Chimica generale ed inorganica

Syllabus

Parte prima

L’atomo e teoria

atomica

2a. Modello del Thomson, modello di rutherford, modello di Bohr,

modello atomico quantistico

2b. Tabella periodica: energia di ionizzazione. Affinità per

l’elettrone. Elettronegatività. Raggio atomico.

Metalli e non metalli

I composti e

nomenclatura Legame

chimico:

Modelli del legame chimico; legame covalente puro, apolare e

polare; teorie del legame covalente; legame metallico; legame

ionico.

Parte seconda

Peso atomico e molecolare. Quantità di sostanza:

mole Reazioni chimiche. Stechiometria delle

reazioni chimiche.

Reazioni redox: numeri di ossidazione; bilanciamento di reazioni redox

con il metodo delle semi reazioni in ambiente acido e in ambiente

basico

Le interazioni intermolecolari e stati fisici della materia:

Le soluzioni e unità di concentrazione delle soluzioni. Diluizione.

Definizione di acidi e basi: arrhenius, bronsted-lowry, lewis.

Elettroliti e non elettroliti

Termodinamica: cenni

Cinetica: cenni

Terza parte

Equilibrio chimico: legge dell’azione di massa. Influenza della t e della

p. Costante di equilibrio.

Parte quarta

Costante di autoprotolisi (kw). pH e pOH. Calcolo di ph di acidi e basi

forti e di acidi e basi deboli; soluzioni tampone.; idrolisi.

Prodotto di solubilità: calcolo della solubilità in acqua pura. Effetto

ione a comune. Proprietà colligative delle soluzioni:

abbassamento crioscopico; innalzamento ebullioscopico;

pressione osmotica; abbassamento della tensione di vapore.

Quinta parte

Celle galvaniche; potenziali standard; elettrolisi; equazione di nernst

Indice

Pag. 5: Capitolo 1 Le chiavi per lo studio

della chimica

Pag. 7: Capitolo 2 I componenti della materia

Pag.14: Capitolo 3 Stechiometria: reazioni

quantità-massa-numero nei sistemi chimici

Pag.16: Capitolo 4 Le principali classi di reazioni

chimiche

Pag. 20: Capitolo 5 I gas e la teoria cinetica dei

gas

Pag. 23: Capitolo 7 Teoria quantistica e struttura atomica

Pag. 27: Capitolo 8 Configurazione elettronica e

periodicità chimica Pag. 32: Capitolo 9 Modelli del legame

chimico

Pag. 34: Capitolo 10 Le forme delle

molecole

Pag. 37: Capitolo 11 Teorie del legame

covalente

Pag. 38: Capitolo 12 Forze intermolecolari: liquidi, solidi e

transizioni di fase

Pag.41: Capitolo 13 Le proprietà delle miscele:

soluzioni e colloidi

Pag. 43: Capitolo 16 Cinetica chimica: velocità e

meccanismi delle reazioni chimiche

Pag.52: Capitolo 17 L’equilibrio: l’entità delle reazioni

chimiche

Pag.54: Capitolo 18 Equilibri acido-base

Pag.62: Capitolo 19 Equilibri ionici in soluzione acquosa

Pag.67: Capitolo 21 Elettrochimica: variazioni chimiche e

lavoro elettrico Capitolo 1

Le chiavi per lo studio della chimica

La chimica è lo studio della materia e delle sue proprietà, delle

trasformazioni che subisce e dell’energia associata a queste

informazioni. Le proprietà non sono altro che le caratteristiche che

conferiscono a ciascuna sostanza la sua identità esclusiva.

Si dividono in proprietà fisiche e

chimiche, le prime riguardano la

capacità di

interagire tra loro, ma senza

trasformarsi. Mentre le proprietà

chimiche rappresentano la

capacità di interagire con

un’altra sostanza, tramite

trasformazioni. Nell’ultimo caso

avviene una trasformazione

chimica, detta anche reazione

chimica.

1.2 Gli stati fisici della materia

La materia si presenta comunemente in tre forme fisiche dette stati di

aggregazione: solido, liquido e gas.

Solido:

- forma fissa che non si adatta

alla forma de recipiente;

Liquido:

- si adatta alla forma del recipiente,

me ne riempie un volume pari al suo stesso

volume;

Gas:

- si adatta anch’esso alla forma del

recipiente, ma lo riempie completamente;

1.3 L’energia

L’energia è definita come la capacità di compiere lavoro. L’energia

totale posseduta da un corpo è la somma della sua energia

potenziale e della sua energia cinetica.

