Riassunto esame Chimica inorganica, Prof. Bogarelli Paolo, libro consigliato Principi di chimica, IV edizione, Peter Atkins

Bandera Carlotta - Biotecnologie 1° anno

Chimica generale inorganica

Fondamenti

La chimica studia composizione, struttura, proprietà e trasformazioni (con energia associata) della materia, spontanee o prodotte da esseri viventi. La chimica è una scienza sperimentale e si fonda sul metodo scientifico.

Materia ed energia

Materia è tutto ciò che possiede massa e occupa spazio. Perciò l’oro, l’acqua e la carne sono tutte forme di materia; la radiazione elettromagnetica (che comprende la luce) e la giustizia non lo sono. Nel linguaggio comune un termine come «sostanza» è inteso spesso come sinonimo di materia; in chimica, al contrario, sostanza è una forma unica e pura di materia.

Le sostanze, e la materia in genere, si presentano in forme differenti, che definiamo stati di aggregazione:

• Un solido è una forma rigida della materia.
• Un liquido è una forma fluida della materia, la cui superficie è ben definita, mentre la forma geometrica che assume è quella stessa della porzione di recipiente che occupa.
• Un gas è anch’esso una forma fluida della materia, che riempie interamente qualsiasi recipiente lo contenga.

Il termine vapore indica lo stato aeriforme di una sostanza che normalmente si presenta solida o liquida; per cui, per esempio, parliamo di ghiaccio (forma solida dell’acqua), dell’acqua liquida e del vapor d’acqua.

Simboli e unità

Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l’identità della sostanza in esame. Per esempio la massa, la temperatura, il punto di fusione, la durezza, il colore, lo stato di aggregazione (solido, liquido, gassoso) e la densità. Quando una sostanza subisce una trasformazione fisica, l’identità della sostanza non muta, cambiano solo le sue proprietà fisiche. Una proprietà chimica si riferisce all’attitudine di una sostanza a mutarsi in un’altra. Per esempio, è una proprietà chimica del gas idrogeno la sua attitudine a reagire (bruciare) con l’ossigeno producendo acqua; Quando una sostanza subisce una trasformazione chimica, essa si trasforma in una sostanza del tutto differente.

Il risultato di una misurazione, il «valore» di una quantità fisica, è riportato come un multiplo di una unità. Il Sistema Internazionale (SI) è un’elaborazione del sistema metrico decimale accettato internazionalmente. Esso definisce sette unità di misura fondamentali, sulla base delle quali è possibile esprimere tutte le grandezze fisiche.

Proprietà

Le proprietà si classificano anche in base alla loro dipendenza dalla dimensione del campione:

• Una proprietà estensiva dipende dalla dimensione (dall’entità) del campione.
• Una proprietà intensiva è indipendente dalla dimensione del campione.

Più precisamente, se il sistema viene diviso in parti e si trova che la proprietà del sistema intero ha un valore pari alla somma dei valori delle proprietà proprie delle singole parti, allora quella proprietà è estensiva. La massa è una proprietà estensiva, mentre la temperatura è intensiva.

Accuratezza e precisione

Il numero delle cifre significative è il numero delle cifre giustificabile in base ai dati. Quando si riportano i risultati di moltiplicazioni e divisioni, il numero di cifre significative della risposta deve corrispondere al numero di cifre del dato di partenza meno accurato. Per essere certi dei dati da loro ottenuti, gli scienziati solitamente ripetono le misurazioni diverse volte, calcolano il valore medio e determinano la precisione e l’accuratezza delle loro misurazioni.

• La precisione di una misura dipende da quanto i valori tratti da misurazioni ripetute si avvicinano l’uno all’altro.
• L’accuratezza di una serie di misurazioni dipende da quanto il loro valore medio si avvicina al valore vero (o accettato come tale).

La precisione delle misure indica quanto esse sono prossime le une alle altre; l’accuratezza delle misure indica quanto sono vicine al valore vero. Il più delle volte le misurazioni si accompagnano a due tipi di errori. Un errore sistematico è quello presente in ciascuna serie di misurazioni ripetute, e dipende dal tipo di strumento o dall’esperimento svolto. Un errore casuale è un errore che varia casualmente sia per entità sia per segno (in più o in meno) e, nel corso di una serie di osservazioni, potrebbe perfino tendere mediamente a zero. L’errore casuale dipende da forze esterne all’esperimento.

