Appunti chimica generale

La materia

mercoledìÊ23ÊsettembreÊ2020 09:02

La chimica è lo studio della materia e delle sue proprietà (studio di materia ed energia)

La materia è tutto ciò che occupa spazio, ha una massa e si presenta in diversi stati di aggregazione a seconda della temperatura e della pressione: solido,

liquido e gassoso.

• Un solido è una forma rigida della materia;

• Un liquido è una forma fluida della materia la cui superficie è ben definita e la forma geometrica che assume è quella stessa della porzione di

recipiente che occupa;

• Un gas è una forma fluida della materia che però riempie interamente il recipiente che lo contiene.

Il vapore denota lo stato aeriforme di una sostanza che a temperatura ambiente si presenta allo stato solido o liquido (es.: acqua).

Passaggi di stato

Proprietà e trasformazioni chimiche e fisiche

- Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l'identità della sostanza. Sono già possedute senza la

necessità di trasformazioni o interazioni con altre sostanze (es: colore, densità, conduttività elettrica…)

- Una proprietà chimica si riferisce alla capacità di una sostanza di trasformarsi in un'altra. Proprietà che si presentano nelle fasi di trasformazione o

quando la materia interagisce con altre sostanze (pH, elettronegatività, resistenza alla corrosione, ecc…)

Una trasformazione fisica di una sostanza non ne muta l'identità ma soltanto le proprietà fisiche.

Una trasformazione chimica di una sostanza ne comporta la trasformazione in un'altra.

Proprietà estensive e intensive

Una proprietà estensiva è una proprietà che dipende dalla dimensione del campione in analisi (es.: volume).

Una proprietà intensiva è indipendente dalla dimensione del campione (es.: temperatura, densità)

Sostanze e miscele

La materia si classifica in sostanze pure (hanno composizione definita e proprietà distinte) e miscele (combinazione di due o più sostante in cui le singole

componenti mantengono identità distinte ).

Le sostanze pure si suddividono in elementi (sostanze che non possono essere separate in sostante più semplici attraverso mezzi chimici) e composti

(sostanze costituite da 2 o più elementi uniti chimicamente in proporzioni definite).

Le miscele si suddividono in omogenee (soluzioni, stessa composizione in tutti i punti della materia) ed eterogenee (composizione non uniforme) e

contengono due o più sostanze.

La materia è costituita da atomi che si differenziano per proprietà.

Atomi con le stesse proprietà costituiscono gli elementi.

Gli atomi conosciuti sono 118 di cui 90 naturali (i primi 90 sulla Tavola Periodica), gli altri sono artificiali.

Ogni elemento ha un suo nome e simbolo, costituito da una o due lettere che normalmente corrispondono a quelle iniziali del relativo nome latino (N da

nitrogenium, Au da aurum, Na da natrium).

I composti

Lavoisier adotta per primo uno studio della chimica puramente scientifico e analizza quantitativamente il decorso delle reazioni chimiche sviluppando la

prima legge ponderale: il Principio di Lavoisier.

Principio di Lavoisier (Legge della conservazione della massa)

In una trasformazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale a quella dei prodotti, ovvero: "Nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma".

La materia non può essere creata né distrutta.

L'esistenza degli atomi fu dimostrata tramite le leggi ponderali

Legge delle proporzioni definite (Proust)

Un composto è una sostanza in cui sono presenti due o più elementi si combinano tra loro in rapporti di massa fissi, definiti e costanti.

Decomponendo un campione d'acqua (composto) nei suoi elementi costitutivi (O e H) si evince che il rapporto di massa tra ossigeno e idrogeno è 8:1.

Legge delle proporzioni multiple (Dalton)

Quando due elementi si combinano in modi diversi per formare diversi composti, posta fissa la quantità di uno dei due elementi, la quantità dell'altro

elemento necessaria a reagire per formare un diverso composto risulterà essere un multiplo o un sottomultiplo di sé stessa, in rapporti esprimibili con

numeri piccoli ed interi.

Ad esempio, 7 g di azoto (N) si combinano con l'ossigeno (O) nei seguenti modi:

• con 4 g di ossigeno formando 11 g di ossido nitroso

• con 8 g formando 15 g di ossido nitrico

• con 12 g formando 19 g di triossido di diazoto

• con 16 g formando 23 g di biossido di azoto

• con 20 g formando 27 g di anidride nitrica.

Tale esempio esprime come i grammi di ossigeno necessari a reagire con 7 g di azoto per formare composti diversi siano un multiplo di 4 (4*2=8,4*3=12 e

via dicendo).

