Appunti Chimica

CHIMICA – Chiara Novara – a. 2023/2024

CHIMICA

Lezione 1 - 03/10/2023

INTRODUZIONE ALLA CHIMICA – capitolo 1

- Preistoria: scoperta del fuoco (combustione).

- Neolitico: (12000-7000 a.C.): processi metallurgici.

- 6000 anni fa (zona della mezzaluna fertile e dintorni): ceramica, tessuti, vetro.

- Dal 3000 a.C.: preparazione del vino e della birra.

- Greci e arabi: approccio filosofico ai problemi sulla natura e origine della materia (teoria dei quattro

elementi).

- Dal II-III sec. a.C.: fusione del pensiero greco e orientale, nozioni chimiche acquistano aura magica.

- Per 5 secoli, fino alla fine del Medioevo: alchimia.

- Dal 1500 con Paracelso la chimica diventa lo strumento per curare i mali dell’uomo.

- Dal 1600 la chimica come scienza: Boyle sostiene che la chimica deve riguardare lo studio scientifico

di tutta la materia.

La chimica alla base della qualità della vita

- 1908: ideazione del processo di sintesi dell’ammoniaca

- 1930: scoperta dei sulfamidici

- 1941: scoperta degli antibiotici

- 1957: impennata nella produzione industriale della plastica

La chimica costituisce la base di molte scienze applicate e ingegnerie (medicina, biologia, alimentare,

materiali, ambiente, elettrochimica, farmaceutica, energetica, …)

La chimica e le problematiche ambientali

Sfruttamento delle risorse (oltre le capacità rigenerative del pianeta):

- Uso di combustibili fossili in processi energeticamente non efficienti

- Produzione alimentare

- Biogeochimica dei metalli

- Risorse idriche (80% in agricoltura)

- Occupazione e sfruttamento del suolo

- Incremento nell’uso degli elementi chimici nei secoli

- Flussi di materie prime e relativo rischio di approvvigionamento per tecnologie e settori strategici

dell’Unione Europea.

- Immissione nell’ambiente a velocità troppo elevate e con persistenze lunghe (oltre le capacità di

‘riciclo’ del pianeta) di:

o Inquinamento termico, acustico e luminoso

o Composti chimici xenobiotici (pesticidi, additivi plastiche)

o Rifiuti solidi (plastiche)

o Emissioni gassose

o Reflui acquosi, metalli tossici

Lezione 2 – 04/10/2023

La chimica

La chimica è la scienza che studia la materia e le sue proprietà, le trasformazioni subite dalla materia e

l’energia associata a tali trasformazioni. 1

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Per materia si intende tutto ciò che ha una massa e un volume. Ai fini chimici la materia è costituita da

atomi, uguali o diversi, uniti tra loro da forze di legame.

Una sostanza è caratterizzata da una composizione chimica definita e fissa (tipo e quantità di atomi che la

compongono).

Le formule in chimica

E’ possibile distinguere diversi tipi di formule, che forniscono informazioni diverse sulla sostanza che si sta

rappresentando.

- Formula minima (empirica): mostra il rapporto tra gli atomi di ciascun elemento nel composto,

espresso con i numeri interi più piccoli possibili. Si ricava dall’analisi elementare che fornisce le % in

massa di ciascun elemento nel composto. (Es. HO)

- Formula molecolare: mostra il numero di atomi di ciascun elemento in una molecola di composto.

(Es. H O )

2 2

Formula minima e formula molecolare vengono definite formule brute.

- Formula di struttura: mostra il numero di atomi e i legami tra essi, cioè le posizioni reciproche e le

connessioni tra atomi nella molecola. (Es. H-O-O-H)

- Formula di struttura (completa) o modelli: mostrano il numero di atomi e i legami tra essi con la

corretta geometria della molecola. Fanno parte di esse anche i modelli volumetrici e a sfere e

bastoncini.

Le proprietà della materia

La materia possiede 2 proprietà:

- Proprietà fisiche: ossia le caratteristiche della sostanza in sé. Es. colore, temperatura di fusione,

durezza, conducibilità elettrica. Possono essere osservate senza mutare l’identità della sostanza.

- Proprietà chimiche: ossia le caratteristiche della sostanza che emergono solamente nella sua

interazione (reattività) con altre sostanze (corrosività, reattività con acidi, infiammabilità, etc.).

Sia le caratteristiche chimiche che quelle fisiche dipendono dalla composizione chimica e dalle forze di

legame presenti nella sostanza.

