Riassunto esame Chimica, Prof. Eleonaora Laura, libro consigliato Chimica Generale , Petrucci

La chimica generale in breve

La chimica è quella parte della scienza che studia la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia, intendendo con questo termine tutto ciò che occupa uno spazio e possiede una certa massa, quindi tutti i corpi, minerali, animali o vegetali.

La materia è costituita da un piccolo numero di sostanze fondamentali chiamate “elementi”, ciascuna con proprietà sue particolari. Nella materia gli elementi possono essere presenti in forma pura, oppure combinati tra loro, nel qual caso si parla di “composti”.

Gli elementi sono costituiti da “atomi”. Col termine “atomo” si indica la particella più piccola in cui si può suddividere un elemento, senza che esso perda le sue proprietà caratteristiche. In ultima analisi quindi si può affermare che la materia è comunque costituita da atomi.

La materia si trasforma continuamente attraverso reazioni chimiche. Esse sono alla base di qualsiasi attività biologica e possiamo dire che noi stessi siamo materia che si trasforma. La materia si presenta in vari stati di aggregazione: solido, vetroso, liquido, gassoso, di soluzione, disperso, colloidale.

Mappa concettuale della materia

Un utile strumento per cominciare a capire come è composta la materia può essere la seguente mappa concettuale.

Simboli molecole (es. H = idrogeno Fe = ferro) volume rappresentati da riuniti in madre quindi ha un sono atomiche significa se spazio occupa uno particelle latino mater uguali diversi peso formano formano ha un deriva dal è fatta di sostanze pure composti (es. ferro) (es. anidride carbonica) massa ha una Materia formano miscele si presenta in diversi possono essere stati di aggregazione omogenee eterogenee (es. acqua e vino) (es. sabbia) solido liquido aeriforme soluzione.

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L’atomo

Con il termine atomo si indica la particella più piccola in cui si può suddividere un elemento, senza che esso perda le sue proprietà caratteristiche.

L’atomo è ulteriormente divisibile in particelle subatomiche più piccole. Esse possono essere immaginate un po’ come i “mattoni” con i quali sono costruiti tutti gli atomi, nel senso che sono uguali per forma e struttura nei diversi elementi.

Nell’atomo si distinguono due regioni: una centrale detta nucleo costituita da due tipi di particelle, i protoni, con carica elettrica positiva, e i neutroni senza carica elettrica, e una parte esterna periferica nella quale si trovano gli elettroni, aventi carica negativa.

In un atomo, gli elettroni caricati negativamente ruotano intorno a un centro (nucleo) formato da particelle caricate positivamente (protoni) e particelle neutre (neutroni). – + + –

Il numero di massa e il numero atomico

Gli atomi sono così piccoli che la misura del loro raggio si esprime in una particolare unità di lunghezza, l’Ångstrom, corrispondente a 10^-8 cm, cioè 0,00000001 cm. Il raggio di un atomo è di circa 1 Ångstrom e, nonostante questa misura sia piccolissima, è molto maggiore di quella del nucleo, mediamente 50.000 volte più piccolo dell’atomo.

Nel nucleo, tuttavia, è concentrata la massa atomica. La massa di un protone viene presa come unità di misura della massa degli atomi e viene chiamata dalton (1 dalton = 1,660565 × 10^-24 grammi). L’elettrone è ben 1830 volte più leggero del protone e la sua massa viene perciò trascurata. Il neutrone ha in pratica la stessa massa del protone e pesa circa 1 dalton.

Il numero di massa (A), o peso atomico (M), corrisponde alla somma del numero dei protoni e dei neutroni. Il solo numero dei protoni viene detto invece numero atomico.

Dato che l’atomo è elettricamente neutro, risulta che in ogni atomo il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni presenti nel nucleo. Si può perciò dire che il numero atomico (Z) coincide con il numero di elettroni presenti in un atomo.

