
  • Che cosa sono gli ioni?
  • Ioni monoatomici
  • Ioni poliatomici
  • Formule composti ionici
  • Proprietà dei composti ionici
  • Peso molecolare
  • Peso formula
• La mole e la composizione percentuale
  • La mole
  • Calcolo numero di particelle elementari
  • Massa molare
  • Conversione della massa in moli e viceversa
  • Composizione percentuale
• La struttura degli atomi
  • La struttura dell’atomo
  • Radiazione elettromagnetica
  • Spettri di emissione a righe degli atomi
  • L’effetto fotoelettrico
  • Teoria atomica di Bohr
  • Principi della meccanica quantistica
  • I numeri quantici e gli orbitali atomici
  • Le forme degli orbitali
  • Gusci e sottogusci
  • Funzione d’onda per l’atomo di idrogeno
  • Numero quantico di spin ms
• Le configurazioni elettroniche
  • Gli atomi polielettronici
  • Carica nucleare efficace Z*
  • Configurazione elettronica
  • Configurazione elettronica degli ioni
• Le proprietà periodiche
  • Proprietà periodiche
  • Raggio atomico
  • Energia di prima ionizzazione
  • Entalpia di acquisizione elettronica
  • Affinità elettronica
  • Raggio ionico
• Il legame chimico
  • Legame covalente
  • Legame ionico
  • Legame metallico
  • Legame dativo
  • Strutture di Lewis
  • Regola dell’otteto
  • Proprietà dei legami
  • Disegnare le strutture di Lewis
  • Cariche formali
  • Risonanza
  • Eccezioni alla regola dell’otteto
  • Teoria VSPR
  • Numero sterico
  • Polarità ed elettronegatività
  • Legame polare
  • Elettronegatività
  • Distribuzione di carica
  • Elettronegatività e tipo di legame
  • Polarità delle molecole
  • Teoria del legame di valenza e teoria degli orbitali atomici
  • Ibridazione degli orbitali
  • Legami multipli secondo la teoria di valenza
• I composti inorganici
  • Classificazione dei composti inorganici
  • Numero di ossidazione
  • Idruri
  • Iracidi
  • Ossidi
  • Anidridi
  • Sali binari
  • Cariche degli ioni monoatomici
  • Nomenclatura ioni monoatomici
  • Composti binari non ionici
  • Classificazione composti ternari
  • Idrossidi
  • Ossiacidi
  • Sali ternari
  • Sali quaternari
• Le reazioni chimiche
  • Legge della conservazione della materia
  • Stechiometria delle reazioni chimiche
  • Bilanciamento delle equazioni chimiche
  • Reagente limitante e reagente in eccesso
  • Resa percentuale
  • Classificazione delle reazioni chimiche
  • Rapporto molare
• I gas
  • Strati di aggregazione della materia
  • Leggi dei gas
  • Equazione di stato dei gas ideali
  • Legge di Dalton alle pressioni parziali
• Le interazioni molecolari, liquidi e solidi
  • Legge o equazione di stati dei gas reali
  • Forze intermolecolari
  • Interazione ione-dipolo
  • Interazioni dipolo-dipolo
  • Legami a idrogeno
  • Interazioni ione-dipolo indotto
  • Forze di dispersione di London
  • Proprietà dei liquidi
  • I solidi
  • Proprietà dei solidi
  • Diagramma di fase
• Le soluzioni
  • Miscele gassose
  • Leghe
  • Soluzioni
  • Solubilità
  • Soluzione satura
  • Processo per dissoluzione
  • Solubilità dei sali
  • Solubilità delle molecole
  • Miscibilità
  • Elettroliti
  • La concentrazione delle soluzioni
  • Concentrazione molare o molarità
  • Le proprietà colligative
  • Concentrazione degli ioni in soluzione
  • Coefficiente di Van’t Hoff (i)
• L’equilibrio chimico
  • Le reazioni reversibili
  • Equilibrio chimico
  • Legge di azione di massa
  • Costante di equilibrio Kc
  • Equilibri eterogenei
  • Quoziente di reazione Q
  • Principio di Le Chatelier
  • L’equilibrio chimico: applicazioni biologiche
• Acidi e basi
  • Acidi e basi secondo Bronsted-Lowry
  • Autoprotolisi dell’acqua
  • Costante di autoprolisi dell’acqua
  • Soluzione neutre, acide e basiche
  • La scala del pH
  • La forza di acidi e basi
  • Elettroliti
  • Acidi forti
  • Basi forti
  • Costante di ionizzazione di acidi e basi
  • Acidi deboli
  • Idrolisi dei sali
  • Soluzione tampone
  • Chimica acido-base di Bronsted-Lowry: applicazioni biologiche
  • Acidi e basi secondo Lewis
  • Reazioni di complessazione
  • Chimica acido-base di Lewis: applicazioni biologiche
• Equilibri di solubilità
  • Solubilità
  • Solubilità dei sali
  • Solubilità dei sali in acqua
  • Prodotto di solubilità
  • Prodotto di solubilità e quoziente di reazione
  • Fattori che influenzano la solubilità
  • Solubilità e temperatura
  • Effetto dello ione comune
  • Solubilità e pH
  • Ridissoluzione di precipitati
  • Reazioni di complessazione
  • Formazione di ioni complessi
  • Equilibri di solubilità
• Le reazioni di ossidoriduzione
  • Agente ossidante e agente riducente
  • Formazione di ruggine
  • Combustione
  • Bilanciamento delle reazioni di ossidoriduzione: metodo delle semireazioni
  • Bilanciamento delle reazioni redox in ambiente acido
  • Bilanciamento delle reazioni redox in ambiente basico
  • Chimica redox: applicazioni biologiche

