Appunti di Chimica

Chimica

La chimica è la scienza che studia le sostanze, naturali e artificiali, del regno organico e di quello inorganico, sia dal punto di vista della loro composizione e struttura, sia da quello delle trasformazioni che portano alla loro formazione.

Attorno a noi

La chimica è nei processi naturali come la fotosintesi, la lievitazione del pane, la combustione… ma anche come la crescita, le emozioni, la memoria… È necessario quindi conoscere la chimica, la scienza che spiega i “perché” e i “come” delle cose usando un suo linguaggio, che è quello degli atomi e delle molecole.

Sistema internazionale di unità di misura

Le grandezze che si possono misurare sono delle grandezze fisiche. Secondo il Sistema Internazionale ce ne sono 7 fondamentali:

Grandezze derivate

Dalle grandezze fondamentali si ricavano le grandezze derivate.

Grandezze estensive e intensive

Si definiscono grandezze estensive della materia quelle grandezze che dipendono dalle dimensioni del campione (lunghezza, volume, massa, area, energia).

Si definiscono grandezze intensive della materia quelle grandezze che non dipendono dalle dimensioni del campione (densità, peso specifico, temperatura di ebollizione e di fusione, molarità, pressione).

Peso specifico e densità

Il peso specifico (N/m³) di un corpo è pari alla forza con cui la sua massa viene attratta dalla Terra: P = m x g (9,8 m/s²).

La densità (Kg/m³) di un corpo è il rapporto tra il suo peso e il suo volume, ovvero corrisponde al prodotto della densità per l’accelerazione gravitazionale: d = m/V.

In generale, la densità dei solidi è maggiore della densità dei liquidi, che a sua volta è maggiore della densità dei gas. Ma esiste un’eccezione che è l’acqua: il ghiaccio solido galleggia sull’acqua liquida perché la sua densità è minore di quella dell’acqua.

La materia

Un sistema è una porzione delimitata di materia. Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono: solido, liquido, aeriforme.

• Solidi: hanno volume e forma propria, sono pressoché incomprimibili. Gli atomi si trovano in posizioni ordinate nello spazio, non si muovono, ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse.
• Liquidi: non hanno forma propria, ma hanno volume proprio. Le particelle non sono disposte in posizione ordinata e si muovono continuamente.
• Gas: non hanno né volume né forma propria. Sono comprimibili. Le particelle sono libere di muoversi in tutto lo spazio a disposizione.

Si definisce fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi. Quando un sistema è costituito da una sola fase si dice che è omogeneo. Quando invece è costituito da due o più fasi si dice che è eterogeneo. Un sistema formato da una singola sostanza si dice puro. E tali sostanze pure hanno caratteristiche e composizioni costanti. Quando invece un sistema è formato da due o più sostanze pure si dice miscuglio, che hanno composizione chimica variabile.

Una soluzione è un miscuglio di due o più sostanze fisicamente omogeneo. Il componente più abbondante della soluzione si chiama solvente, gli altri si chiamano soluti.

Un miscuglio eterogeneo è formato da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili. Sono miscugli i cui componenti sono mescolati in modo non uniforme, tanto che è possibile osservarli a occhio nudo o tramite l’ausilio di un microscopio (esempio: sasso, latte, la nebbia). I miscugli eterogenei possono esistere solo allo stato liquido o solido.

Un miscuglio omogeneo è invece costituito da componenti che sono mescolati in modo uniforme, tanto che non è possibile osservarli a occhio nudo e tramite l’ausilio di un microscopio (esempio: acqua salata, vino, aceto). I miscugli omogenei possono esistere in tutti e tre gli stati di aggregazione della materia.

I colloidi costituiscono una classe di materiali che ha caratteristiche intermedie tra quelle dei miscugli omogenei e quelle dei miscugli eterogenei (esempio: albume, gelatina, budino).

I passaggi di stato

I passaggi di stato implicano la trasformazione della materia da uno stato fisico all’altro per variazioni di temperatura e pressione. A parità di massa, nel passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme, il volume aumenta e la densità diminuisce. Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito, aumenta, ad eccezione del ghiaccio.