Teoria Atomica (Dalton, 1808)

1. La materia è formata da atomi, inalterabili e indivisibili;

2. In una stessa sostanza (elemento) gli atomi sono tutti uguali;

3. Gli atomi di diversi elementi differiscono per massa e per altre particolarità;

4. Le trasformazioni chimiche avvengono per unione o separazione di atomi tra di loro.

Principio di Avogadro

Volumi uguali di gas differenti, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole (non atomi)

Regola di Cannizzaro (regola degli atomi)

Le varie quantità in massa di uno stesso elemento, contenute nelle molecole di sostanze diverse, sono tutte multipli interi di una stessa quantità, la quale

deve ritenersi la massa atomica dell'elemento.

Scegliendo quindi la più piccola quantità in massa di ogni elemento contenuta nelle masse molecolari dei vari composti, fu possibile ottenere le masse

atomiche relative di quasi tutti gli elementi conosciuti.

Composto Massa molecolare Massa degli elementi singoli Formula

Metano 16 C=12, H=1x4 CH 4

Etano 30 C=12x2, H=1x6 C H

2 6

Cloroformio 119,5 C=12, H=1, Cl=35,45x3 CHCl 3

Ossido di azoto 30 N=14, O=16 NO

Acqua 18 H=1x2, O=16 H O

2

Diossido di carbonio 44 C=12, O=16x2 CO 2

Diossido di zolfo 64 S=32, O=16x2 SO 2

Atomi

Sono costituiti da particelle subatomiche: protoni, elettroni e neutroni.

Protoni ed elettroni formano il nucleo dell'atomo.

Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio intorno al nucleo.

Particella Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa a p

-19 -27

Protone (p) 1,621 x 10 C +1 1,6726 x 10 g 1

- -19 -31

Elettrone (e ) -1,621 x 10 C -1 9,109 x 10 g 1/1836

-27

Neutrone (n) 0 0 1,6749 x 10 g ca. 1

Numero atomico

Il numero dei protoni presenti nel nucleo di un elemento si dice numero atomico (Z).

Nuclide

Atomo che ha un certo numero di protoni Z e un certo numero di massa A (somma neutroni e protoni più o meno)

Un nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni.

Il numero Z caratterizza la specie atomica (elemento chimico)

A 1 12 16

X , H , C , O

Z 1 6 8

Isotopi

Nuclidi di uno stesso elemento che differiscono per il numero di massa e mantengono lo stesso numero atomico.

La differenza di massa è dovuta alla presenza di neutroni extra che, non avendo carica, non alterano la stabilità del nuclide.

Hanno lo stesso numero Z (atomico) ma differente A (numero di massa).

Una stessa specie atomica (elemento chimico) ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale.

La massa totale di un campione (es.: cloro presente in natura come miscela di C e C) è data dalla somma della massa degli isotopi.

35 37

La massa atomica media del cloro naturale si ottiene dividendo la massa totale per il numero di atomi di cloro contenuti nel campione.

Massa dell'elemento: media ponderata delle masse degli isotopi.

Massa atomica relativa e unità di massa atomica

Le masse degli atomi hanno valori nell'ordine di 10 - 10 g

-22 -24 12

U.m.a. -> Per convenzione le masse di qualunque nuclide sono misurate relativamente alla massa di un nuclide scelto come riferimento: il C (ha 6 protoni

e 6 elettroni) a cui è attribuita convenzionalmente una massa uguale a 12.

Definendo una nuova unità di misura della massa pari a 1/12 della massa del C, i valori delle masse relative diventano valori assoluti espressi in questa

12

nuova unità di misura (i numeri sono adimensionali).

′

peso dell atomo (g)

Massa atomica = = numero puro

′

peso dell unità (g)

L'unità di misura è detta unità di massa atomica (u, u.m.a. e in biologia dalton abbreviato Da)

1 uma = 1 Da = 1,66x10^-24 g massa assoluta della 12° parte del carbonio-12

Massa molecolare

Somma delle masse atomiche relative

Mole

Grandezza: quantità di sostanza; unità: mole; simbolo: mol

Quantità di materia che contiene tante unità elementari/particelle (atomi, molecole, ioni, elettroni, fotoni… da definire in base al tipo di sostanza) che sono

contenute in 12 g del carbonio-12.

Il numero di Avogadro

Una mole di atomi di qualunque specie contiene un numero di Avogadro di atomi, cioè 6,023 x 10 .

