Appunti Chimica inorganica

Corso di chimica generale e inorganica

Metodo scientifico

Metodologia inventata da Galileo Galilei nel 1600, che si basa su un processo ben specifico nell’osservazione di un fenomeno e nella redazione di una teoria. Tutto parte dall’osservazione del fenomeno con l’individuo che prova a fare delle ipotesi sul perché esso avviene; a seguito di esperimenti si stipula una legge che descrive il fenomeno avvenuto. Si passa poi alla parte teorica che viene controllata con altri esperimenti e, qualora ce ne fosse bisogno, modificata in base alle verifiche effettuate successivamente.

Grandezze fondamentali

Il sistema internazionale prevede 7 grandezze fondamentali e ne definisce l’unità di misura. Da queste derivano le unità derivate che si ottengono per combinazione delle unità fondamentali ed i prefissi moltiplicativi.

Classificazione della materia

Nella maggior parte dei casi la materia è costituita da miscele, che possono essere:

• Miscele eterogenee: Composizione e proprietà non uniformi (sistema polifasico), ad esempio, rocce - sabbia
• Miscele omogenee: Composizione variabile - uniforme nel campione (sistema monofasico), ad esempio, acqua del rubinetto

Le miscele sono composte da più sostanze pure mischiate, esse hanno la caratteristica di essere ben definite negli elementi che le costituiscano e questi elementi sono combinati in modo che le loro masse siano costanti nei campioni prelevati. Le sostanze pure possono essere:

• Composti: Con più elementi ben definiti
• Elemento: Atomi dello stesso elemento non ulteriormente divisibile

I componenti di una miscela possono essere separati tra di loro grazie a tecniche fisiche come, ad esempio, la distillazione, mentre le sostanze pure non possono essere divise fisicamente. I composti possono essere separati chimicamente, gli elementi invece non sono ulteriormente divisibili, ma possono essere combinati chimicamente con altri elementi diventando composti. Importante ricordare che non tutte le sostanze pure sono formate da molecole.

Per i vari elementi si possono distinguere due tipi di proprietà: quelle fisiche e quelle chimiche. Le proprietà fisiche sono proprietà che possono essere osservate e misurate senza variare la composizione della sostanza, mentre quelle chimiche descrivono la composizione e la struttura di una sostanza e le reazioni a cui partecipa e che producono nuove sostanze. Le sostanze fisiche sono, ad esempio, lo stato di aggregazione (solido - liquido - gassoso), la densità, il colore, il punto di fusione, la conducibilità ecc.

Per le sostanze chimiche si deve fare un'ulteriore distinzione invece:

• Proprietà estensive: Dipendono dalla quantità di sostanza del sistema studiato (massa - volume - ecc.)
• Proprietà intensive: Non dipendono dalla quantità di sostanza (densità - conducibilità - ecc.)

Teoria atomica

Le origini della storia atomica risalgono ai filosofi greci come Leucippo e Democrito (V secolo a.C.) che parlavano di materia composta da unità piccole e indivisibili, unità che poi vennero confermate e chiamate atomi. La teoria atomica fu pura speculazione fino alla prima ipotesi convincente arrivata nel 1807 dal chimico John Dalton. La sua teoria si basava su quelle che sono considerate le leggi fondamentali della chimica, anche dette oggi leggi ponderali:

• Legge della conservazione della massa (1774-Lavoisier): In una qualsiasi reazione chimica la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti, ovvero in una reazione chimica la massa totale del sistema non varia.
• Legge delle proporzioni definite (1799-Proust): In un composto gli elementi si combinano sempre secondo proporzioni in massa definite e costanti (ad esempio: nell'acqua il rapporto fra le masse di idrogeno e ossigeno è sempre 1:8).
• Legge delle proporzioni multiple (1808-Dalton): Quando due elementi A e B formano più di un composto, il rapporto delle masse dell'elemento B che si legano con una medesima quantità di massa dell'elemento A in ciascuno dei composti può essere espresso da numeri piccoli e interi.