• Fusione: stato solido --> stato liquido
• Evaporazione: stato liquido --> stato aeriforme
• Sublimazione: stato solido --> stato aeriforme
• Condensazione: stato aeriforme --> stato liquido
• Solidificazione: stato liquido --> stato solido
• Brinamento: stato aeriforme --> stato solido

Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato. Alla temperatura di fusione coesistono la fase liquida e la fase solida. Alla temperatura di ebollizione coesistono la fase liquida e la fase di vapore. Un aumento della pressione produce un innalzamento della temperatura di ebollizione. Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire o a sottrarre calore. Il calore scambiato durante un passaggio di stato si chiama calore latente (J/Kg).

• Il calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 Kg di sostanza pura alla temperatura di fusione.
• Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per far evaporare completamente 1 Kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione.

Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi sostanza pura è molto maggiore del calore latente di fusione. Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido che indebolire le forze di coesione di un solido. (Eccezione: naftalina e iodio, che presentano forze di coesione così deboli che passano direttamente dallo stato solido allo stato aeriforme.)

Principali metodi di separazione di miscugli e sostanze

• Filtrazione: è il metodo per separare, per mezzo di filtri, i materiali solidi da un miscuglio liquido o gassoso.
• Centrifugazione: è il metodo per separare miscugli eterogenei di liquidi e/o solidi aventi densità diversa.
• Estrazione: è il metodo per separare i componenti di un miscuglio per mezzo di un solvente.
• Cromatografia: è il metodo per separare i componenti di un miscuglio che si spostano con velocità diverse su un supporto (fase fissa), trascinati da un solvente (fase mobile).
• Distillazione: si basa sulla diversa volatilità dei componenti di miscele liquide. Minore è la temperatura di evaporazione, maggiore è la volatilità.

Stati fisici e passaggi di stato

Stato gassoso

Un gas ideale consiste di particelle (atomi o molecole) che hanno le seguenti proprietà:

• Il volume proprio delle particelle è trascurabile rispetto al volume occupato dal sistema gassoso.
• Le particelle sono in costante movimento: le collisioni delle particelle con le pareti del recipiente sono la causa della pressione esercitata dal gas.
• Le interazioni tra le particelle (o fra queste e la superficie del recipiente) sono nulle, gli urti sono perfettamente elastici.
• L’energia cinetica media di un insieme di particelle è proporzionale alla temperatura assoluta del gas.

Lo stato di un gas viene definito da tre variabili fisiche: volume, pressione e temperatura. La relazione matematica che lega le tre variabili V, P, T e descrive lo stato di un gas perfetto: P ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T, dove P è la pressione (Pa); V il volume (m³); n il numero moli (mol); T la temperatura (K) e R la costante dei gas (8,314 J ⋅ mol^-1 ⋅ K^-1).

Stato liquido

Le particelle che costituiscono un liquido sono vicine le une alle altre, trattenute da forze attrattive (forze di coesione) determinate dai legami secondari che ne impediscono la dispersione, a differenza di quanto avviene nei gas. Le molecole nei liquidi possono muoversi continuamente all’interno della massa liquida, pur rimanendo strettamente vicine. I liquidi sono caratterizzati da parametri fisici come viscosità, tensione superficiale e tensione di vapore.

Viscosità

La fluidità è la proprietà di un liquido che consente ai suoi strati di scorrere l’uno sull’altro, conferendo la tipica mobilità dei liquidi. Solitamente per descrivere la resistenza al moto di un liquido si fa riferimento alla sua viscosità, che è l’inverso della fluidità. In generale la viscosità di un liquido diminuisce all’aumentare della temperatura.

