Riassunto esame Chimica inorganica, Prof. Tosoni Sergio Paolo, libro consigliato Chimica. La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni. Con Connect, Silberberg, Amateis

Le chiavi per lo studio della chimica

CHIMICA GENERALE ED INORGANICA

LE CHIAVI PER LO STUDIO DELLA CHIMICA

1.1 ALCUNE DEFINIZIONI FONDAMENTALI

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

dell’energia associata a queste trasformazioni che subisce e dell’energia associata a queste

trasformazioni.

La materia è la “sostanza” dell’universo, ossia tutto ciò che ha una sua massa e un volume.

La composizione della materia, ai tipi e alle quantità di sostanze più semplici che la

costituiscono. Una sostanza è un tipo di materia che ha una composizione definita e fissa.

Chimica organica → la chimica di pochi elementi (C, H, N, O) associati ai sistemi viventi.

Chimica inorganica → la chimica della tavola periodica nel suo insieme e dei sistemi inerti.

Praticamente ogni cosa intorno a noi è composta di sostanze chimiche.

C’è un nesso proprietà-composizione

Atomi di ferro depositati su una superficie di rame e disposti ordinatamente formano la

parola “ATOMI” in giapponese.

Le proprietà della materia

Per conoscere la materia, osserviamo le sue proprietà, le caratteristiche che conferiscono a

ciascuna sostanza la sua identità esclusiva.

Per identificare una sostanza osserviamo le proprietà fisiche e quelle chimiche, che sono in

stretta relazione con due tipi di trasformazioni. Le proprietà fisiche sono le proprietà che

una sostanza presente di per sé, senza trasformarsi in, o interagire con, un’altra sostanza

(colore, temperatura di fusione, conduttività elettrica, densità). La trasformazione fisica

avviene quando modifica la sua forma fisica, non la sua composizione. Dà origine a

differenti proprietà fisiche.

Trasformazione fisica (stessa sostanza prima e dopo).

Le proprietà chimiche quando si trasforma in, o interagisce con, un’altra sostanza (o altre

sostanze), esempio: infiammabilità, corrosività e la reattività con gli acidi. Avviene una

trasformazione chimica, detta anche reazione chimica, quando una sostanza (o più

sostanze) si trasforma (trasformano) in una differente sostanza (o in differenti sostanza). Il

campione ha cambiato la sua composizione.

Trasformazione chimica (differenti sostanze prima e dopo).

Una sostanza è identificata dal proprio insieme di proprietà fisiche e chimiche.

Alcune proprietà caratteristiche del rame

Proprietà fisiche

●​ Colore bruno rossastro, lucentezza metallica

●​ Facilmente trasformabile in lamine (malleabile) e in fili (duttili).

●​ Buon conduttore del calore e dell’elettricità

●​ Può essere miscelato con zinco per formare l’ottone

3

●​ Densità = 8,95 g/cm

Temperatura di fusione = 1083 °C

Temperatura di ebollizione = 2570 °C

Proprietà chimiche

●​ Forma lentamente un carbonato blu-verde in aria umida

●​ Reagisce con l’acido nitrico (fotografia) e con l’acido solforico

●​ Forma lentamente una soluzione di colore blu intenso in ammoniaca acquosa.

I tre stati di aggregazione della materia

La materia si presenta in tre forme fisiche dette stati di aggregazione (o semplicemente

stati): solido, liquido e gassoso (o aeriforme). Una sostanza generica, ciascuno stato è

identificato dal modo in cui riempie un recipiente.

Un solido ha una forma fissa che non si adatta alla forma del recipiente, non sono definiti

dalla rigidità o dalla durezza.

Un liquido si adatta alla forma del recipiente, ma ne riempie un volume pari al suo stesso

volume; un liquido forma una superficie.

Un gas (o aeriforme) si adatta anch’esso alla forma del recipiente, ma lo riempie

completamente; non ha una superficie.

Le particelle del solido sono affiancate l’una all’altra in una disposizione tridimensionale

regolare con una forma definita. Nel liquido sono raggruppate, ma si muovono in modo

casuale l’una accanto all’altra. Nei gas hanno di solito grandi distanze reciproche mentre si

muovono in modo casuale in tutto il recipiente.