Grandezze importanti in chimica

Le grandezze fisiche si distinguono in fondamentali e derivate:

Tra le fondamentali troviamo:

- Massa (m): è legata alla quantità di materia che costituisce un corpo. Nel SI l’unità di misura è il kg,

ma spesso si utilizza un suo sottomultiplo, il grammo (1 g = 0.001 kg).

- Temperatura (T): è la grandezza che determina la direzione del flusso di calore tra oggetti in

contatto. Il calore fluisce sempre dall’oggetto con temperatura più alta a quello con temperatura

più bassa. Comunemente la temperatura è espressa in gradi Celsius, ma l’unita SI è il Kelvin (K). 1

grado kelvin corrisponde a 1 grado Celsius, ma 0 K = -273.15°C (lo zero assoluto).

Tra le grandezze derivate troviamo invece:

- Volume (V): misura lo spazio occupato da una determinata quantità di materia (dipende da T e P).

3 3 3

L’unità di misura SI è il m , ma in chimica spesso si utilizza il litro (1 l = 1 dm = 0.001 m ).

- Pressione (P): definita come forza per unità di superficie, la sua unità di misura SI è il Pascal (Pa). Si

usa più comunemente l’atmosfera (atm). 1 atm = 101325 Pa.

Le trasformazioni della materia 2

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- Trasformazioni fisiche: non variano la natura chimica della sostanza, es. variazioni stato di

aggregazione (es. da ghiaccio solido ad acqua liquida la composizione chimica rimane H O). Dopo

2

la trasformazione variano solo le proprietà fisiche della sostanza.

- Trasformazioni chimiche: implicano la trasformazione della sostanza in 1/+ sostanze diverse

(reazioni chimiche). Le proprietà fisiche e chimiche delle sostanze ottenute sono diverse da quelle di

partenza.

L’energia

Le trasformazioni, chimiche e fisiche, sono accompagnate da un assorbimento o da un rilascio di energia.

Energia (E): è l’attitudine a compiere lavoro (= grandezza associata a una forza quando il punto di

applicazione di questa si sposta) o fornire calore. Sia il lavoro che il calore sono infatti modalità con cui

l’energia può essere trasferita. L’energia di un corpo è data dalla somma di 2 forme di energia:

- Energia potenziale: energia che un oggetto possiede in virtù della propria posizione in un campo di

forza. Si indica con e la sua formula dipende dalla natura delle forze applicate all’oggetto (forza

coulombiana, gravitazionale etc).

- Energia cinetica: l’energia che un corpo possiede in virtù del proprio moto e risulta pari a = 1/2 ∙

∙ ( = massa, = velocità)

2

Vale sempre il principio di conservazione dell’energia, ossia l’energia si conserva, in una trasformazione della

materia non può essere distrutta, ma si converte in forme diverse di energia.

Si parla di assorbimento di energia nelle trasformazioni di stato dell’acqua per fusione, evaporazione,

sublimazione, e cessione di energia per solidificazione, brinamento, condensazione.

L’energia potenziale elettrostatica (di Coulomb)

L’energia potenziale di Coulomb derivante dalle interazioni di tipo elettrostatico tra le particelle cariche che

costituiscono la materia ricopre un ruolo importante in chimica. L’energia coulombiana di una particella di

carica Q a una distanza r dalla particella Q è espressa come:

1 2

1 2

=

4

0

Per 2 particelle con cariche di segno opposto, tale energia risulta più negativa quando la distanza tra le

particelle è minore. L’energia potenziale del sistema costituito dalle 2 particelle cariche rappresentate a lato

risulta quindi più bassa nella situazione 2) (il sistema è più stabile) rispetto alla 1). Per passare dalla

situazione 2 alla 1 deve essere compiuto del lavoro per allontanare le particelle. Il lavoro compiuto aumenta

l’energia potenziale delle particelle.

Quando le particelle si avvicinano nuovamente, l’energia potenziale acquisita precedentemente è

convertita in energia cinetica (l’energia è conservata).

-12 -1 2 -1

(Q = carica (C), r = distanza tra le cariche (m), = costante dielettrica del vuoto = 8.854 x 10 J ∙ C ∙ m )

0

Trasformazioni fisiche: la transizione di fase

Quando un sistema termodinamico passa da uno stato di aggregazione a un altro si parla di transizione di

fase o cambiamento/passaggio di stato.

- Stato solido: ha una forma propria e un volume proprio.