Tensione superficiale

I liquidi, pur non avendo una forma propria stabile, di norma tendono ad assumere la forma sferica. La proprietà che favorisce le formazioni sferiche dei liquidi è la tensione superficiale. Una molecola all’interno del liquido è completamente circondata da altre molecole: le forze attrattive esercitate su di essa si bilanciano, dato che provengono da tutte le direzioni. Una molecola sulla superficie del liquido viene attratta solo dalle molecole che sono sotto o a lato di essa, e tali molecole superficiali di un liquido si comportano come una membrana elastica. La tensione superficiale diminuisce all’aumentare della temperatura perché l’agitazione termica delle molecole attenua i legami intermolecolari. Un effetto della tensione superficiale dei liquidi si manifesta nell’innalzamento di un liquido in un tubo capillare. L’innalzamento capillare h risulta tanto maggiore quanto più piccolo è il raggio del capillare. L’acqua presenta un innalzamento capillare perché le forze di adesione al vetro prevalgono su quella di coesione (Mercurio effetto opposto).

Tensione di vapore

Analogamente a quanto avviene per i gas, anche le molecole del liquido si muovono con velocità che dipendono dalla temperatura. Molecole di liquido sufficientemente veloci, vincendo le forze attrattive, possono lasciare la superficie del liquido passando allo stato gassoso (evaporazione). Se il volume in cui avviene l’evaporazione è delimitato, dopo un certo tempo la fase gassosa assume una pressione costante: il vapore formato si dice “saturo”. La pressione esercitata dal vapore saturo sul liquido (ad una definita temperatura) viene chiamata tensione di vapore o pressione di vapore del liquido. Quindi la tensione di vapore è la pressione esercitata dalle molecole che evaporano da un liquido in un recipiente chiuso quando velocità di evaporazione e di condensazione si uguagliano. La tensione di vapore di un liquido aumenta all’aumentare della temperatura. I liquidi che hanno un’elevata tensione di vapore si dicono volatili.

Stato solido

Nei solidi le forze attrattive tra le particelle sono nettamente prevalenti rispetto alla loro energia cinetica. Come conseguenza i solidi possiedono una forma e un volume propri, sono incomprimibili e generalmente sono caratterizzati da una struttura cristallina. I solidi che non possiedono struttura cristallina sono detti amorfi.

• Cristalli ionici: si formano in virtù dell’attrazione fra ioni con carica opposta. Sono fragili, presentano elevata temperatura di fusione, conducono elettricità allo stato fuso e in soluzione acquosa.
• Cristalli covalenti: si formano grazie a una rete tridimensionale di legami covalenti fra gli atomi. Sono duri, hanno temperatura di fusione elevata, non conducono elettricità e non sono solubili in acqua.
• Cristalli molecolari apolari: sono costituiti da molecole apolari tenute insieme da forze di Van der Waals. Sono solidi a bassissime temperature, quasi mai a temperatura ambiente, sono solubili in solventi apolari e non in acqua.
• Cristalli metallici: sono costituiti da atomi legati con legame metallico. Sono duttili, malleabili, conducono elettricità e calore.

Cristalli che hanno la stessa composizione chimica, possono presentarsi con strutture cristalline diverse. Forme alternative di uno stesso elemento che si diversificano per il modo in cui gli atomi sono legati sono dette allotropi. Un esempio è il carbonio che presenta due forme allotropiche:

• La grafite con reticolo esagonale.
• Il diamante con reticolo cubico.

L'atomo

L’atomo è la più piccola particella elementare che rimane inalterata in una reazione chimica. Nell’atomo è possibile fare una distinzione tra nucleo che è la parte centrale in cui vi sono neutroni e protoni, e elettroni che costituiscono la parte esterna, quella implicata nelle reazioni chimiche.

I protoni e i neutroni sono due particelle che hanno più o meno la stessa massa, cioè una quantità di materia quasi uguale. Il protone però ha una carica elettrica positiva che invece il neutrone non possiede. In condizioni normali un atomo risulta neutro, poiché vi è un numero uguale di cariche positive e negative.

Pur essendo tutti formati dalle stesse particelle, gli atomi non sono tutti uguali tra loro: alcuni sono più piccoli, altri più grandi.