Massa molecolare e massa molare

Considerando che gli atomi si possono legare tra loro formando delle molecole più o meno complesse, sommando i pesi atomici (M) degli atomi che compongono una molecola si ottiene il suo valore di massa molecolare che si esprime in dalton.

Il concetto di massa molecolare viene spesso confuso con quello di massa molare. Per chiarire, bisogna tener presente che la massa molecolare si riferisce a una sola molecola, mentre la massa molare si riferisce al peso di una mole di sostanza.

Si definisce mole di un composto la quantità di sostanza pari al numero degli atomi presenti in 12 grammi di carbonio-12, che equivale a 6,02214179 × 10²³ (noto come “Numero di Avogadro”).

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Una mole è quindi associata a un numero enorme di entità o particelle (più di seicentomila miliardi di miliardi).

Il numero di Avogadro (N_A) corrisponde al numero di atomi di carbonio-12 presenti in 12 g di tale sostanza. In pratica è il numero di particelle (atomi, molecole o ioni) contenute in una mole, ossia 6,022 × 10²³.

Gli ioni

Quando un atomo reagisce con un altro atomo può succedere che avvenga un passaggio di uno o più elettroni da un elemento all’altro. In questo caso il numero di protoni di ciascun atomo rimane costante, ma cambia invece il rispettivo numero di elettroni. Il primo possiederà elettroni in più (assumendo carica negativa), mentre il secondo presenterà carica positiva, avendo perso lo stesso numero di elettroni. In pratica, i due atomi si troveranno caricati sotto il profilo elettronico, o positivamente o negativamente. Un atomo che presenta carica elettrica si definisce ione.

Se durante una reazione tra due elementi chimici neutri, un elettrone si trasferisce da un atomo all’altro, si generano due ioni, ossia due atomi carichi, uno positivamente (catione) e l’altro negativamente (anione). – anione e^– + catione formazione di ioni atomi neutri trasferimento di e^– con intervento di energia.

Le molecole e il legame chimico

In genere nella materia gli atomi sono presenti legati tra loro mediante legame chimico. L’unione di due o più atomi è detta “molecola”. Così, per esempio, quando si legano due atomi di idrogeno con uno di ossigeno essi formano una molecola di acqua. Ogni tipo di molecola differisce da un altro per il numero e il tipo di atomi che la compongono e per l’ordine con cui essi sono legati tra loro. Una molecola può essere formata da atomi uguali (molecole delle sostanze elementari: H₂, O₂ ecc.) o diversi (molecole di sostanze composte: HCl, H₂O, H₂SO₄ ecc.).

Perché due atomi si leghino tra loro devono entrare in contatto; questo contatto coinvolge la superficie esterna dell’atomo e quindi solo gli elettroni che occupano gli orbitali più esterni possono essere utilizzati per la formazione del legame chimico. Il tipo e il numero dei legami formati sono quindi funzione del numero e della distribuzione degli elettroni negli orbitali più esterni. Ogni elemento tende a stabilizzarsi e per fare ciò reagisce con altri elementi acquistando, cedendo o mettendo in comune i suoi elettroni più esterni. Lo spostamento di elettroni da un elemento a un altro dipende dalla diversa energia con cui essi sono trattenuti dal nucleo. Gli elettroni di legame sono gli elettroni che partecipano al legame tra due atomi e sono quindi interessati alle attrazioni esercitate dai rispettivi nuclei in base alla loro elettronegatività.

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Legami chimici ed elettronegatività

Nella formazione di un legame chimico gli elettroni di legame sono sottoposti contemporaneamente alla forza di attrazione esercitata da entrambi i nuclei degli atomi coinvolti. Se questi atomi sono diversi sarà diversa la forza con cui ciascun nucleo tende ad attirare a sé gli elettroni di legame. Questa forza si definisce elettronegatività e la differenza di elettronegatività tra gli atomi caratterizza il tipo di legame che si forma.

La valenza e lo stato di ossidazione

Gli atomi formano legami utilizzando gli elettroni esterni: condividendoli, cedendoli o catturandoli dagli atomi vicini. Da qui deriva il concetto di valenza e più recentemente quello di stato di ossidazione.

