The Bible of Chemistry - Elementi di Chimica

Elementi di chimica

Spolaore Riccardo

I Anno Ingegneria Aerospaziale (canale B)

Docenti: Negro Enrico, Vezzù Keti

Sommario

Sommario.............................................................................................................................................................. 1

SOLIDI ........................................................................................................................................................ 6

CINETICA ................................................................................................................................. 7

LIQUIDI E SOLUZIONI..................................................................................................................................................... 15

EQUILIBRI ............................................................................................................ 21

TERMODINAMICA CHIMICA (pt.1) ............................................................................................................ 24

TERMODINAMICA CHIMICA (pt.2)...................................................................................................................................... 28

ELETTROCHIMICA ................................................................................................................ 34

ELETTROCHIMICA APPLICATA ............................................................................................................... 37

ORBITALI, PIANI NODALI e altro

Formula di Lewis .......................................................................................................................................... 39

............................................................................................................... 44

Equazione di Stato dei Gas perfetti.................................................................................................................................. 46

Scale Termodinamiche.......................................................................................................................................... 46

Scale di Pressione

Solidi

Solidi amorfi

Solidi amorfi:

Proprietà:

• Posizioni spaziali casuali degli atomi (dovuti al loro rapido raffreddamento).
• Ordine solo a corto raggio ma non a lungo raggio.
• Sono dei polimeri.
• Proprietà isotrope.
• Proprietà elettriche.
• NON hanno una temperatura netta di fusione ma variano in un range. Dunque hanno alta malleabilità.

Esempio per eccellenza: il vetro.

Come si formano:

• Tramite raffreddamento rapido di metalli (es: ossidiana ossia lava raffreddata)

Solidi cristallini

Solidi cristallini:

Proprietà:

• Rappresentano facce e angoli ben definiti (geometria cristallina).
• Ordinamento microscopico delle posizioni degli atomi e delle molecole anche a lungo raggio.
• Le dimensioni dipendono dalle condizioni in cui si sono formati.
• Hanno una temperatura netta di fusione. Hanno bassa malleabilità.
• Sono composti da “cristalliti” che sono cristalli perfetti.

N.B: più è lungo il tempo di raffreddamento più i cristalli sono grandi.

Cristallo: è un poliedro regolare delimitato da superfici piane formato da un composto chimico sotto l’azione di forze interatomiche durante il passaggio dallo stato gassoso o liquido allo stato solido.

Proprietà:

• Reattività chimica
• Dilatazione termica
• Velocità di crescita
• Conducibilità elettrica e termica
• Sfaldatura
• Piezoelettricità
• Temperature di fusione ben definite
• Proprietà anisotrope

Tipologie di solidi cristallini

Tipologie di solidi cristallini:

• Covalenti - (silicio, carbonio) → alte temperature di fusione.
• Ionici - (NaCl) → composti da anioni e cationi; forti interazioni elettrostatiche. Temperature di fusione variabili.
• Metallici - (Ferro) →
• Molecolari - (ghiaccio) composti da molecole; deboli forze intermolecolari.
• A strati (graffite)

Tre grandi famiglie di solidi cristallini

Tre grandi famiglie di solidi cristallini:

1) Solidi molecolari:

Composti da sole molecole, con bassa temperatura di fusione e deboli forze intermolecolari (interazioni di Van Der Waals), facile deformabilità, sono isolanti elettrici.

2) Solidi ionici:

Composti da anioni e cationi, con alta temperatura di fusione e forti interazioni elettrostatiche. Hanno una struttura complessa in quanto costituiti da ioni che hanno raggi ionici diversi.

3) Solidi atomici:

Uniti da soli atomi e tenuti assieme da: o legame covalente, o legame metallico o legame di dispersione dunque molto duri e con bassa volatilità (es: quarzo).

Strutture:

• A strati: passaggio della corrente risulta difficile
• A catene: passaggio di corrente facilitato

Solidi atomici di non legame: gli UNICI sono i gas nobili allo stato solido.

Solidi metallici: chiamati così perché gli atomi sono tenuti assieme dal legame metallico.

Grazie alla presenza di orbitali di energia tale da consentire lo spostamento degli elettroni, essi godono delle seguenti proprietà:

• Lucentezza
• Elevata conducibilità elettrica e termica
• Duttilità e malleabilità
• Tendono a formare strutture cristalline a impaccamento compatto.