L’energia potenziale è l’energia che un corpo possiede in virtù

della sua posizione. L’energia cinetica è l’energia che un corpo

possiede in virtù del suo movimento.

L’energia si conserva: può essere convertita da una forma in un’altra,

ma non può

essere distrutta. In natura, le situazioni a energia bassa sono

generalmente favorite rispetto a quelle a energia più alta. La

situazione in cui la massa è a una quota più elevata e quindi ha una

maggiore energia potenziale è meno stabile, mentre la

situazione dopo che la massa è caduta al suolo e ha una minore

energia potenziale è più stabile. Un comportamento ben noto delle

particelle cariche deriva da interazioni

note come forze elettrostatiche: cariche di segno opposto si

attraggono e cariche uguali si respingono. L’energia potenziale

chimica di una sostanza è dovuta alle posizioni relative di tutte le

sue particelle e alle attrazioni e repulsioni che si

esercitano tra di esse.

1.4 Il metodo scientifico per comprendere la natura

È importante notare che le ipotesi e i modelli sono immagini

mentali che vengono modificate in modo che si adattino alle

osservazioni e ai risultati sperimentali, non viceversa.

1.5 Grandezze fondamentali

Il sistema internazionale si basa su sette grandezze fondamentali

indipendenti e sulle relative unità di misura, dette unità fondamentali.

Tutte le altre grandezze, dette

grandezze derivate, e le altre relative unità di misura, dette unità

derivate, si ricavano dalle grandezze fondamentali.

Alcune relazioni tra volumi nel SI 3

Il cubo a sinistra ha un volume di 1 cm ;

ogni spigolo è lungo 1 dm e il cubo è

suddiviso in 10 strati spessi 1 cm. Vi sono

3 3

1000 dm in 1 m . Il cubo in centro ha un

3

volume di 1 cm ; ogni spigolo è lungo 1 cm

e il cubo è suddiviso in 10 strati spessi 1

3 3

mm; 1000 cm = 1 dm = 1 L = 1000 mL, e

3

quindi 1 cm = 1 mL. Il cubo a destra ha un

3

volume di 1 mm ; ogni spigolo è lungo 1

mm; 1

3 3 3 3

mm = 1 mL. Vi sono 10 mL in 1 cm e 106 L in 1 dm (1 L).

1.6 Cifre significative

Quando si ottiene una misura come risultato di una misurazione o

di un calcolo, si deve conoscere il suo numero di cifre significative.

Tutte le cifre del risultato di una

misurazione sono significative, tranne gli zeri che non sono dati dalla

misurazione ma sono stati usati unicamente per posizionare la virgola

decimale.

- Accertarsi che il valore numerico della misura abbia una virgola

decimale;

- Partire dalla prima cifra del numero e procedere verso

destra finché non si raggiunge la prima cifra diversa da

zero;

- Considerare come significativa quella cifra e ogni cifra alla sua

destra. Capitolo 2

I componenti della materia

La materia può essere generalmente classificata in tre tipi:

elementi, composti e miscele.

Elemento:

- è il tipo di materia più semplice, costituito da

una sola specie di atomo. Non può essere scomposto, è un

tipo di sostanza pura, la cui composizione è fissa. Ciascun

elemento è unico perché sono uniche le sue proprietà

atomiche;

Molecola:

- è un’unità strutturale indipendente costituita da

due o più atomi legati chimicamente tra loro;

Composto:

- è un tipo di materia costituito da due o più

elementi diversi che sono legati chimicamente tra loro. Gli

elementi in un composto non sono

semplicemente miscelati tra loro, i loro atomi sono uniti

chimicamente. Una caratteristica che definisce un composto è

il fatto che in esso gli elementi sono presenti in parti fisse in

massa. In virtù di questa composizione fissa, un composto è

considerato anche una sostanza. Le sue proprietà sono diverse

da quelle degli elementi componenti. Un composto può essere

scomposto nei

suoi elementi, solo tramite trasformazioni chimiche;

Miscela:

- un gruppo di due o più sostanze che sono mescolati

fisicamente. A differenza di un composto, i componenti di una

miscela possono variare nelle loro parti in massa, non è una

sostanza. Una miscela può essere scomposta anche tramite

trasformazioni fisiche;

2.2 La legge di conservazione della massa – Lavoisier

“La massa totale delle sostanze rimane invariata durante una

reazione chimica. Il numero di sostanze può variare, ma la quantità

totale di materia rimane costante”.