Per valenza si indica la capacità degli atomi di combinarsi con altri elementi ed esprime il numero di elettroni che un atomo guadagna, perde o mette in comune quando forma legami con altri atomi.

Il termine “valenza” è tuttora usato per indicare la carica di uno ione o il numero di elettroni che mette in compartecipazione o comunque impegna per formare legami (elettrone di valenza).

Il numero o stato di ossidazione di un elemento chimico identifica il numero di elettroni ceduti o acquisiti virtualmente durante la formazione di un composto.

Quando due atomi vengono uniti da un legame, gli elettroni si considerano virtualmente acquisiti da quello a maggiore elettronegatività. Conoscere i numeri di ossidazione degli elementi dei composti coinvolti in una reazione consente di distinguere le reazioni di ossido-riduzione dalle normali reazioni di scambio: nelle prime i numeri di ossidazione degli elementi cambiano, nelle seconde no.

I vari tipi di legami

Esistono diversi tipi di legame chimico. Quelli che formano la molecola e quelli intramolecolari intra diverse molecole vicine tra loro termolecolari.

Sono legami intramolecolari il legame ionico, il legame covalente (puro, polare e dativo), il legame metallico. Sono legami intermolecolari il legame a idrogeno, il legame dipolo-dipolo, il legame ione-dipolo e i legami di Van der Waals.

Il legame ionico

Il legame ionico (o salino) si realizza tra elementi che presentano una grande differenza di elettronegatività. Nel legame ionico un atomo cattura completamente l’elettrone o gli elettroni cedutigli da un altro. Si ha così formazione di ioni, positivi (cationi) e negativi (anioni), da cui il nome del legame.

Il normale sale da cucina costituisce un ottimo esempio di questo tipo di legame. Il cloruro di sodio (NaCl) è formato dall’unione di un atomo di sodio Na, poco elettronegativo, con un atomo di cloro Cl, molto elettronegativo. La grande differenza di elettronegatività tra i due elementi fa sì che il sodio ceda completamente un elettrone, trasformandosi in ione Na⁺, e il cloro lo acquisti diventando Cl^–. I due ioni, avendo cariche opposte, sono soggetti a una reciproca attrazione elettrostatica che determina il legame chimico.

e^– Quando un atomo di sodio (Na) si trova nelle vicinanze di un atomo di cloro (Cl) avviene una cessione dell’elettrone più esterno da parte del sodio al cloro. Così facendo, entrambi gli atomi raggiungono una struttura elettronica più stabile, uguale a quella del gas nobile più vicino (il neon per sodio e l’argo per il cloro). Na Cl

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Il legame covalente

Quando due atomi hanno all’incirca la stessa affinità per gli elettroni, li mettono in compartecipazione, anziché cederli o acquistarli completamente come succede nel legame ionico. In pratica, si ha sovrapposizione degli orbitali esterni dei due atomi e condivisione del loro spazio da parte degli elettroni che si distribuiscono in modo da formare un unico orbitale molecolare attorno ai due nuclei.

Se il legame covalente avviene tra due atomi uguali, si parla di legame covalente puro (per esempio: H₂), se invece avviene tra due atomi diversi, e quindi con un certa differenza di elettronegatività, si parla di legame covalente polare. In questo secondo caso infatti gli elettroni di legame saranno un po’ spostati verso il nucleo dell’atomo più elettronegativo creando un polo negativo (δ^–) e si distanzieranno invece dal nucleo dell’atomo meno elettronegativo, dando origine a un polo positivo (δ⁺).

Atomo più elettronegativo δ δ + - H H H H

Nella molecola di idrogeno (legame covalente puro) gli elettroni di legame ruotano in modo uguale intorno ai due nuclei di idrogeno mantenendo la stessa densità elettronica in tutta la molecola. Il legame che si forma tra due atomi aventi diversa elettronegatività determina una disomogenea distribuzione degli elettroni di legame che genera la formazione di un dipolo (legame covalente polare).