23

Una mole di qualunque composto contiene un N di molecole del composto, cioè 6,023 x 10 .

23

A

Il numero di Avogadro è un numero puro che indica atomi o molecole.

La costante di Avogadro ha come unità di misura 1/mol.

A quante moli corrispondono 12,046x10^23 atomi di Fe?

1 mol = N A

1/NA = moli/atomi -> in questo caso 1/NA = moli/12,046x10^23 -> risolvere equazione per trovare numero di moli (2)

Massa molare

Massa in grammi di una mole (g/mol)

massa (g)

Quantità di sostanza = n (mol) = g

massa molare ( )

mol

Scala molecolare/scala macroscopica

Sostanza elementare

Una sostanza che:

1. Non può essere scomposta in altre sostanze;

2. Non si può ottenere da una reazione (cioè a partire dai suoi componenti);

3. È costituita da un solo tipo di atomi

Alcune sono presenti come molecole (biatomiche: idrogeno, azoto, ossigeno, cloro, fluoro..)

Composto chimico

Una sostanza formata da atomi diversi che può essere scomposta

Vedi slide 74 dubbio da chiarire col prof

Elementi e composti formano il corpo delle sostanze omogenee o sostanze, cioè qualcosa che in tutti i punti è sempre uguale a sé stesso.

Miscela e composto

Miscela Composto

Si può separare con metodi fisici Non si può separare con metodi fisici

Composizione variabile Composizione fissa

Proprietà dipendenti da Proprietà completamente differenti

quelle dei suoi componenti da quelle dei suoi componenti

(che quindi restano inalterate nella miscela)

Si ha la liberazione di poco calore Grosse quantità di calore

dalla sua separazione accompagnano la formazione

di un composto

Si compone tramite trasformazione fisica Si compone tramite trasformazione chimica

Un insieme di sostanze diverse viene detto miscela eterogenea.

Una miscela omogenea è composta dalla stessa sostanza e sono anche dette soluzioni.

Elementi e composti vengono chiamati individui chimici.

Sotto determinate condizioni possono avvenire delle trasformazioni materiali che possono coinvolgere sia elementi che composti e vengono dette reazioni

chimiche.

Simbolismo chimico

Le formule e le reazioni chimiche hanno due significati:

• Qualitativo: esprimono quali sono gli elementi che entrano in gioco nella formazione di un composto

• Quantitativo: esprimono i rapporti tra gli elementi che costituiscono il composto.

H SO

2 4

Significato qualitativo Significato quantitativo

Contiene: Contiene:

Idrogeno 2 atomi di idrogeno

1 atomo di zolfo

Zolfo

Ossigeno 4 atomi di ossigeno

Una reazione chimica si simboleggia con una freccia: reagenti → prodotti

Formule delle sostanze

1. Formula minima (empirica)

Rapporto minimo tra gli atomi della molecola

2. Formula molecolare

Numero esatto di atomi presenti in quella molecola

3. Formula di struttura

Rappresentazione schematica della disposizione nello spazio degli atomi in una molecola

4. Formula ionica

I modelli atomici

martedìÊ27ÊottobreÊ2020 11:04

La struttura dell'atomo

Atomo: unità base della materia, la più piccola porzione di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso.

Ha una struttura composta da particelle subatomiche: elettroni (-), protoni (+) e neutroni.

Thompson ha misurato il rapporto tra carica e massa dell'elettrone.

Millikan ha determinato la carica dell'elettrone.

Grazie a queste due misure si può determinare la massa dell'elettrone.

LaÊmateriaÊèÊcontinuaÊsoloÊsuÊscalaÊmacroscopica.ÊPerÊevidenziareÊalcuneÊproprietàÊfondamentaliÊdellaÊmateriaÊsiÊdeveÊassumereÊunÊmodelloÊdiscontinuo,ÊcioèÊsiÊ

deveÊammettereÊcheÊlaÊmateriaÊsiaÊcostituitaÊdaÊparticelleÊelementariÊmaÊappareÊcontinuaÊ(unÊunicoÊcorpo)ÊallaÊnostraÊpercezioneÊvisiva.

LaÊmateriaÊèÊcostituitaÊsottoÊl'aspettoÊchimicoÊdaÊatomiÊeÊmolecole.

PerÊanalizzareÊeÊstudiareÊlaÊmateriaÊèÊnecessarioÊconoscereÊapprofonditamenteÊl'atomoÊeÊlaÊmolecola.

Modello atomico di Dalton - Thomson - Rutherford

Modello di Thomson

È il primo modello atomico che tiene conto delle particelle subatomiche.