Le energie

L’energia (Joule=N*m) è l’attitudine a compiere lavoro.

• L’energia cinetica, Ek, è l’energia che un corpo possiede in virtù del proprio moto.
• L’energia potenziale, Ep, di un oggetto è l’energia che esso possiede in virtù della propria posizione in un campo di forza.
• L’energia totale, E, di una particella ammonta alla somma della sua energia cinetica e della sua energia potenziale: Energia totale = energia cinetica + energia potenziale. L’energia totale si conserva.

Non si è mai osservata alcuna eccezione alla legge di conservazione dell’energia, cioè al fatto che l’energia non si può creare né distruggere. Una regione dell’universo, poniamo un atomo, può perdere energia, ma quell’energia dovrà averla acquistata un’altra regione. Il termine energia chimica è semplicemente un nome più corto per indicare la somma delle energie cinetiche e potenziali di tutte le sostanze che partecipano alla reazione, incluse le energie dei loro elettroni. Il termine energia termica è un’altra abbreviazione utilizzata per indicare la somma delle energie cinetiche e potenziali derivanti dal moto termico degli atomi, degli ioni e delle molecole.

La teoria atomica di Dalton

John Dalton (1766-1844)

La più piccola particella di un elemento che possa esistere si chiama atomo. Un atomo ha diametro di 10 Amstrong ovvero 10^-9 m, quindi 1nm.

• Tutta la materia è composta da atomi indivisibili. Un atomo è una particella estremamente piccola che mantiene la sua identità durante le reazioni chimiche.
• Un elemento è un tipo di materia composto da un solo tipo di atomo. Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà.
• Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse. Due tipi di atomi in un composto si legano in proporzioni espresse da numeri semplici interi.
• Una reazione chimica consiste nella ricombinazione degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo da dare nuove combinazioni chimiche presenti nelle sostanze formate dalla reazione.

Un elemento è una sostanza composta da un unico tipo di atomi.

Il modello nucleare

In base all’attuale modello nucleare, un atomo è costituito da un piccolo nucleo carico positivamente, responsabile quasi per intero della sua massa, circondato di elettroni carichi negativamente. La carica negativa degli elettroni compensa ed elide esattamente quella positiva del nucleo centrale; di conseguenza, un atomo è elettricamente neutro. Poiché ogni elettrone porta una singola carica negativa, il nucleo contiene una particella carica positivamente per ogni elettrone circostante. Queste particelle positive si chiamano protoni (simbolo: p), e ognuno è quasi 2000 volte più pesante di un elettrone. Il numero dei protoni presenti nel nucleo di un elemento si dice numero atomico, Z, dell’elemento stesso. I progressi tecnici raggiunti nella prima parte del ventesimo secolo consentirono di realizzare lo spettrometro di massa, uno strumento atto a determinare la massa atomica. Il numero totale dei protoni e dei neutroni del nucleo costituisce il numero di massa, A, dell’atomo.

Gli isotopi

Gli isotopi di un elemento possiedono tutti lo stesso numero atomico ma presentano diverso numero di massa. Nei loro nuclei figura un ugual numero di protoni ma un diverso numero di neutroni. Dato che gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e lo stesso numero di elettroni, le loro proprietà fisiche sono essenzialmente uguali. Nel caso dell’idrogeno, però, le differenze di massa tra gli isotopi sono comparabili con le masse assolute, e ciò causa differenze apprezzabili nelle proprietà fisiche e leggere variazioni in alcune di quelle chimiche.

I composti

I composti sono sostanze elettricamente neutre costituite da due o più elementi diversi i cui atomi vi figurano in proporzioni definite. Un composto binario è costituito da due soli elementi; l’acqua, per esempio, è un composto binario.