2.3 La legge della composizione definita e costante –

Proust

“Indipendentemente dalla sua fonte, un particolare composto

chimico è costituito dagli stessi elementi nelle stesse parti in

massa”.

La frazione in massa è quella parte della massa del composto che

è rappresentata da ciascun elemento nel composto. Si ottiene

dividendo la massa di ciascun elemento per la massa totale del

composto. La percentuale in massa è la frazione in massa

espressa come percentuale.

2.4 Legge delle proporzioni multiple – Dalton

“Se gli elementi A e B reagiscono per formare due composti, le

differenti masse di B che si combinano con una massa fissa di A

possono essere espresse come rapporti di numeri interi piccoli”.

Dice che in due composti degli stessi due elementi la frazione in

massa di uno dei due elementi rispetto all’altro varia in incrementi

basati su rapporti di numeri interi piccoli.

Teoria atomica e postulati

La materia esiste in unità indistruttibili, ciascuna con una

particolare massa. Dalton espresse la sua teoria in una serie

di postulati:

1. Tutta la materia è costituita da atomi, piccolissime

particelle indivisibili di un elemento che non possono

essere create né distrutte.

2. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in

atomi di un

altro elemento. Nelle reazioni chimiche, le sostanze

originali si separano in atomi che si ricombinano per

formare differenti sostanze.

3. Gli atomi di un elemento sono identici nella massa

e nelle altre proprietà e sono diversi degli atomi di

ogni altro elemento.

4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di

uno specifico rapporto di atomi di differenti elementi.

2.5 Esperimenti per determinare le proprietà dei

raggi catodici Si genera un

raggio

catodico

quando si

applica

un’elevata

differenza di

potenziale

elettrico (tensione

elettrica) tra gli

elettrodi inseriti in

un tubo in cui è

stato fatto un vuoto

spinto. Un foro

nell’anodo

permette al raggio catodico di attraversare questo elettrodo e di

andare a colpire

l’estremità del tubo rivestita di fosfori in un punto che, di

conseguenza, emette luce. In assenza di un campo elettrico o

magnetico esterno, il raggio catodico si propaga in linea retta.

1.Il raggio catodico devia in presenza di un campo magnetico

esterno e quindi deve essere costituito da particelle cariche.

2.In presenza di un campo elettrico esterno, il raggio catodico

devia verso la placca positiva, e quindi la carica delle particelle da

cui è costituito deve essere negativa.

3.Qualunque sia il materiale di cui è fatto il catodo, il raggio

catodico generato è identico e quindi queste particelle devono

far parte di tutta la materia: particelle universali cariche

negativamente.

2.6 Esperimento della goccia d’olio di Millikan

per misurare la carica dell’elettrone

Il moto di una data goccia d’olio

dipende dalla variazione del

campo elettrico e dalla carica

totale che essa porta, la

quale, a sua volta, dipende dal

numero di elettroni catturati

dalla goccia.

Secondo il ragionamento di

Millikan, la carica totale della

goccia doveva essere un

multiplo, secondo un numero

intero, della carica

dell’elettrone

2.7 Esperimento di Rutherford di diffusione delle

particelle α e scoperta del nucleo atomico

A. Nell’esperimento, le

particelle α dirette contro

il foglio d’oro

determinano l’emissione

di un lampo di luce

quando

attraversano gli atomi

dell’oro e vanno a colpire

uno schermo

rivestito di fosfori.

B. Secondo l’ipotesi

basata sul modello a

“plum pudding”, gli

atomi sono costituiti da elettroni immersi in materia diffusa, carica

positivamente, e quindi le particelle α in moto ad alta velocità

dovrebbero attraversare il foglio d’oro subendo, al massimo,

piccole deviazioni.