A seconda della temperatura e della pressione, molte sostanze possono esistere in ciascuno

dei tre stati fisici e subiscono anche cambiamenti di stato. I cambiamenti di stato sono

trasformazioni fisiche, non chimiche.

●​ Una trasformazione fisica dà origine a una differente forma della stessa sostanza

(stessa composizione), mentre una trasformazione chimica dà origine a una

differente sostanza (differente composizione).

●​ Una trasformazione fisica causata da una variazione di temperatura può essere

solitamente invertita con la variazione opposta di temperatura, ma ciò non è

generalmente vero nel caso di una trasformazione chimica.

Il tema centrale della chimica

Le proprietà e il comportamento macroscopici, osservabili, sono le conseguenze delle

proprietà e del comportamento microscopici, non osservabili. La distinzione fra le

trasformazioni è definita dalla composizione, ma dipende soprattutto dalla composizione a

livello atomico.

Le proprietà che definiscono i tre stati di aggregazione derivano dal comportamento a livello

atomico.

L’importanza dell’energia nello studio della materia

Le trasformazioni sono accompagnate da variazioni di energia che è definita come la

capacità di compiere un lavoro. Ogni forma di lavoro implica il movimento di qualcosa.

Il corpo che compie lavoro trasferisce una parte della sua energia al corpo su cui compie

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 (o energia di movimento) è l’energia che un corpo possiede in

virtù del suo movimento (o moto).

Due concetti essenziali:

1.​ L’energia si conserva: può essere convertita da una forma all’altra, ma non può

essere distrutta.

2.​ In natura, le situazioni a energia più bassa sono generalmente più stabili e risultano

favorite rispetto a quelle a energia più alta (meno stabili).

L’energia impiegata per spostare la massa contro l’attrazione gravitazionale fa aumentare la

sua energia potenziale. Quando la massa è lasciata cadere, questa variazione di energia

potenziale si converte in energia cinetica. Una parte di questa energia cinetica si trasferisce

al suolo. La variazione di energia potenziale non viene distrutta: viene convertita in energia

cinetica.

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.

Nella posizione in cui la molla è allungata, il sistema è meno stabile (ha più energia

potenziale) rispetto a quando la molla è rilassata. L’energia potenziale acquistata dal

sistema quando la molla viene allungata si converte in energia cinetica associata al

movimento delle masse quando queste sono lasciate libere.

Forze elettrostatiche: cariche di segno opposto si attraggono e cariche dello stesso segno si

respingono. Quando si compie lavoro per separare una particella positiva da una particella

negativa, l’energia potenziale del sistema delle due particelle aumenta. La variazione di

energia potenziale si converte in energia cinetica quando le particelle si avvicinano l’una

all’altra. Quando le due particelle di carica opposta sono spinte l’una verso l’altra, l’energia

potenziale aumenta e, lasciandole libere, esse si allontanano l’una all’altra, convertendo la

variazione di energia potenziale in energia cinetica per raggiungere una posizione di energia

più bassa e quindi di maggiore stabilità.

L’energia potenziale è data dalle interazioni/repulsioni tra particelle e dai legami chimici

presenti.

La rottura di legami chimici ad alto contenuto energetico permette la conversione in energia

cinetica e/o lo svolgimento di lavoro in varie forme.

L’energia non viene né creata né distrutta, ma si conserva sempre quando si converte da

una forma all’altra.

Variazioni di energia associate ai processi chimici

Reagenti → Prodotti

Variazione di energia associata alla reazione: ∆ = () − ()

Caso 1: Reazione esotermica (liberazione di calore)

​ ∆ < 0

Caso 2: Reazione endotermica (assorbimento di calore)

​ ∆ > 0

1.4 RISOLUZIONE DEI PROBLEMI DI CHIMICA

Unità di misura e fattori di conversione impiegati nei calcoli

La misura di una grandezza è il valore della grandezza espresso come rapporto tra la

grandezza data e un’altra grandezza dello stessa specie assunta come unità di misura. Una

misura di una grandezza è costituita da un valore numerico accompagnato da un’unità di

misura appropriata.