I composti organici contengono l’elemento carbonio e, solitamente, anche l’idrogeno. Esistono milioni di composti organici, tra cui i combustibili come il metano e il propano, gli zuccheri quali il glucosio e il saccarosio, e la maggior parte dei farmaci. Questi composti sono chiamati organici perché un tempo si credeva, erroneamente, che riuscissero a produrli soltanto gli organismi viventi. I composti inorganici sono tutti gli altri, tra i quali l’acqua, il solfato di calcio, l’ammoniaca, la silice, l’acido cloridrico e molti ancora. In aggiunta, sono considerati come composti inorganici anche alcuni composti molto semplici del carbonio, in particolare il diossido di carbonio (o anidride carbonica) e i carbonati, che comprendono il calcare (carbonato di calcio).

Un composto ionico è costituito da ioni, presenti in proporzioni tali da mantenere neutra la carica complessiva; un composto molecolare è costituito da molecole elettricamente neutre.

I composti molecolari

La formula chimica di un composto ne rappresenta la composizione tramite i simboli chimici. I pedici indicano il numero degli atomi di ciascun elemento che figurano nella minima unità rappresentativa del composto. Nel caso dei composti molecolari si usa riportare la formula molecolare, una formula chimica che indica il numero di atomi di ciascun tipo presenti nella molecola del composto. La formula di struttura indica il modo di congiungersi degli atomi nella molecola, ma non l’effettiva disposizione tridimensionale nello spazio.

I chimici organici hanno trovato il modo di disegnare strutture molecolari complesse in un modo molto semplice, evitando di indicare esplicitamente gli atomi di C e di H. Una struttura a segmenti rappresenta una catena carboniosa mediante una linea spezzata.

Un altro aspetto importante dei composti molecolari è la loro forma geometrica. La rappresentazione «figurata» delle molecole che più accuratamente ne illustra la forma deriva dall’impiego della grafica computerizzata. Ne è un esempio il modello a spazio pieno. Gli atomi sono rappresentati mediante sfere colorate (non si tratta del vero colore degli atomi!) che si adattano le une alle altre. Una diversa rappresentazione della stessa molecola, detta modello ball-and-stick (a sfere e aste). Ciascuna sfera rappresenta la posizione di un atomo, mentre le aste rappresentano i legami.

I composti ionici

Per immaginare l’aspetto dei composti ionici occorrerà pensare a un immenso numero di cationi e di anioni affastellati secondo una formazione tridimensionale regolare, in cui il legame tra gli ioni è dovuto all’attrazione tra cariche opposte. Il modello nucleare dell’atomo spiega facilmente l’esistenza degli ioni monoatomici (ioni di un solo atomo). Allontanando un elettrone da un atomo (neutro), la carica degli elettroni rimasti non basta più a compensare quella positiva del nucleo: ogni elettrone si lascia indietro un catione.

• Un criterio importante è che gli elementi metallici – quelli verso la sinistra della tavola – di norma formano cationi cedendo elettroni.
• Gli elementi non metallici – collocati sulla destra della tavola – formano altrettanto normalmente anioni, acquistando elettroni. Di conseguenza i metalli alcalini danno cationi, gli alogeni anioni. Un elemento appartenente al lato destro della tavola forma anioni con una carica negativa uguale alla distanza che lo separa dal gas nobile più vicino. In generale, se il numero del gruppo dell’elemento è N (nel sistema 1-18), la carica degli anioni sarà N − 18.

L’andamento della formazione degli ioni da parte degli elementi dei gruppi principali può essere riassunto da un’unica regola: per gli atomi posti alla sinistra o alla destra della tavola periodica, gli atomi cedono o acquistano elettroni fino a possedere lo stesso numero di elettroni dell’atomo di gas nobile più vicino.

Gli elementi dei gruppi 1, 2 e 3 perdono elettroni finché non possiedono lo stesso numero di elettroni del gas nobile che si trova al termine del periodo precedente. Gli elementi dei gruppi 14-17 acquistano elettroni finché non possiedono lo stesso numero di elettroni del gas nobile posto al termine del loro stesso periodo.

Molti ioni sono biatomici, cioè costituiti da due atomi reciprocamente legati, oppure poliatomici, cioè costituiti da tre o più atomi congiunti. In tutti i casi gli ioni hanno una carica complessiva positiva o negativa. Gli ioni si combinano invariabilmente in modo che le cariche negative e positive si elidano: i composti sono sempre, nell’insieme, elettricamente neutri. Un gruppo di ioni contenente il numero di atomi indicato dalla formula si chiama unità formula. I composti molecolari binari risultano di norma formati da due non metalli (per esempio idrogeno e ossigeno, gli elementi dell’acqua); i composti ionici sono normalmente formati da un elemento metallico e da elementi non metallici.