- Stato liquido: occupa un volume proprio, ma assume la forma del contenitore. Si può identificare

una superficie che delimita lo spazio occupato dal liquido.

- Stato gassoso: non ha né forma né volume propri, assume la forma del contenitore e ne occupa

l’intero volume. 3

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Le transizioni di fase richiedono una cessione di energia (in genere l’energia cinetica delle particelle), o un

assorbimento di energia (calore).

Es. la reazione di combustione dell’ottano. Nella reazione di combustione l’energia chimica (potenziale)

immagazzinata nell’ottano viene rilasciata e sfruttata per produrre l’energia cinetica associata al

movimento dell’auto.

Si formano dei prodotti caratterizzati da energia potenziale inferiore rispetto ai reagenti, quindi più stabili in

determinate condizioni di temperatura e pressione.

Una qualsiasi reazione chimica si può esprimere formalmente come equazione chimica in cui vengono

riportate le formule dei reagenti (sostanze presenti prima della reazione) e dei prodotti (sostanze formate

nella reazione) negli esatti rapporti stechiometrici.

La materia è costituita da particelle cariche positivamente o negativamente le quali esercitano fra loro forze

elettrostatiche attrattive o repulsive. L’energia chimica di una sostanza è dovuta alle posizioni reciproche e

alle interazioni delle particelle che la costituiscono.

Componenti della materia

Un elemento è una sostanza costituita da un’unica specie di atomi. Si tratta della tipologia più semplice di

materia con caratteristiche chimiche e fisiche uniche.

Un composto è una sostanza costituita da 2/+ elementi legati chimicamente in proporzione definita.

Una miscela è costituita da 2/+ sostanze mescolate fisicamente in proporzioni non definite. Tra le sostanze

non si formano legami chimici.

Gli elementi

Pochi elementi si trovano in natura come singoli atomi (es. gas nobili, Ne).

Alcuni elementi si trovano in forma molecolare (O , H , Cl , S , N ).

2 2 2 8 2

Molti elementi si trovano in forma aggregata (allo stato solido sono costituiti da molti atomi organizzati in

una struttura tridimensionale regolare ed estesa).

Molecola: unità strutturale indipendente costituita da 2/+ atomi legati chimicamente tra di loro.

I rapporti in massa tra gli elementi che costituiscono il composto sono sempre uguali.

Un composto è una sostanza costituita da 2/+ elementi legati chimicamente in proporzione definita (es.

H O, CaCO , CO , NaCl, CH ). Un composto può essere scisso attraverso metodi chimici in sostanze pure più

2 3 2 4

semplici (elementari).

Il numero di atomi dei diversi elementi che costituiscono il composto è sempre lo stesso. I rapporti in massa

tra gli elementi che costituiscono il composto sono sempre gli stessi.

Composti molecolari e non

Come per gli elementi si distinguono:

- Composti molecolari, per cui è possibile identificare una molecola come unità strutturale di base.

Es. NH , nella molecola sono sempre presenti 1 atomo di N e 3 atomi di H.

3

- Composti non molecolari. In questo caso i composti possono essere ionici (NaCl) o covalenti (SiC).

Non esistono le molecole del cloruro di sodio o del carburo di silicio, ma all’interno del composto il

rapporto tra i due atomi sarà sempre di 1:1 come rappresentato nella formula.

Le proprietà di un composto sono diverse da quelle degli elementi che lo compongono.

Lezione 3 – 05/10/2023

Le miscele (o miscugli) 4

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Miscela: insieme di 2/+ sostanze mescolate fisicamente, ma non legate chimicamente. Di conseguenza,

rispetto ai composti, le miscele:

- Possono essere caratterizzate da rapporti in massa variabili tra le sostanze che le costituiscono.

- Hanno proprietà direttamente dipendenti da quelle delle sostanze costituenti.

- Attraverso metodi fisici possono essere separate nelle sostanze costituenti (si sfruttano le diverse

proprietà fisiche dei componenti).

Sistemi omogenei ed eterogenei

Sistema: porzione di spazio con tutta la materia ed energia in esso contenute.

Sistema omogeneo: sistema caratterizzato da proprietà fisiche e chimiche uniformi.

Una fase consiste in un sistema omogeneo i cui confini sono delimitati nettamente. Essa può essere una

sostanza (un composto chimico o un elemento) o una soluzione (miscela omogenea).

Sistema eterogeneo: sistema le cui proprietà fisiche e chimiche non sono uguali in ogni punto. Si

distinguono più fasi.