C. I risultati reali mostrano piccole deviazioni sporadiche e grandi

deviazioni molto

infrequenti. Questo comportamento delle particelle α potrebbe

aver luogo soltanto se una massa molto grande e una carica

positiva fossero concentrate in una piccola regione entro l’atomo,

il nucleo. Caratteristiche generali dell’atomo

Un atomo è un’entità sferica, elettricamente neutro, costituita da

un nucleo centrale

carico positivamente,

circondato da uno o più

elettroni carichi

negativamente. Gli

elettroni si muovono

rapidamente nel

volume atomico

disponibile. Il nucleo è

estremamente denso. Un

nucleo atomico è

costituito da protoni e

neutroni,

eccettuato il nucleo più

+

semplice che è costituito da un singolo protone. Il protone, p , ha

una carica positiva e il

0

neutrone, n , è privo di carica. Il valore assoluto della carica

posseduta da un -

protone è uguale a quello della carica di un elettrone, e , ma i segni

delle due cariche sono opposti. Un atomo è neutro perché il numero di

protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni attorno al nucleo.

Numero atomico, numero di massa e simbolo atomico

Numero atomico Z:

- è uguale al numero di protoni nel nucleo

di ciascuno dei suoi atomi. Tutti gli atomi di un particolare

elemento hanno lo stesso numero atomico, e ciascun

elemento ha un numero atomico diverso da quello di ogni

altro elemento;

Numero di massa A:

- il numero totale di protoni e di neutroni;

- Simbolo atomico: informazioni sulla massa e sulla carica

�

�

�

nucleare.

Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero atomico

ma non lo stesso numero di massa. Gli isotopi di un elemento

sono atomi dell’elemento che hanno differenti numeri di neutroni

e quindi differenti numeri di massa.

2.10 La tavola periodica moderna

La tavola periodica degli elementi

è uno dei più grandi schemi di

classificazione usati in scienza ed

è diventata uno strumento

indispensabile per i chimici.

Ogni elemento ha una casella che

contiene il numero atomico, il

simbolo atomico e la massa

atomica. Le caselle sono disposte

in ordine di numero

atomico crescente.

periodi (orizzontali) e gruppi Le caselle sono disposte in un

(verticali). reticolato di

Gli 8 gruppi A contengono elementi dei gruppi principali o

rappresentativi. I 10 gruppi B contengono gli elementi di

transizione. Due serie orizzontali di elementi di transizione interna.

La distinzione più chiara tra gli elementi è la loro classificazione

come metalli, non metalli o metalloidi.

I composti: legame chimico

Gli elettroni degli atomi degli elementi interagenti intervengono nella

formazione dei composti. Gli elementi si combinano in due modi

generali:

- Trasferimento di uno o più elettroni dagli atomi di un

elemento a quelli di un altro per formare composti ionici;

- Condivisione di elettroni tra atomi di differenti elementi per

formare composti covalenti;

Questi processi generano legami chimici, le forze che tengono

uniti gli atomi degli elementi in un composto.

Formazione di un composto ionico

Sono costituiti da ioni,

particelle cariche che si

formano quando un atomo

acquista o cede uno o più

elettroni. Il tipo più semplice di

composto ionico è un

composto

ionico binario. Si forma

generalmente quando un

metallo reagisce con un non

metallo. Gli atomi metallici

trasferiscono

elettroni agli atomi non

metallici.

Cationi e anioni derivano

da un singolo atomo detto ione monoatomico. I cationi e anioni

che si formano si

attraggono reciprocamente mediante forze elettrostatiche e formano

un composto ionico. I composti ionici sono elettricamente neutri. Nel

caso di ioni di date (frecce)

dimensioni, la forza di attrazione aumenta all’aumentare

(da sinistra a destra).

della carica ionica Nel caso di ioni di una data

carica, la forza di attrazione aumenta al diminuire delle dimensioni

(dal basso all’alto).

ioniche 2.14 La relazione tra ioni formati e il gas

nobile più vicino

La tavola periodica è stata qui ridisegnata per

mostrare le (giallo)

posizioni relative dei non metalli e i metalli

(blu) rispetto ai gas nobili e per mostrare gli ioni

formati da questi elementi. La carica ionica è uguale

al numero degli elettroni ceduti (+) o

acquistati (−) per raggiungere lo stesso numero di

elettroni del gas nobile più vicino. Le specie situate nella stessa

− +

riga hanno lo stesso numero di elettroni. Per esempio, H , He e Li

hanno 2 elettroni. [È importante notare che H è collocato qui nel

Gruppo 7A (17)].

2.15 Formazione di un legame covalente

I composti covalenti si formano quando gli elementi

condividono elettroni, il che avviene di solito tra non

metalli.