Cenni alla fisica ed alla matematica fondamentali

Le grandezze e le loro unità di misura

Grandezza: è una caratteristica di un sistema materiale, di un corpo o di un fenomeno che può essere misurata. Per indicare tale caratteristica vengono utilizzate le unità di misura.

Le misure si distinguono in:

• Dirette: ottenuta dal confronto diretto della grandezza e della sua unità di misura.
• Indirette: ottenuta dall’elaborazione delle misure di altre grandezze che vengono misurate direttamente.

Quasi tutte le grandezze prendono il nome di grandezze derivate, in quanto derivano dalla combinazione di alcune delle sette grandezze fondamentali, che sono state stabilite dal Sistema Internazionale delle unità di misura (SI).

Gli strumenti con cui effettuiamo delle misure, pur essendo lo stesso oggetto, il peso può comunque variare anche se di poco, si dice per questo dotato di sensibilità. Il risultato della misura va indicato con il numero di cifre che varia a seconda dello strumento che è stato utilizzato.

Cifre significative

Una volta ottenuto il valore della misura, le cifre certe più la prima cifra incerta affetta da errore, ovvero le cifre che sono effettivamente osservate con uno strumento di misura, prendono il nome di cifre significative. Se abbiamo un numero con 4 cifre significative, l’ultima si dice essere incerta, in generale, in un numero che rappresenta una misura specifica, l’ultima cifra sulla destra è considerata non precisa.

• Gli zeri possono essere significativi o meno:
• Se compaiono a sinistra rispetto alla prima cifra diversa da zero non sono significativi (es. 0,31 ha 2 cifre significative).
• Se compaiono tra due cifre diverse da zero sono significativi (es. 103 ha 3 cifre significative).
• Se compaiono a destra della virgola sono significativi (es. 2,50 ha 3 cifre significative).
• Se compaiono a destra della virgola più di uno zero non sono significativi (es. 0,0013 ha 2 cifre significative).
• La posizione della virgola non influenza il numero di cifre significative.
• Se non sono presenti degli zeri allora sono tutte cifre significative (es. 1234 ha 4 cifre significative).

