Introduzione alla chimica 2

Capitolo due - Introduzione alla chimica

Gli stati di aggregazione della materia

Sistema = porzione delimitata di materia, qualsiasi cosa che occupa spazio ed ha una massa.

La materia può esistere in tre stati fisici, stati di aggregazione della materia:

• Stato solido, es. ghiaccio
• Stato liquido, es. acqua liquida
• Stato gassoso, es. vapore acqueo

Solido Liquido Gassoso Volume Forma Densità

Le particelle che costituiscono il solido sono tenute insieme in un reticolo rigido e ben definito. Le particelle in un liquido non sono fisse nelle loro posizioni, ma sono libere di muoversi all’interno del volume del liquido. Le particelle in un gas tendono ad essere molto distanti e si muovono rapidamente all’interno del volume del gas.

Livelli di osservazione della materia

Osservare processi chimici e fisici a livello macroscopico. Per comprendere e descrivere questi processi gli scienziati cercano di immaginare cosa sia avvenuto a livello atomico e molecolare. Usano i simboli per rappresentare le osservazioni. I processi chimici e fisici vengono osservati a livello macroscopico.

Chimica = studia la struttura della materia a livello microscopico o particellare degli atomi e delle molecole, studiando come gli atomi possono unirsi tra loro per formare le molecole. Per rappresentare atomi e molecole vengono utilizzati dei modelli in cui delle piccole sfere rappresentano gli atomi.

La materia può essere suddivisa in:

• Sostanze pure, hanno caratteristiche e composizione costanti.
• Miscele, sistemi formati da due o più sostanze (es. aria, formata dal 78% di azoto, 21% di ossigeno e piccole quantità di argon, vapore acqueo, diossido di carbonio). Nelle miscele le sostanze componenti si trovano mescolate insieme senza essere combinate chimicamente.

Le miscele possono essere:

• Omogenee, non è uniforme da punto a punto, essendo costituita da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili. Soluzione di zucchero in acqua. Il solvente più comune in chimica è l’acqua, e si parla in questo caso di soluzione acquosa (aq).
• Eterogenee, una soluzione è una miscela omogenea (uniforme da punto a punto) di due o più componenti, dei quali il componente più abbondante è il solvente, mentre i componenti meno abbondanti si chiamano soluti. (Es. zucchero = soluto, acqua = solvente)

Metodi di separazione di miscele

• Filtrazione = può essere usata per separare materiali solidi da una miscela liquida per mezzo di filtri di carta. La carta da filtro è disponibile in una vasta gamma di dimensione dei pori fino a 2.5 x 10^-8 m, utilizzata per rimuovere i batteri e produrre liquidi liberi da batteri.
• Centrifugazione = metodo per separare miscele eterogenee di liquidi e/o solidi aventi densità diversa.
• Evaporazione = per esempio lo zucchero può essere recuperato dalla soluzione per evaporazione dell’acqua, un processo che lascia nel contenitore cristalli di zucchero. Il sale è recuperato dall’acqua marina su scala commerciale, mediante evaporazione dell’acqua.
• Distillazione = utilizzata per la separazione di un liquido da una soluzione in cui sia disciolto un solido. Il liquido è l’unico componente che viene vaporizzato, è il solo componente volatile (cioè che evapora facilmente).
• Distillazione frazionata = processo di separazione di una soluzione costituita da due o più componenti volatili. Se una soluzione contiene due o più componenti volatili (es. acqua ed etanolo), questi possono essere separati sfruttando la diversa volatilità (diversi punti di ebollizione) dei componenti di miscele liquide. Minore è la temperatura di ebollizione maggiore è la volatilità.

Elementi e atomi

È possibile isolare da una miscela una o più sostanze pure. Alcune sostanze possono subire una trasformazione chimica e produrre sostanze più semplici, altre resistono a qualsiasi tipo di trasformazione in sostanze più elementari.

Elemento = sostanza che non può essere scomposta in sostanze più semplici. Gli elementi sono costituiti da un solo tipo di atomo.

Atomo = particella più piccola di un elemento che conserva le proprietà chimiche caratteristiche dell’elemento stesso. (La chimica moderna è basata sulla comprensione e sull’esplorazione della natura a livello atomico)

Composti e molecole

Composto = sostanza pura che può essere suddivisa in due o più elementi (costituita da due o più elementi tenuti insieme da un legame chimico). Sebbene siano conosciuti solo circa 120 elementi, ad oggi sono noti più di 20 milioni di composti. Quando gli elementi diventano parte di un composto, le loro proprietà originarie sono sostituite dalle proprietà caratteristiche del composto.