Classificazione delle miscele

Dimensioni delle particelle di ciascuna sostanza aumentano passando dalle miscele omogenee, alle

dispersioni colloidali, alle miscele eterogenee.

- Miscele eterogenee: dimensioni delle particelle > 10000 Å (dette sospensioni se solido in liquido).

- Dispersioni colloidali (o colloidi): dimensioni delle particelle nell’intervallo 10-10000 Å.

- Miscele omogenee, soluzioni: dimensioni delle particelle < 10 Å. (Emulsioni: liquidi immiscibili

dispersi l’uno nell’altro).

Materia: tutto ciò che possiede una massa:

- Miscele: hanno composizione variabile; i componenti mantengono le loro proprietà; possono essere

separate con metodi fisici; miscele con composizione diversa possono avere proprietà molto

diverse. Possono trasformarsi in sostanze pure tramite trasformazioni fisiche.

o Miscele omogenee: hanno la stessa composizione in ogni punto; i componenti sono

indistinguibili.

o Miscele eterogenee: non hanno la stessa composizione in ogni punto; i componenti sono

distinguibili.

- Sostanze pure: hanno composizione fissa; non separabili con metodi fisici, le proprietà possono

essere variate solo con metodi chimici.

o Composti: possono essere decomposti con metodi chimici in sostanze più semplici, sempre

in rapporti costanti. Possono trasformarsi in elementi dopo trasformazioni chimiche.

o Elementi: non possono essere decomposti con metodi chimici in sostanze più semplici.

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L'ATOMO - capitolo 2

La comprensione della composizione della materia

L’indagine chimica nel senso moderno cominciò alla fine del XVII secolo con le prime osservazioni

scientifiche sul comportamento della materia.

Antoine-Laurent de Lavoisier mostrò nella seconda metà del XVIII secolo la natura della combustione

tramite una serie di accurate misurazioni che evidenziarono l’importanza della massa in una reazione

chimica, portando alla formulazione della legge di conservazione della massa.

La legge sulla combustione venne dedotta tramite esperimenti, poichè:

1) Legno + O → CO + H O + cenere

2 2 2 5

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2) 2 Mg + O → 2 MgO

2

Nella combustione del legno si ha una apparente diminuzione di massa → presenza di gas tra i prodotti.

Nell’ossidazione del magnesio si ha un apparente aumento della massa → cattura di ossigeno gassoso

dall’atmosfera.

Lavoisier dimostrò appunto che la razione di combustione avvenuta in un sistema chiuso manteneva le

masse costanti e l'ossigeno veniva inglobato nel prodotto. Legge di conservazione della massa: “In una

reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti in un sistema

chiuso". Da qui ne deriva la celebre frase 'Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma.'

Nel 'Trattato elementare di Chimica' di Lavoisier si trova scritto «mi sono dato come legge di procedere

sempre dal noto all’ignoto, di non fare alcuna deduzione che non sgorgasse direttamente dagli esperimenti

e dall’ osservazione, … di non colmare il silenzio dei fatti in affrettate conclusioni». Lavoisier fu il primo

scienziato a trattare la chimica dal punto di vista chimico, richiamando già in anteprima il futuro metodo

scientifico: osservazione → ipotesi ↔ esperimenti → teoria ↔ esperimenti.

In seguito, le osservazioni di Proust e Dalton portarono alla formulazione rispettivamente della legge della

composizione definita e costante e della legge delle proporzioni multiple.

Legge della composizione definita e costante (1799) di Joseph Proust.

“In un composto chimico gli elementi sono sempre combinati in rapporti in massa costanti e

definiti.“ Indipendentemente dalla sua fonte (metodo di sintesi o separazione da altre sostanze), ogni

composto chimico è costituito dagli stessi elementi nelle stesse frazioni in massa. In un composto chimico

gli elementi sono sempre combinati in rapporti di massa costanti e definiti. Si calcola la percentuale in

massa: m. elemento/m. composto x100.

Legge delle proporzioni multiple di John Dalton.

“Se due elementi A e B reagiscono per formare due composti (AB e AB ), le diverse masse di B che si

2

combinano con una massa fissa di A stanno tra di loro secondo numeri interi piccoli.“

Ciò porta Dalton a sviluppare la teoria atomica. Dalton descrive gli atomi come sfere solide e indivisibili:

modello delle sfere da biliardo.

I postulati della teoria atomica di Dalton (1808)

1) Tutta la materia &egra