Una struttura cristallina si determina tramite la diffrazione a raggi X.

Interferenza costruttiva: campo magnetico forte o in opposizione di fase.

Interferenza distruttiva: annullamento del campo elettrico e magnetico.

Reticolo cristallino

Reticolo cristallino: è un modello periodico tridimensionale di punti reticolari in cui questi ultimi possono rappresentare uno o più atomi. Traslando una cella elementare nelle tre direzioni si ottiene un cristallo:

Ogni atomo è individuato da 3 parametri che indicano le distanze unitarie lungo i 3 assi xyz:

Elementi geometrici interni:

• Centro di simmetria: punto che divide a metà tutte le rette che incontrano da parti opposti punti equivalenti della superficie.
• Piano di simmetria: piano che divide il cristallo in due parti speculari uguali.
• Asse di simmetria: retta attorno alla quale può ruotare il cristallo di 360° senza che la posizione finale sia diversa dalla posizione iniziale.

I sette sistemi cristallini:

È importante identificare in modo inequivocabile una faccia che definisce nel cristallo una famiglia di piani paralleli tra loro, questo avviene tramite gli indici di Miller, che sono una terna di numeri che identificano tale famiglia di piani.

Densità atomica planare $ $( * +#!'$%$! "# $%! # # & # & '% # (!'! #'% ( &$%# "$ '

Essa è data dalla seguente formula: )= $ $ ( * +#!'$%$

Densità atomica lineare

Essa è data dalla seguente formula: ! "# "#$ % # $%! #&# #'% ( &$%# "$ '$ *#' $ ' **$ "# +#!' "′#'% ((,= * '.ℎ ++$ "# %$* *#' $ ('!%$)

Strutture cristalline

Strutture Cristalline

1) CCC = struttura Cubica Cristallina a Corpo Centrato:

Proprietà:

• Ad ogni spigolo di un cubo e al suo centro vi è un atomo
• Ogni atomo ha 8 atomi vicini
• Numero di coordinazione (atomi vicini) sempre pari a 8

4!* "# $%! # ' **$ & **$ '#%$ #$

Esempi sono: il cromo, il ferro e il sodio.

2$%%! "# # 3$&&$ '%! $%! #&! = 4!* " **$ & **$ '#%$ #$

2) CFC

Proprietà:

• Ogni cella unitaria ha 4 atomi (1/8 per 8 + ½ per 6)
• Gli atomi sono in contatto tra loro lungo la diagonale della faccia del cubo
• 56$ = √8
• La costante del reticolo è:
• Fattore di impaccamento atomico: 0,74

3) EC

Proprietà:

• Ogni cella unitaria ha 6 atomi.
• Fattore di impaccamento atomico: 0,74

Una medesima sostanza semplice o composta può cristallizzare in due o più forme cristalline:

Isomorfismo: fenomeno per il quale due o più sostanze diverse cristallizzano separatamente per dare cristalli con caratteri geometrici molto simili.

Polimorfismo: se la cristallizzazione avviene ad una sostanza semplice.

Allotropia: quando nelle diverse forme di un elemento chimico sono presenti legami di tipo diverso.

Difetti cristallini

Difetti cristallini:

• Difetti di punto (Vacanza)

È data dall’assenza di un atomo e si forma durante la cristallizzazione degli atomi, la mobilità della vacanza determina un gruppo di vacanze.

N.B: se due particelle di carica opposta non sono presenti si ha una bivacanza catione-anione chiamata Difetto di Schottky.

• Difetti di linea (Dislocazioni: a spigolo, a vite o miste)

Centrate attorno ad una linea, esse si formano durante la solidificazione, la deformazione o la condensazione di vacanze.

• Difetti bidimensionali (o di superficie)
• Difetti tridimensionali (Cricche)
• Imperfezioni nei reticoli cristallini (lacune, impurezze sostituzionali e interstiziali)

Impurezze interstiziali possono essere indotte da irraggiamento e determina una distorsione strutturale.

Solidificazione dei metalli

Solidificazione dei metalli

I metalli vengono fusi per produrre prodotti finite e semilavorati.

Vi sono 2 stadi si solidificazione:

• Nucleazione: formazione di nuclei stabili che coinvolge energie libere di volume e energie libere di superfici.
• Crescita dei grani: formazione della struttura a grani

N.B: gradienti termici stabiliscono la forma dei grani che possono essere:

1) Equiassici: crescono allo stesso modo in ogni direzione, alta concentrazione di nuclei.