La composizione di qualsiasi composto è rappresentata dalla sua formula chimica. I composti sono costituiti da molecole.

Molecole = le più piccole unità discrete che conservano la composizione e le caratteristiche chimiche del composto.

Elementi

Gli elementi ad oggi conosciuti sono circa 120.

• Circa 90 si trovano in natura.
• I rimanenti sono stati sintetizzati in laboratorio:

Più che altro sotto forma di composti e raramente nella forma elementare; nel corso di ricerche sull’energia atomica oppure con reazioni nucleari. Il 99.99% di tutte le sostanze conosciute sono formate solo da circa 40 elementi, gli altri 80 elementi sono piuttosto rari. Gli elementi vengono indicati mediante sigle chiamate simboli chimici, costituiti generalmente dalla prima lettera o coppia di lettere del nome dell’elemento.

• Carbonio (C), zolfo (S), ferro (Fe), rame (Cu), argento (Ag), stagno (Sn), oro (Au), mercurio (Hg) e piombo (Pb) erano conosciuti già dagli antichi Greci e Romani e dagli alchimisti dell’antica Cina, del mondo Arabo e dell’Europa medioevale.
• Altri elementi come l’alluminio (Al), il silicio (Si), lo iodio (I) e l’elio (He) furono scoperti tra il XVIII e XIX secolo.
• Gli elementi artificiali (non esistenti in natura) come il tecnezio (Tc), il plutonio (Pu) e l’americio (Am) furono prodotti nel secolo XX usando le tecniche della fisica moderna.

Composizione elementare della superficie terrestre, includendo crosta terrestre, oceani ed atmosfera: 10 elementi da soli costituiscono oltre il 99% della massa totale. L’ossigeno ed il silicio sono gli elementi più abbondanti sulla Terra: costituenti principali di sabbia, terra e rocce. L’ossigeno si trova anche come elemento libero nell’atmosfera e in combinazione con l’idrogeno nell’acqua. Il nucleo terrestre si pensa sia costituito essenzialmente da ferro.

Composizione elementare del corpo umano: Solo 10 elementi costituiscono il 99% della massa totale del corpo umano. Poiché circa il 70% della massa del corpo umano è costituita da acqua, ne consegue che gran parte di questa massa è costituita da ossigeno e idrogeno.

Classificazione degli elementi

Gli elementi possono essere suddivisi in due grandi classi:

• Metalli
• Proprietà dei metalli:
• Lucenti
• Buoni conduttori di calore
• Buoni conduttori di elettricità
• Duttili (ridotti in fili)
• Malleabili (ridotti in lamine)
• Tutti i metalli sono solidi a temperatura ambiente (20 °C) eccezione del mercurio che è un liquido lucido argenteo (argentovivo).
• Non metalli
• Proprietà dei non metalli:
• Variamente colorati
• Più della metà gassosi, gli altri sono solidi ad eccezione del bromo che è liquido a temperatura ambiente (20 °C)
• Cattivi conduttori di calore ed elettricità
• Né duttili, né malleabili

Alcuni elementi quali idrogeno, azoto, ossigeno, fluoro, cloro, bromo e iodio esistono in natura come unità costituite da due atomi uniti insieme.

Molecola = unità costituita da due o più atomi uniti insieme.

Molecola biatomica = una molecola composta da due soli atomi. Modelli in scala delle molecole di idrogeno, azoto, ossigeno, fluoro, cloro, bromo e iodio. Queste sostanze esistono in natura come molecole biatomiche, ma sono classificate come elementi perché le loro molecole sono costituite da atomi identici.

L'atomo e la sua storia

La materia è formata da particelle microscopiche, gli atomi. Democrito (470-380 a.C.) fu il primo che attribuì il nome a particelle infinitamente piccole, «atomi» immutabili, indistruttibili e indivisibili. Il primo modello atomico fu proposto dopo ventidue secoli.

La nascita della moderna teoria atomica: da Lavoisier a Dalton

Legge di conservazione della massa Antoine Lavoisier (1743-1794)