Le operazioni aritmetiche applicate alle misure sono le stesse che si applicano ai numeri

puri; le unità di misura possono essere moltiplicate, divise ed elise.

2

3 × 4 = 12

350 50 −1

= ​ o​ 50 ℎ

7ℎ 1ℎ

Un fattore di conversione è un rapporto fisso tra grandezze.

Il fattore di conversione ha come unità di misura il rapporto tra le grandezze coinvolte.

1.5 LA MISURAZIONE NELLA SCIENZA

Caratteristiche generali del Sistema Internazionale di Unità

Il Sistema Internazionale di Unità 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 relative unità di misura, dette unità derivate, si ricavano dalle

grandezze fondamentali e dalle relative unità di misura.

Contempla un certo numero di prefissi dei multipli e sottomultipli delle unità e i relativi

simboli.

Per scrivere in modo sintetico una misura si può usare anche la notazione esponenziale (o

scientifica).

Alcune unità SI importanti in chimica

Lunghezza. L’unità di misura della lunghezza nel SI è il metro (m). Basata su due quantità: il

secondo e la velocità della luce nel vuoto.

Volume. Ogni campione di materia ha un certo volume (V), cioè la quantità di spazio che

occupa. L’unità del SI è il metro cubo. In chimica le unità di volume più usate sono il litro (L),

e il millilitro (mL). 3 −3 3

1 = 1 = 10

3 −3 3 −3 −6 3

1 = 1 = 10 = 10 = 10

Massa. La massa (m) di un corpo è una grandezza legata alla quantità di materia di cui è

fatto. L’unità di massa nel SI è il kilogrammo (kg), il cui campione è un oggetto fisico: un

cilindro di platino-iridio.

Il termine massa e il termine peso si riferiscono a grandezze diverse. Poiché la quantità di

materia di un dato corpo non può variare (in condizioni ordinarie), la sua massa è costante. Il

peso del corpo è la forza di gravità che deve essere equilibrata affinché il corpo sia in quiete

e dipende dalla massa del corpo e dall’accelerazione di gravità nella posizione occupata dal

corpo. L’accelerazione di gravità varia al variare della quota anche il peso del corpo varia.

Densità. La densità (d) di un corpo è il rapporto tra la sua massa e il suo volume.

à =

In condizioni date di pressione e temperatura, la densità è una proprietà fisica caratteristica

di una sostanza e ha un valore fisso.

La massa e il volume sono esempi di proprietà estensive, che dipendono dalla quantità di

sostanza presente. La densità è una proprietà intensiva, che è indipendente dalla quantità

di sostanza presente.

L’unità SI per la densità è il kilogrammo al metro cubo, ma in chimica la densità è espressa

di solito in grammi al litro oppure in grammi al millilitro.

Le densità dei gas sono molto minori di quelle dei liquidi e dei solidi.

Temperatura. La temperatura (T) è la grandezza che misura di quanto una sostanza è più

calda o più fredda rispetto a un’altra sostanza. Il calore è l’energia che si trasmette tra due

corpi che sono a differenti temperature. La temperatura è in relazione con la direzione in cui

si trasmette il calore: due corpi a differenti temperature sono posti in contatto, il calore si

trasmette da quello a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa finché la loro

temperature non diventano uguali.

L’energia è una proprietà estensiva, mentre la temperatura è una proprietà intensiva.

Kelvin (K) → la “scala assoluta delle temperature” inizia allo zero assoluto e ha solo valori

positivi.

N.B. il kelvin si indica senza il simbolo del grado (°).

Celsius (°C) → la scala Celsius è basata sulle temperature di congelamento e di ebollizione

dell’acqua.

E’ la scala di temperatura più usata al mondo.

L’ampiezza del grado Celsius è uguale a quella del kelvin.

( ) = ( °) + 273. 15

( °) = ( ) − 273. 15

Intervallo di tempo. L’unità di misura dell’intervallo di tempo (t) nel SI è il secondo (s). Si

fonda su un campione basato su un fenomeno atomico, realizzato da un dispositivo detto

orologio atomico.

