Chimica generale e inorganica

IMPORTANTE:

●​ l’elemento che si riduce vede diminuire il suo stato di ossidazione

●​ l’ elemento che si ossida vede aumentare il suo stato di ossidazione.

●​ La sostanza che cede elettroni si ossida ed è chiamata riducente

●​ La sostanza che acquista elettroni si riduce ed è chiamata ossidante

La

reazione redox è una combinazione di un’ossidazione e di una riduzione quindi il numero di

elettroni ceduto deve essere uguale a quello degli elettroni acquistati.

Importante è ricordare che un determinato composto non svolge sempre la funzione di

riducente o di ossidante ma dipende dalla reazione.

Bilanciamento delle reazioni redox

→

Per bilanciare le reazioni di ossido-riduzione utilizziamo il metodo delle semi-reazioni che

consiste nel considerare le reazioni di ossido-riduzione formalmente come la somma di due

semireazioni dove una cede e l’altra acquista elettroni.

Esempio 73

1.​ La prima cosa che facciamo è assegnare il numero di ossidazione agli elementi in

modo da capire quali sono le specie che si ossidano e quelle che si riducono.

2.​ Successivamente si scrivono le due semi-reazioni bilanciate nella specie ridotta e

ossidata.

3.​ Si esegue poi il bilancio di massa delle due semireazioni aggiungendo H2O, H+,

OH- a seconda della necessità.

4.​ Si esegue il bilancio di carica aggiungendo elettroni.

5.​ Si esegue il bilancio redox moltiplicando le due semi-reazioni per un opportuno

fattore in modo da bilanciare gli elettroni in gioco (gli elettroni ceduti devono essere

uguali a quelli acquistati. 74

6.​ . Si sommano le due semi-reazioni eliminando i fattori che compaiono da entrambe le

parti.

Tabella

→

12 lezione

Lo stato della materia

→

Gli atomi e le molecole possono raggrupparsi in insiemi geometricamente ordinati e

simmetrici che si organizzano nello spazio fino a formare i solidi.

In condizioni di temperatura e pressione costanti, un solido ha una forma e un volume ben

definiti che non cambiano nel tempo. 75

Dal punto di vista teorico, un solido può essere pensato come generato dalla ripetizione

periodica lungo le tre dimensioni dello spazio di un’unità fondamentale che è chiamata cella

cristallina o cella elementare.

Il solido risultante dalla traslazione nello spazio della cella cristallina prende il nome

di reticolo cristallino.

Un esempio che chiarisce il concetto di cella cristallina è quello di un solido

monodimensionale costituito da atomi (o molecole) che occupano punti su una retta che

sono separati sempre dalla stessa distanza b.

→ Possiamo classificare i solidi in diverse categorie:

●​ solidi ionici

●​ solidi covalenti

●​ solidi molecolari

●​ solidi metallici

I solidi ionici

→

Un solido ionico è formato da un semplice aggregato di ioni positivi e negativi che si

dispongono in modo ordinato. La somma totale delle cariche positive negative è

esattamente nulla.

→ Gli ioni possono essere singoli atomi o molecole che possiedono una carica elettrica.

Il raggruppamento ordinato degli ioni per formare il reticolo cristallino può esistere solo allo

stato solido, poiché la transizione di un solido ionico alla fase liquida, ottenuta sia per

riscaldamento ad alte temperature che per dissoluzione in un solvente (ad esempio,

l’acqua), porta inevitabilmente all’allontanamento degli ioni e alla distruzione del cristallo.

Per costruire i reticoli tridimensionali dei solidi si sistemano l’una sull’altra le celle

elementari tridimensionali, usate come blocchi da costruzione.

Il loro assemblaggio tridimensionale definisce il reticolo cristallino

Per costruire i reticoli cristallini, la natura usa sette tipi di celle elementari tridimensionali.

Esse differiscono l’una dall’altra per le diverse lunghezze relative dei loro lati e per i diversi

angoli formati dai loro spigoli.

Il più semplice dei sette reticoli cristallini è quello composto da celle cubiche, con lati tutti

uguali che formano angoli di 90 °C. 76

I solidi covalenti

→

I solidi covalenti sono costituiti da un insieme regolare tridimensionale di atomi legati

covalentemente tra loro.

Tra i solidi covalenti c’è il diamante che è costituito da atomi di carbonio che sono legati fra

3

loro in modo covalente e tutti assumono un ibridazione sp .

→ La disposizione geometrica dei tetraedri, ripetuta nello spazio, genera tutto il cristallo e

costituisce la cella elementare del diamante.

Ogni atomo di C può essere considerato sia il centro del tetraedro che uno dei suoi vertici,

creando un reticolo che si ripete sempre uguale nello spazio

Come possiamo determinare la formula molare del diamante?

Dove il numero di atomi di carbonio presenti in un campione di x grammi di diamante sarà:

Possiamo affermare che non esista una singola molecola di diamante ma ogni singolo

cristallo di diamante di un certo peso sia una molecola a sé stante la cui formula molecolare

è fornita dall’espressione riportata in alto.

I solidi del Carbonio

→

Il Grafene

Il Grafene è un solido covalente singolare costituito da atomi di carbonio disposti su un piano

dove occupano i vertici di esagoni che ricoprono tutta la superficie.