La mole e la massa molare

1 mole di oggetti contiene un numero di oggetti uguale a quello degli atomi di carbonio presenti in 12 g esatti di carbonio-12.

Analogamente, per «contare» gli atomi in 12 g di carbonio-12, potreste dividere la massa di g di carbonio-12 per la massa di un singolo atomo. La spettrometria di massa ha stabilito che la massa di un atomo di carbonio-12 vale 1,99265 × 10^-23 g, e di conseguenza il numero degli atomi in 12 g esatti di carbonio-12 è 1 mole di oggetti vuol dire 6,0221 × 10²³ oggetti dati 1 mol: si tratta dell’unità di misura della proprietà fisica che definiamo formalmente quantità di sostanza, n. La costante di Avogadro serve a convertire la quantità chimica (il numero di moli) in numero di atomi, ioni o molecole presenti in detta quantità: N = nNA

• La massa molare di un elemento è la massa di una mole dei suoi atomi;
• La massa molare di un composto molecolare è la massa di una mole delle sue molecole;
• Il peso atomico di un elemento non è che il valore numerico della sua massa molare;
• Il peso molecolare del composto molecolare o il peso formula di un composto ionico coincide con il valore numerico della corrispondente massa molare.

Atomo e proprietà periodiche

Oggi sappiamo che gli atomi possiedono una loro struttura interna: a loro volta essi sono costituiti da particelle subatomiche ancora più minuscole. In questo libro ci limiteremo a indagare le tre principali particelle subatomiche: l’elettrone, il protone e il neutrone.

L'osservazione degli atomi

La prima prova sperimentale della struttura interna degli atomi venne da una scoperta del 1897. Il fisico inglese J.J. Thomson stava studiando i «raggi catodici», una radiazione che viene emessa quando si applica un’elevata differenza di potenziale (un voltaggio elevato) a due elettrodi metallici dentro un tubo di vetro posto sotto vuoto. Osservando la direzione in cui questo raggio veniva deflesso, a causa dall’applicazione di un campo elettrico, Thomson dimostrò che i raggi catodici sono fasci di particelle dotate di carica negativa provenienti dall’interno degli atomi costituenti l’elettrodo di carica negativa, detto per l’appunto catodo. Thomson constatò anche che tali particelle cariche, che furono poi chiamate elettroni, erano identiche, qualunque metallo fosse adoperato come catodo.

Thomson ipotizzò un modello dell’atomo simile all’impasto di un panettone, con un ammasso di materiale gelatinoso positivo nel quale gli elettroni si trovavano sospesi come l’uvetta, per l’appunto, in un panettone.

Ernest Rutherford sapeva che taluni elementi, tra i quali il radon, emettono fasci di particelle positive che egli chiamò particelle. Egli chiese a due suoi studenti, Hans Geiger e Ernest Marsden, di bombardare con le particelle α una lamina di platino dello spessore di pochi atomi. Se gli atomi fossero stati effettivamente costituiti da grumi di una gelatina positiva, tutte le particelle α avrebbero facilmente attraversato la carica positiva diffusa della lamina, deviando solo leggermente, di tanto in tanto, dal loro percorso. Le particelle α passavano quasi tutte, deviando eventualmente solo di pochissimo, ma una su 20000 deviava di oltre 90°, e poche rimbalzavano addirittura nella direzione di provenienza.

I risultati dell’esperimento di Geiger e Marsden condussero al modello nucleare dell’atomo, in base al quale l’atomo possiede un centro, puntiforme e denso, di carica positiva, il nucleo, attorniato da un grande volume di spazio pressoché interamente vuoto nel quale si distribuiscono gli elettroni. Il modello atomico di Rutherford spiega perché la maggior parte delle particelle α attraversa la lamina di platino senza subire alcuna deviazione, mentre un numero estremamente limitato, costituito dalle particelle che colpiscono direttamente un nucleo, subisce deviazioni molto ampie. La maggior parte dell’atomo è costituita da spazio pressoché vuoto nel quale gli elettroni si distribuiscono.