Le operazioni tra le cifre significative sono:

• Addizione e sottrazione: si possono sommare e sottrarre solo i numeri che hanno le stesse unità di misura ed il risultato deve essere scritto con lo stesso numero di cifre decimali pari alle cifre decimali del fattore che ne ha di meno.
  • Es. 221, 13 kJ - 208, 2 kJ = 12,9 kJ
  • Il primo numero ha 5 cifre significative e 2 cifre decimali.
  • Il secondo numero ha 4 cifre significative e 1 decimale.
  • Il terzo numero ha 3 cifre significative e 1 decimale, perché la regola dice che il risultato deve avere tante cifre decimali quante ne ha il fattore che ha meno cifre decimali.
• Prodotti, divisioni, elevazioni a potenza e radici: il risultato va scritto con un numero di cifre significative uguale a quello del fattore che ne ha di meno.
  • Es. 0,983 mol : 1,245 L = 0,790 mol/L
  • Il primo numero ha 3 cifre significative.
  • Il secondo numero ha 4 cifre significative.
  • Il terzo numero ha 3 cifre significative, perché come dice la regola, vanno scritte tante cifre significative, quante ne ha quello che ne ha di meno.

Per quanto riguarda le regole di arrotondamento, si ricorda che se la prima cifra è <5, allora la prima cifra rimane uguale e si elimina la successiva (es. 12,93 = 12,9), mentre se è maggiore o uguale a 5 si aumenta di un numero l’ultima cifra significativa (es. 16,08 = 16,1 oppure 1,465 = 1,47).

Gli errori di misura

Vi sono molti tipi di errori legati alla misura che viene effettuata, la sensibilità, legato all’errore che può fare lo strumento di misura, gli errori sistematici che possono essere individuati ed eliminati in quanto causati dal malfunzionamento della strumentazione o da una distrazione della persona che ha effettuato la misura, poi ci sono gli errori accidentali o statistici che sono dovuti a cause sconosciute.

La precisione di uno strumento, indica quanto siano in accordo le diverse misure che sono state prese relative alla stessa quantità. Per capire se ci sono errori nelle varie misure che sono state fatte e a quanto equivale l’errore, bisogna innanzitutto effettuare la media aritmetica delle varie misure che sono state prese.

L’errore assoluto massimo si calcola sottraendo il valore massimo ed il valore minimo, e dividendo per due. L’errore si può anche esprimere come errore percentuale, che si può calcolare moltiplicando il valore dell’errore assoluto massimo per 100, e dividendo tutto per la media aritmetica, questo errore prende anche il nome di accuratezza, che rappresenta l’accordo che esista tra la misura ed il valore accurato della quantità.

La deviazione standard è una valutazione migliore dell’errore e tiene conto di ogni singola misura effettuata. Essa prende anche il nome di precisione. Essa è uguale alla radice quadrata della somma dei quadrati delle differenze fra ogni misura e il valore medio, diviso per il numero delle misure meno uno.

Esempio:

3,4 cm - 3,5 cm - 3,6 cm - 3,6 cm - 3,6 cm - 3,6 cm - 3,6 cm - 3,6 cm - 3,5 cm - 3,8 → 10 misure in totale

Calcolare la media aritmetica:

(3,4 + 3,5 + 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,6 + 3,5 + 3,8) / 10 = 3,58 ≈ 3,6 cm

Calcolare l’errore assoluto massimo:

(3,8 - 3,4) / 2 = 0,2

Calcolare l’errore percentuale:

(0,2 * 100) / 3,6 = 5,6%

Calcolare la deviazione standard:

\(\sqrt{\frac{((3,4-3,6)^2 + (3,5-3,6)^2 + (3,6-3,6)^2 + (3,5-3,6)^2 + (3,8-3,6)^2)}{10-1}} = 0,11\) cm

La notazione esponenziale o scientifica

Vi sono due modi per esprimere i numeri quando questi sono troppo grandi o troppo piccoli. La notazione scientifica è un modo per esprimere questo tipo di numeri in forma compatta e coerente in modo che semplifichi i calcoli. Qui il numero viene espresso attraverso il prodotto di due numeri, dove il primo è il termine numerico, ed il secondo è il termine esponenziale, ed è una potenza di 10.