Thomson ipotizzò che gli atomi fossero costituiti da una massa carica positivamente, uniformemente distribuita, all'interno della quale sarebbero disposti

gli elettroni, carichi negativamente, in numero tale da bilanciare la carica totale dell'atomo rendendolo neutro globalmente: modello a "panettone".

Esperimento di Rutherford

Rutherford eseguì un'esperimento per determinare la struttura dell'atomo. Bombardando una lamina di platino con fasci di particelle alfa, se ne osserva

l'andamento che sarebbe dovuto essere lungo linea retta se il modello atomico di Thomson fosse stato corretto. La maggior parte delle particelle alfa non

subivano variazione del percorso, mentre una piccola parte veniva deviata e alcune di queste venivano deviate talmente tanto da tornare addirittura

indietro. È emerso altresì che il numero di particelle alfa deviate era proporzionato al numero atomico dell'atomo bombardato. In base alle evidenze

derivate dall'esperimento si intuisce che:

1. La struttura atomica sia estremamente rarefatta, visto l'alto numero di particelle alfa che attraversano la lamina senza o con lievi deviazioni;

2. La deviazione delle particelle alfa (cariche negativamente) sia determinata dalla forza di repulsione dovuta ad una carica positiva estremamente

concentrata (nucleo) il cui valore cresce all'aumentare del numero atomico.

Modello di Rutherford

A seguito dell'esperimento condotto, Rutherford propone un suo modello atomico che ne giustificasse il risultato dove gli elettroni costituivano una

corteccia ***

Nuclidi e Tavola Periodica

sabatoÊ30ÊgennaioÊ2021 00:58

I numeri A, Z e N

Il numero di protoni del nucleo di un elemento è detto numero atomico Z.

Ogni elemento differisce dagli altri per averne uno diverso.

Il numero di neutroni del nucleo di un elemento è detto numero atomico N.

Il numero atomico A indica la somma di protoni e neutroni i quali sono indicati con l'unico

nome di nucleoni.

Quando ci si riferisce alla composizione nucleare di un atomo, il termine nuclide è più

adeguato. Ogni nuclide viene univocamente individuato dai numeri atomici Z ed A:

spesso il numero Z viene omesso in quanto è facilmente ricavabile.

Gli isotopi

Sono nuclidi dello stesso elemento chimico (uguale numero Z) che differiscono per il numero

di neutroni (N).

Sulla tavola periodica degli elementi è riportato anche il peso atomico di ciascun elemento.

Questo è la media ponderata delle masse dei relativi isotopi. Tutti gli elementi chimici presenti

in natura esistono sotto forma di una miscela dei suoi isotopi che sono più o meno abbondanti

a seconda dell'elemento considerato e contribuiscono quindi in maniera proporzionata alla

loro presenza al peso atomico dell'elemento.

La massa atomica

La massa atomica è la massa di un atomo espressa in u.m.a. (unitàÊdiÊmassaÊatomica). Il

riferimento per la determinazione della massa atomica relativa è un dodicesimo della massa

dell'isotopo 12 del carbonio.

La tavola periodica

Organizzazione logica degli elementi. Nella versione attuale, gli elementi sono ordinati per

numero atomico crescente, con questo ordine si notano anche delle proprietà crescenti tra gli

atomi lungo determinati versi.

Le colonne verticali sono chiamate gruppi, le righe orizzontali sono chiamate periodi.

La tavola periodica è divisibile in blocchi denominati s, p, d e f.

Il bloccoÊs è quello formato dai primi due gruppi, formati rispettivamente dai metalli

- alcalini (teneri, lucenti e bassofondenti, producono idrogeno se a contatto con l'acqua in

maniera sempre più violenta quanto più si scende lungo il gruppo) e dai metalli

alcalino-terrosi (molte proprietà simili al gruppo 1, ma reazioni meno vigorose).

Il bloccoÊp è situato sulla destra ed è formato dai gruppi 13, 14, 15, 16, 17 e 18. Gli

- elemento del diciassettesimo gruppo prendono il nome di alogeni (molte loro proprietà

variano in modo regolare dal fluoro allo iodio; si trovano sotto forma di molecole

biatomiche), quelli del diciottesimo gas nobili (perché si combinano con pochissimi

elementi in condizioni particolari; sono monoatomici).

Gli elementi del bloccoÊd, eccetto quelli del gruppo 12, si chiamano metalli di

- transizione.

I membri del bloccoÊf sono i metalli di transizion