Dalton, effettuò uno studio effettuato su un campione qualsiasi di acqua. In esso vide che vi erano 8 g di ossigeno ogni grammo di idrogeno e che in un altro composto con gli stessi elementi per ogni grammo di idrogeno ne corrispondevano 16 g di ossigeno, dunque poté ipotizzare la sua teoria atomica, la prima in epoca moderna. Divisa per punti, essa recita:

• Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici.
• Gli atomi di elementi diversi possiedono massa differente.
• Un composto è una specifica combinazione di atomi di più di un elemento.
• In una reazione chimica gli atomi non vengono creati o distrutti, ma semplicemente cambiano partner dando luogo a nuove sostanze.
• Gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporti di numeri interi.

Esperimento con raggi catodici

In un tubo contenente gas rarefatto sottoposto a elevate differenze di potenziale (tubo di Crookes), dall'elettrodo negativo, chiamato catodo, venivano emessi questi raggi. Essi si rivelarono costituiti da particelle materiali portatrici di cariche negative, che si rivelarono sempre identiche indipendentemente dalla natura del gas e del catodo. Si concluse che queste particelle fossero dei costituenti fondamentali di tutti gli atomi e che questi, conseguentemente, non fossero unità indivisibili. A queste particelle fu dato il nome di elettroni. L’atomo è neutro per cui devono esistere anche delle cariche positive, chiamate protoni.

Modello atomico di Thomson

La prima ipotesi sulla natura dell’atomo fu fatta da Thomson (chiamato modello a panettone), il suo fu anche il primo modello a considerare l’esistenza di particelle subatomiche, ovvero fu il primo a considerare l’atomo come divisibile. Riteneva che l’atomo fosse formato da particelle puntiformi negative in un gel di materiale positivo.

Esperimento di Millikan

Gli elettroni sono prodotti da raggi X sulle molecole dell’aria, delle microgocce d’olio raccolgono gli elettroni, si caricano e vengono fatte sedimentare tra due piastre metalliche. La massa delle gocce si calcola dalla velocità di caduta. Se le piastre sono caricate +/- si altera la velocità di caduta delle gocce cariche. Poiché ogni goccia può raccogliere più di un elettrone si determinano multipli interi della carica:

• Carica e = -1.6022 x 10^-19 C
• Massa m = e/(e/m) = 9.1096 x 10^-28 g

Esperimento di Rutherford

Rutherford studiava molto la radioattività e nel 1911 fece un esperimento sfruttando le sue conoscenze in merito. Per studiare la struttura atomica, Rutherford bombardò con raggi α (nuclei di elio carichi positivamente) sottili lamine di oro; la maggior parte di queste particelle attraversarono l’oro come da previsione. Infatti, essendo le particelle di elio cariche positivamente avrebbero dovuto trapassare l’oro senza subire una rilevante deflessione, ma alcune particelle non rispettarono ciò. Alcune particelle subirono una deflessione molto ingente mentre altre addirittura venivano respinte (circa 1 su 20000), da questo fenomeno dedussero l’esistenza di un nucleo al cui interno, molto concentrata, era presente la carica positiva dell’atomo. La carica positiva è concentrata in un nucleo piccolissimo mentre gli elettroni ruotano intorno al nucleo e occupano la maggior parte del volume dell’atomo (determinano le dimensioni atomiche). L’atomo è circa 100000 (10⁵) volte più grande del nucleo. Successivamente venne ipotizzata l'esistenza del neutrone.

Struttura dell'atomo

L’intera massa dell’atomo è concentrata all’interno del nucleo. Il numero atomico (Z) è quello che corrisponde al numero degli elettroni (ed essendo gli atomi neutri corrisponde anche al numero di protoni); atomi con uguale numero atomico Z hanno uguali proprietà chimiche, sono classificati come atomi dello stesso elemento e sono identificati dallo stesso simbolo chimico. Il numero di massa (A) invece identifica il numero di nucleoni, ovvero il numero dei protoni + il numero dei neutroni (per trovare il numero dei neutroni basta fare A-Z).

Il nuclide è una specie atomica caratterizzata da una ben determinata composizione del nucleo, per scriverlo occorre:

• X (simbolo elemento)
• Z (in basso a sinistra)
• A (in alto a sinistra)

Per fare un esempio questo è il nuclide dell’elemento azoto.