Il legame a idrogeno

Nel caso l’idrogeno si leghi in modo covalente con elementi molto più elettronegativi, come succede nell’acqua con l’ossigeno, la formazione di una molecola polare determina l’instaurarsi di altre particolari forme di legame, i legami a idrogeno, molto più deboli dei legami covalenti, ma estremamente importanti.

Rimanendo sull’esempio dell’acqua, l’atomo di ossigeno, fortemente elettronegativo, attira verso di sé gli elettroni di legame assumendo una parziale carica negativa, viceversa gli atomi di idrogeno assumono una parziale carica positiva per l’allontanarsi degli elettroni di legame dal nucleo. I due legami H-O nell’acqua formano tra loro un angolo di circa 100°. Ne risulta che la molecola d’acqua può essere considerata come un piccolo dipolo, quasi un piccolo magnete.

La parziale carica positiva presente sugli atomi di idrogeno, date le dimensioni esigue di questi atomi, conferisce loro un’alta densità di carica e quindi un’alta energia. Per stabilizzarsi, gli atomi di idrogeno tenderanno a legarsi con atomi che abbiano una parziale carica negativa, quelli di ossigeno delle altre molecole, nel caso dell’acqua.

Si realizza così una struttura di legame complessa nella quale l’idrogeno fa in pratica da ponte tra le diverse molecole. δ^– δ⁺ Le coppie elettroniche non di legame non partecipano alla formazione dei legami della molecola.

Gli elettroni di legame sono condivisi in modo ineguale e sono concentrati maggiormente verso l’atomo di ossigeno (più elettronegativo): tra O e H si ha un legame covalente δ⁺.

La polarità della molecola di acqua.

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Altri legami chimici

Il legame metallico

La struttura dei metalli è molto particolare data la loro scarsa tendenza a tenere legati gli elettroni esterni, che sono quindi liberi di passare continuamente da un atomo all’altro. Si può immaginare la struttura metallica come un’intelaiatura di ioni positivi immersi in una nube elettronica che li tiene legati. Elettroni mobili Esempio di legame metallico. Ioni positivi.

Il legame dativo

È una particolare forma di legame covalente in cui gli elettroni di legame provengono entrambi dallo stesso atomo. Il legame dativo viene indicato con una freccetta (rivolta dall’atomo datore a quello accettore) nelle formule di struttura.

ON OH N OH Esempio di legame dativo. Nell’acido nitroso l’azoto O impegna solo i 3 elettroni di legame; nell’acido nitrico, O oltre ai 3 elettroni di legame, l’azoto dona altri due elettroni all’ossigeno. Acido nitroso Acido nitrico.

Il legame ione-dipolo

È il legame di tipo elettrostatico che si forma tra una molecola polare e uno ione. È alla base per esempio della solubilità dei sali in acqua; infatti mettendo in acqua un composto ionico quale l’NaCl, costituito da ioni Na⁺ e Cl^–, si osserva che gli ioni positivi formano legami con le molecole d’acqua orientandone verso di sé la parte negativa (localizzata sull’ossigeno) mentre gli ioni negativi si legano alla parte positiva (localizzata sugli atomi di idrogeno).

Cl^– Gli ioni negativi del cloruro (Cl^–) vengono avvolti dai poli positivi degli idrogeni dell’acqua. Al contrario i cationi (Na⁺) sono circondati dal polo negativo dell’acqua (l’ossigeno). Sale Acqua Na⁺

I legami di Van der Waals

Sono legami deboli che si formano tra molecole elettricamente neutre, ma con caratteristiche polari proprie o indotte. Sono dovuti all’attrazione reciproca che si realizza tra due molecole polari (dipolo-dipolo permanenti), tra due molecole apolari (con due poli indotti e non permanenti) oppure tra una molecola polare e un’altra apolare (con la presenza di un dipolo perm.

Dipolo elettrico – – + + A B A B interazione dipolo-dipolo (Van der Waals).