2) Colonnari: lunghi, sottili e crescono lungo una sola direzione.

Solidificazione del monocristallo

Solidificazione del monocristallo

I monocristalli hanno resistenza al creep ad alta temperatura.

Il calore latente di solidificazione è condotto attraverso i cristalli che stanno solidificando per far crescere il monocristallo.

La velocità di crescita è mantenuta costante in modo che la temperatura all’interfaccia solido-liquido sia leggermente inferiore al punto di fusione.

Purificazione e cristallizzazione del silicio

Purificazione e cristallizzazione del silicio

Il silicio metallurgico (ricavato da quarzo) deve essere molto puro e deve essere un monocristallo.

Per la sua purificazione e cristallizzazione vi sono due metodi:

1) Il processo Czochralski:

Un seme di cristallo viene immerso nel silicio fuso e ruotato.

Il seme di cristallo è allontanato lentamente mentre il silicio aderisce al cristallo seme e cresce come un monocristallo. La temperatura (T) del Silicio nel crogiuolo è mantenuta di pochi gradi superiore a quella di fusione (1414 °C), e aderendo al seme monocristallino, che gradualmente viene estratto dalla massa fusa, si solidifica molto rapidamente conservando la struttura monocristallina del seme a cui aderisce.

2) Metodo floatingzone.

Il cilindro di silicio monocristallino ottenuto viene fatto percorrere da una resistenza scaldante che genera uno strato di materiale fuso nel quale si sciolgono le impurezze rimaste.

Le impurezze vengono quindi segregate alle estremità del cilindro.

Cinetica

La cinetica chimica studia la relazione quantitativa tra la quantità dei reagenti e prodotti e la variabile tempo.

In cinetica, il modo più facile con cui possiamo determinare la variazione del tempo è il numero di moli “n”. Definiamo quindi…

• Velocità di formazione: è il rapporto tra la variazione del numero di moli della specie i-esima e il tempo nel quale la variazione viene osservata:

4̅ = ± ::) ∆' ∆%

Tale grandezza è detta velocità media ed essa dipende dalla sostanza scelta e dall’intervallo di tempo scelto. Il segno “-” (meno) vale per i reagenti in quanto scompaiono a mano a mano che la reazione procede.

• Velocità istantanea: è definita dalla stessa formula della velocità media ma il tempo scelto viene fatto tendere a 0 cosicché si abbia una reazione in un intervallo infinitesimo:

4 = lim ± ::) ∆' ∆%=→>

• Velocità media come variazione della concentrazione nel tempo: essa è definibile quando la specie i-esima si trova in miscela o soluzione ed è definita come:

4̅ = ± = ± 1 ∆' ∆A : :@ ∆% ∆%:

Da cui la relativa istantanea si ottiene facendo tendere il tempo a 0.

• Velocità di reazione media: ricordando il “grado di avanzamento di una reazione” essa si definisce come:

4̅ = ∆ξ ∆%6

Da cui la relativa istantanea si ottiene facendo tendere il tempo a 0.

Quest’ultima grandezza è funzione di tutte le concentrazioni delle specie che partecipano alla reazione, ossia:

4 = 2(A , A , A … ).6 C E F "A

Tale funzione prende il nome di equazione cinetica:

4 = − = J ∗ A ∗ A ∗ A …6H L FNEM"%6H C

Dove g, h, l… (ossia gli esponenti) sono detti “ordini parziali di reazione” e la soma di tutti loro fornisca l’ordine totale di reazione. Per determinare gli ordini parziali si può applicare il metodo delle velocità iniziali.

Reazioni di primo e di secondo ordine

Reazioni di primo e di secondo ordine

Nelle reazioni di primo ordine la velocità della reazione dipende esclusivamente dalla concentrazione di un unico reagente. In questo tipo di reazioni la quantità di reagente dimezza in tempi regolari.

Le reazioni di secondo ordine invece sono quelle in cui sono coinvolte due particelle che possono essere uguali (es: 2A → B + C +…) o diverse (es: A + B → C +…).

Se due molecole reagenti, scontrandosi, si trasformano nei prodotti, vi sarà la rottura di legami, la formazione di nuovi, il trasferimento di elettroni, ecc. Una trasformazione che avviene in una singola collisione tra due particelle viene detta “stadio elementare”.