1.6 INCERTEZZA DI MISURA: CIFRE SIGNIFICATIVE

La notazione esponenziale

La notazione esponenziale si basa sulle potenze crescenti del dieci.

Moltiplicazione tra numeri → Somma degli esponenti

1 2 (1+2) 3

​

× = 10 × 10 = 10 = 10

Divisione tra numeri → Sottrazione degli esponenti

1 2 (1−2) −1

​

/ = 10 /10 = 10 = 10

Cifre significative

Ogni misura è affetta da un’incertezza. L’ultima cifra di qualsiasi grandezza misurata è

sempre stimata.

Le cifre registrate in una misurazione, certe e incerte, si chiamano cifre significative.

Maggiore è il numero di cifre significative in una misura, maggiore è la certezza.

Esempio: sono mostrati due termometri che misurano la stessa temperatura, con viste

espanse di un tratto del cannello (tubo capillare) di ciascuno. Il termometro di sinistra è

graduato in decimi di grado Celsius e indica 32,33 °C; quello di destra è graduato in gradi

Celsius e indica 32,3 °C. Perciò, il termometro di sinistra permette di ottenere una misura

con più cifre significative (più certezza).

Determinazione delle cifre significative

Tutte le cifre sono significative, tranne gli zeri che non sono dati dalla misurazione ma sono

usati unicamente per posizionare la virgola decimale.

●​ 2,074​ 4 cifre significative

-4

●​ 0,0002074​ 2,074 x 10 ​ 4 cifre significative

Cifre significative nei calcoli

Il risultato contiene lo stesso numero di cifre significative che è presente nella misura con il

minor numero di cifre significative.

Moltiplicazione o divisione 3 3

9, 2 × 6, 8 × 0, 3744 = 23, 4225 = 23

Addizione o sottrazione

Regole di arrotondamento

1.​ Se la cifra rimossa è maggiore o uguale a 5, si aumenta di 1 la cifra precedente.

5,379 si arrotonda a 5,38 se si conservano 3 cifre significative.

2.​ Se la cifra rimossa è minore di 5, si lascia invariata la cifra precedente.

0,2413 si arrotonda a 0,241 se si conservano 3 cifre significative.

Conservare sempre una o due cifre significative addizionali di passaggio in passaggio e

arrotondare soltanto il risultato finale.

Numeri esatti

I numeri esatti sono quelli a cui non è associata alcuna incertezza.

Alcuni numeri sono esatti per definizione:

1000 mg = 1 g

60 min = 1 hr

2,54 cm = 1 in

Alcuni numeri esatti sono il risultato di un conteggio di singoli elementi: 26 lettere

nell’alfabeto inglese, 3 facce di un cubo…

I numeri esatti non limitano il numero di cifre significative nel risultato finale.

I componenti della materia

CHIMICA GENERALE ED INORGANICA

I COMPONENTI DELLA MATERIA

2.1 ELEMENTI, COMPOSTI E MISCELE: UNO SGUARDO D’INSIEME DAL PUNTO DI

VISTA ATOMICO

Materia classificata in tre tipi: elementi, composti e miscele.

Un elemento è il tipo di materia più semplice, con proprietà fisiche e chimiche esclusive. Un

elemento è costituito da una sola specie di atomo. Non può essere scomposto in un tipo di

materia più semplice. Un elemento è un tipo di sostanza pura (o semplicemente sostanza),

materia la cui composizione è fissa.

Ciascun elemento è unico perché sono uniche le sue proprietà atomiche.

Possono essere:

●​ Atomi singoli (He, Ne, Xe, …)

●​ Molecole

●​ Cristalli elementari (metalli puri = es. ferro, reticolo cristallino ogni sito un atomo)

La maggior parte degli elementi esiste in natura come popolazioni di singoli atomi. Una

molecola è un’unità strutturale indipendente costituita da due o più atomi legati

chimicamente tra loro.

Un composto è un tipo di materia costituito da due o più elementi diversi che sono legati

chimicamente tra loro. Una caratteristica che definisce un composto è il fatto che in esso gli

elementi sono presenti in p