Questo materiale è l’ultima innovazione nella branca della chimica del carbonio, esso risulta

essere il migliore materiale noto per la conduzione di elettroni.

→ struttura di lewis di un foglio di Grafene 77

Quando un foglio di grafene è arrotolato su se stesso, e i bordi del foglio sono saldati fra

loro, si ottiene un’altra forma del carbonio che prende il nome di nanotubo.

E’ possibile anche avvolgere un foglio di grafene fino a formare una superficie sferica.

Tuttavia, si può dimostrare che non è possibile ricoprire completamente la superficie di una

sfera con degli esagoni, e che occorre interporre fra gli esagoni dei pentagoni.

Il risultato è un’altra forma del carbonio che si chiama fullerene.

La Grafite

Quando sovrapponiamo uno sopra all’altro più fogli di grafene, otteniamo una forma di

carbonio che prende il nome di Grafite.

Questi strati sono tenuti assieme da forze deboli generate dalla polarizzazione degli elettroni

che si muovono lungo i piani del carbonio.

Poiché ogni singolo piano di atomi di carbonio corrisponde a una singola enorme molecola,

la Grafite può essere considerato come un gigantesco aggregato di molecole planari tenute

insieme dalle forze che si esercitano fra i piani.

Questo solido è, quindi, più propriamente descritto come un cristallo molecolare.

La Silice

La silice (ossido di silicio) è un altro esempio di cristallo covalente.

→ La sua formula empirica è SiO .

2 → distribuzione degli atomi di cristallo della Silice.

I solidi molecolari

→

Un cristallo molecolare è formato da singole molecole tenute assieme da forze molto più

deboli di quelle responsabili del legame covalente:

●​ Forze di London → si manifestano quando le molecole si avvicinano una all’altra

durante la formazione del solido.

Dipoli temporanei che tendono a sparire quando le molecole si allontanano.

●​ Forze di Van der Waals → sono generate dall’esistenza di dipoli molecolari

permanenti che producono attrazioni elettrostatiche fra le cariche opposte dei dipoli

stessi (forze dipolo-dipolo). 78

●​ Legame a idrogeno → è una forza molto particolare che ha origine dall’interazione

fra molecole che possiedono atomi d’idrogeno legati ad atomi molto elettronegativi.

Forze di dipolo-dipolo (forze di Van der Waals)

→

Le forze dipolo-dipolo sono presenti in tutte le molecole polari.

Tutte le molecole (incluse quelle polari) presentano forze di dispersione.

Le molecole polari hanno in più le forze dipolo-dipolo.

Questa forza attrattiva aggiuntiva fa aumentare i loro punti di fusione e di ebollizione rispetto

alle molecole apolari di simile massa molare. → Acetone →possiede un dipolo

permanente che può interagire

con altre molecole di acetone.

Il legame a Idrogeno

→

I legami idrogeno non sono veri e propri legami chimici.

I legami chimici si stabiliscono tra singoli atomi in una molecola, mentre i legami idrogeno,

come le forze di dispersione e le forze dipolo-dipolo, sono forze intermolecolari che si

instaurano tra molecole.

Un tipico legame idrogeno ha una forza che è solo il 2-5% della forza di un tipico legame

covalente. I legami idrogeno sono però le interazioni intermolecolari più forti tra le tre

tipologie discusse finora.

Le sostanze composte da molecole che formano legami idrogeno hanno punti di fusione e di

ebollizione più elevati rispetto a quelle costituite da molecole che non formano legami

idrogeno. 79

Il legame a Idrogeno nell’acqua

→ I due atomi di ossigeno, assieme all’atomo

d’idrogeno interposto tra essi, si trovano sulla stessa

linea.

L’atomo d’idrogeno si dispone fra i due ossigeni,

per cui esso può essere pensato come legato a

entrambi (si dice che si forma un ‘ponte a idrogeno’).

La caratteristica più importante del legame a

idrogeno è la sua direzionalità poiché esso impone

alle molecole d’acqua legate nel ghiaccio di

orientarsi precisamente lungo l’asse O-H-O come

mostrato in figura.

Il legame a Idrogeno nell’acqua

→

Il ghiaccio è la forma solida dell’acqua e costituisce uno degli esempi più importanti di

cristallo molecolare. Un cristallo di ghiaccio è formato da singole molecole d’acqua tenute

insieme dal legame ad idrogeno.

Le proprietà del legame a idrogeno, oltre a tenere assieme le molecole d’acqua nel ghiaccio,

ne determinano la struttura della cella elementare in cui quattro molecole si dispongono

lungo gli assi interni di un tetraedro, definiti appunto dai vari legami a idrogeno, e attorno ad

una molecola posta al centro del tetraedro.

Reticolo cristallino del ghiaccio

→ Appare evidente come la struttura dell’acqua solida sia

costituita in gran parte da spazi vuoti formati da corridoi

esagonali che attraversano tutto il solido. La conseguenza

della presenza di questi spazi vuoti è che la densità del

ghiaccio è inferiore a quella dell’acqua liquida. Ciò significa 80

che il numero di molecole d’acqua contenute in un certo volume di ghiaccio è sempre

inferiore al numero di molecole contenute nello stesso volume di acqua liquida.

Legami idrogeno nel DNA

→

Il meccanismo di replicazione del DNA è legato alla sua struttura, che è stata scoperta nel

1953 da James Watson e F