Es. 1. 1234 = 1,234 × 10³ 2. 0,01234 = 1,234 × 10^-2 3. 12345 = 1,2345 × 10⁴ 4. 0,0012 = 1,2 × 10^-3 5. 6,273 × 10² = 627.3 6. 0,006273 × 10^-3 = 0,006273

Le operazioni più importanti eseguite in notazione esponenziale sono:

• Somma e sottrazione: Quando si sommano o si sottraggono due numeri bisogna prima convertirli in potenze di 10. Poi viene addizionato o sottratto il termine numerico.
• Prodotto: La parte fissa viene moltiplicata, mentre gli esponenti vengono sommati algebricamente, il risultato è espresso con una sola cifra diversa da zero dal punto decimale.
• Divisione: Il termine numerico viene diviso, mentre gli esponenti vengono sottratti algebricamente, invece per il termine numerico, si ha che il quoziente viene riportato con una cifra diversa da zero a sinistra del punto decimale.
• Potenze: Bisogna prima eseguire la potenza del termine numerico, mentre l’esponente viene moltiplicato per il numero indicato dalla potenza.
• Radici: Il numero deve essere inizialmente trasformato in modo che l’esponente sia divisibile per l’indice della radice. Per esempio, se abbiamo una radice quadrata, allora l’esponente deve essere divisibile per 2.

La chimica e la materia

Chimica: disciplina che si occupa della materia (proprietà, struttura e composizione delle sostanze naturali ed artificiali) e delle sue trasformazioni chimiche o reazioni chimiche.

Materia: tutto ciò che nell’universo occupa spazio ed ha una sua massa, ed è formata da particelle, come atomi, molecole e ioni, che sono in continuo movimento.

La chimica viene suddivisa in branche:

• Chimica organica: studio dei composti del carbonio
• Chimica inorganica: studio di tutti gli elementi, ad eccezione del carbonio e dei loro composti
• Chimica fisica: studio dei principi della chimica
• Biochimica: studio delle sostanze, dei processi e delle reazioni di interesse biologico
• Chimica analitica: studio delle tecniche idonee a riconoscere e dosare le sostanze
• Ingegneria chimica: studio dei processi chimici industriali
• Biologia molecolare: studio delle funzioni degli organismi viventi in funzione della composizione molecolare
• Scienza dei materiali: studio dei materiali basato sulla struttura e sulla composizione

Classificazione della materia

La proprietà più importante della materia è il suo stato di aggregazione, e tale proprietà viene interpretata dalla teoria cinetica molecolare della materia:

• Solidi: le particelle che lo costituiscono sono impaccate strettamente tra loro, solitamente in maniera regolare, e occupano posizioni fisse. Hanno una forma propria e volume definito, inoltre ha poche variazioni con T e con P.
• Liquidi: le particelle che lo costituiscono sono impaccate in maniera meno regolare rispetto ai solidi; sono disposte in maniera casuale, possono muoversi e non sono vincolate a posizioni fisse. Ha un volume definito, ma non forma: assume la forma del contenitore che lo contiene. I liquidi sono dei fluidi.
• Gas: le particelle che lo costituiscono sono distanti tra loro, e si muovono in modo estremamente rapido e in maniera casuale. Questo stato non ha né forma né volume definito. I gas sono dei fluidi.

L’energia cinetica è crescente dai solidi ai gas, inoltre maggiore è la temperatura e maggiore è la velocità delle particelle.