Il caso più semplice di condivisione di elettroni ha

luogo non in un composto ma tra due atomi di

idrogeno. I due atomi si avvicinano, il nucleo di

ciascuno attrae sempre più intensamente un elettrone

dell’altro atomo, e gli atomi separati cominciano a

interpenetrarsi, i due atomi formano un legame

covalente, costituito dall’attrazione reciproca tra una

coppia di elettroni e due nuclei. Ciascun elettrone non

“appartiene” più a un particolare atomo: i due elettroni sono condivisi

dai due nuclei. Avvengono anche repulsioni tra i nuclei e tra gli

elettroni, ma la risultante delle

attrazioni sono maggiori della risultante delle repulsioni.

2.17 Ione poliatomico

Molti composti ionici contengono ioni poliatomici,

costituiti da due o più atomi legati

covalentemente e hanno una carica netta positiva

o negativa. Il carbonato di calcio è una

disposizione tridimensionale di cationi calcio

monoatomici e anioni carbonato poliatomici.

Composti: formule, nomi e masse

- Tipi di formule chimiche:

Formula empirica: numero relativo di atomi di ciascun

o elemento nel composto.

Formula molecolare: numero reale di atomi di ciascun

o elemento in una molecola del composto.

Formula di struttura: il numero di atomi e i legami tra di

o essi.

Composti con metalli che formano più di uno ione

I nomi dei composti contenenti questi elementi comprendono un

numero romano

tra parentesi tonde immediatamente dopo il nome dello ione

metallico per indicare la carica ionica. Nei nomi comuni

- Il suffisso -oso per lo ione con la carica più bassa;

- Il suffisso -ico per lo ione con la carica più alta;

Composti formati a partire da ioni

poliatomici

I composti ionici in cui uno dei due ioni o entrambi

sono

poliatomici sono molto comuni. Lo ione poliatomico

rimane unito come un’unità elettricamente carica.

Quando nell’unità formula sono presenti due o più

ioni poliatomici identici, questo ione è scritto tra

parentesi e il pedice è scritto fuori della seconda

parentesi.

Famiglie di ossoanioni

La maggior parte degli ioni poliatomici sono ossoanioni, in cui un

elemento, solitamente un non metallo, è legato a uno o più atomi

di ossigeno. - Lo ione con il massimo numero di

atomi di O ha il prefisso per-, la radice

del nome del non

metallo e il suffisso -ato;

- Lo ione con più atomi di O prende la

radice del nome del non metallo e il

suffisso – ato;

- Lo ione con meno atomi di O prende

la radice del nome del non metallo e il

suffisso -ito;

- Lo ione con il minimo numero di

atomi di O ha il prefisso ipo-, la radice e il suffisso -ito;

Prefissi numerici per gli idrati e i composti covalenti

binari I composti ionici denominati idrati hanno un numero

specifico di molecole d’acqua associate a ciascuna

unità.

Nomenclatura degli acidi

Si forma una soluzione di un acido binario quando certi composti

gassosi si sciolgono in acqua. Il nome è formato dalle seguenti parti:

nome separato acido + radice del nome del non metallo +

suffisso idrico Nomenclatura ossiacidi

- Ato diventa -ico nell’acido;

- Ito diventa -oso nell’acido;

Cenni del Capitolo

3 Definizione di

mole quantità di materia (o di sostanza) di un sistema

È definita come la

che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 12 g

di carbonio 12, cioè uguale alla costante di Avogadro 6,022 10 23 .

Massa molare è la massa di una mole

La massa molare (M) di una sostanza

delle sue entità mole (g/mol).

Conversioni di moli in elementi

- Per convertire tra quantità di sostanza (mol) e massa (g),

si usa la massa molare M g/mol;

- Per convertire tra quantità di sostanza (mol) e numero di

entità, si usa il numero di Avogadro;

Un’equazione chimica è un enunciato che esprime le identità e

le quantità delle sostanze che partecipano a una trasformazione

chimica. Affinchè un’equazione rappresenti accuratamente

queste quantità, deve essere bilanciata, cioè nei due

membri dell’equazione deve comparire lo stesso numero di atomi di

ciascuna specie.

- Non si possono aggiungere altri reagenti o prodotti;

- Un coefficiente opera su tutti gli atomi nella formula che lo

seguono;

Rapporti molari stechiometricamente equivalenti

ottenuti dall’equazione bilanciata

In un’equazione bilanciata, il numero di moli di una sostanza è

stechiometricamente equivalente al numero di mo