Una reazione solitamente coinvolge più stadi elementari portando dai reagenti ai prodotti, questo processo si chiama “meccanismo di reazione”.

La collisione tra particelle è efficace, cioè porta alla formazione di prodotti, solo se:

• Avviene con energia sufficiente affinché si attivino i processi di rottura e formazione dei legami. Tale energia è detta “Energia di attivazione”
• Avviene in modo tale da permettere geometricamente la formazione dei nuovi legami.

A parità di concentrazione dei reagenti, una reazione è tanto più veloce quanto maggiore è la costante cinetica k.

Catalisi e catalizzatori

Catalisi e Catalizzatori

Esistono specie chimiche in grado di permettere che una trasformazione chimica proceda secondo un meccanismo alternativo (più veloce) partecipando alla conversione da reagenti a prodotti ma senza modificarsi chimicamente al termine della reazione. Queste sostanze prendono il nome di Catalizzatori e la Catalisi è il fenomeno di accelerazione delle reazioni chimiche che producono.

Il catalizzatore modificando il meccanismo della reazione, ne modifica l’energia di attivazione.

Questo avrà effetto sia sulla reazione diretta che su quella inversa.

Esistono due tipi di catalizzatori, distinti in base alla fase nella quale operano rispetto i reagenti:

• Catalizzatori omogenei: sono catalizzatori che si trovano nella STESSA fase dei reagenti.
• Catalizzatori eterogenei: sono catalizzatori che si trovano in una fase DIVERSA rispetto ai reagenti (in genere solida rispetto a quella liquida o gassosa dei reagenti).

Liquidi e soluzioni

LIQUIDI E SOLUZIONI

Soluzione: termine generico per indicare un qualunque sistema a più componenti fisicamente omogeneo.

Concentrazione molare (Molarità): indica il numero di moli della specie considerata disciolte in 1 litri di soluzione. Si esprime in moli/litro. Dalla seguente proporzione è possibile ricavare la formula per trovarla:

R!*$ #%à ∶ 1 *#% ! "# (!* +#!' = '. !*# ∶ @!* " **$ (!* +#!''

Da cui la formula:

R!*$ #%à = A = @@ = 4!* " * &! 3!(%!, ' = ' ! !*#,

Dove: esprimibile come:

'= R .R = $(($ !*$ " * &! 3!(%!= $(($ " * &! 3!(%!,

Dove:

Analogamente si può definire la concentrazione molare in grammi/litro come:

R!*$ #%à = A = ,= $(($ " * &! 3!(%! #' . $ # , = 4!* " * &! 3!(%! #' *#% #.

Dove: e

Concentrazione molale (Molalità): indica il numero di moli della specie considerata disciolte in 1 chilo di solvente. Si esprime in moli/kilo.

'R!*$*#%à = ℳ =

I liquidi godono di due proprietà: viscosità e tensione superficiale (+ passaggi di stato).

Viscosità ([): è la resistenza con cui le particelle di un liquido incontrano scorrendo tra loro.

Maggiore è la viscosità e più lentamente fluisce il liquido. Essa dipende dalla natura e dalla temperatura del liquido:

]ln(\) = ^ dove T indica la temperatura.

La misura viene effettuata facendo fluire un volume “V” del liquido nel tempo “t” attraverso un tubo capillare di raggio “r” e lunghezza “l”, alla pressione “P” che grava sul fluido applicando la relazione:

@ =_ 5% 8a*

Per introdurre i fluidi, introduciamo lo…

Sforzo di taglio:

b = a × = 4#(&!(#%à × . $"# '% "# 4 *!&#%à

Esistono tre tipi di fluidi:

1) Newtoniani: fluidi in cui lo sforzo di taglio è proporzionale al gradiente di velocità oppure la viscosità è costante al variare del gradiente di velocità (es: acqua).

2) Non Newtoniani: fluidi in cui lo sforzo di taglio è funzione non lineare del gradiente di velocità oppure la viscosità è variabile al variare del gradiente di velocità (es: sangue).

3) Fluidi Reopessici: hanno una viscosità che aumenta in funzione del tempo di applicazione della sollecitazione (es: acqua + fecola di patata)

Energia (tensione) superficiale: è il lavoro occorrente per aumentare la superficie di un liqui 8 . Diminuisce all’aumentare della temperatura.