Appunti completi corso di Chimica inorganica e generale per Farmacia

CHIMICA GENERALE E INORGANICA

Corso di Laurea: Farmacia (Galeno)

Anno Accademico: 2020/21

Prof: Antonio Poggi

La chimica è una disciplina scientifica che studia proprietà, struttura e trasformazioni della materia. La materia è tutto ciò che ci circonda (compresi noi stessi). Una prima distinzione che si può fare è se la parte di materia considerata è formata da particelle tutte uguali tra loro (materia omogenea), altrimenti è eterogenea. Il passaggio tra omogeneo ed eterogeneo avviene tramite processi che non alterano le caratteristiche dei componenti (processi fisici, come la filtrazione: nell'acqua del Ticino oltre all'H2O ci sono anche sabbia e ciottoli).

La parte omogenea della materia si divide in miscela o in sostanza. Il passaggio dalla miscela alle sostanze che la compongono avviene con processo fisico (sempre l'H2O cioè la sua fase liquida vediamo che in realtà non presenta una sostanza, ma sono...

presenti anche sali minerali e possono essere ricavati tramite una distillazione). I processi che abbiamo visto finora sono esclusivamente fisici: non c'è alcun cambiamento nella composizione della materia che esaminiamo. Le sostanze possono essere formate da atomi di tipo diverso chiamati composti/molecole (raggruppati tra loro in qualche modo, possono essere molecole o composti ionici, ma sono sempre formati da più tipi di atomi) o da un solo tipo di atomi (elementi). Il passaggio da un composto ai singoli elementi che lo formano o da un gruppo di atomi/elementi diversi è opera di un processo chimico (che può avvenire a livello macroscopico o microscopico: gli elementi del primo periodo sono oggetti di dimensioni piccole, ma di dimensioni rilevanti rispetto agli altri). L'atomo è composto da nucleo con particelle di carica positiva, intorno c'è il guscio esterno in cui è presente una carica negativa uguale in valore, ma opposta.

in segno rispetto a quella presente nel nucleo. L'atomo isolato è elettricamente neutro. A seguito delle reazioni si può perdere la neutralità. Nel nucleo la carica positiva è portata dai protoni neutralizzata dal guscio esterno dove sono presenti gli elettroni (che hanno carica elettrica uguale in modulo ma di segno opposto). Nel nucleo ci sono anche altre particelle con massa circa uguale a quella del protone, ma prive di carica. Sono i neutroni. Le masse di protone e neutrone sono molto simili, mentre quella dell'elettrone è molto più piccola. Quindi la massa degli atomi è rappresentata solo da protoni e neutroni ed è concentrata nel nucleo. Gli elettroni contribuiscono in maniera molto piccola. La reattività chimica di un elemento dipende dal numero atomico, che è il numero di protoni presente nel suo nucleo e ovviamente è anche quello degli elettroni nel guscio esterno. Quindi la massa degli atomi

dipende dal nucleo così come le proprietà chimiche dipendono dal nucleo, in particolare il numero di protoni presenti e quindi gli elettroni del guscio. Ogni elemento è indicato con un simbolo che è formato dall'iniziale scritta in maiuscolo dal nome latino dell'elemento, ma anche da una seconda lettera minuscola (non sempre). Per esempio, Ossigeno (O) = Oxygenium; Sodio (Na) = Natrium. Sono associati (a sinistra) il numero atomico Z (in basso) e il numero di massa indicato con A (si trova in alto e indica il numero di protoni più neutroni presenti nel nucleo dell'atomo). Esempio: H = 1 protone nel nucleo, 1 solo protone nel nucleo; Li = 3 protoni, 3 protoni nel nucleo e 4 neutroni; C = 6 protoni, 6 protoni e 6 neutroni nel nucleo. A destra si scrivono in alto la carica di quell'atomo/ione monoatomico (carica + o -), in basso il numero di atomi di quel tipo presenti in un composto. Ricapitolando a sinistra del simbolo ciòche riguarda il nucleo, a destra ciò che riguarda quell'atomo nel contesto di un composto. Il nucleo si può indicare anche come un nuclide, ossia una specie atomica a cui corrisponde una coppia di valori Z e A. Nel caso dell'H si possono avere più nuclidi. Tutti hanno lo stesso numero atomico 1 (che non viene scritto perché simbolo dell'elemento e numero atomico indicano la stessa cosa), quello che cambia (e può cambiare) è il numero di massa. Nel caso dell'H possiamo avere tre tipi di nucleo: un nuclide con solo un protone "idrogeno-uno"; nell'"idrogeno-due" sono presenti un protone e un neutrone (Deuterio); "idrogeno-tre" (Trizio), nuclide con un protone e due neutroni. La reattività chimica è esattamente identica tra H e H. Tutti questi nuclidi hanno numero atomico Z uguale e differiscono per il numero di massa A: sono detti ISOTOPI. Nella tavola periodica gli

Gli elementi sono ordinati in base al loro numero atomico. H si trova nella casella numero uno, non importa quanti neutroni ci sono nei nuclei: tutti e tre questi nuclidi si trovano nella stessa casella. Sono detti isotopi, che significa "che occupano lo stesso posto". Qualsiasi elemento può avere isotopi. La reattività chimica non dipende dal numero di massa, ma dal numero atomico e lo stesso vale per i composti in cui sono presenti i vari isotopi. Le proprietà dell'H2O in cui sono presenti due atomi di H possono avere tutti e due numero di massa 1, 1 e 2, entrambi con numero di massa 2 o entrambi con numero di massa 3. Però chimicamente tutti questi composti sono sempre molecole di acqua, cioè qualcosa che congela a 0°C e bolle a 100°C con le sue proprietà e caratteristiche. Non cambia nulla della reattività, cambia soltanto la massa. Solo in alcuni particolarissimi casi si possono incontrare minime differenze di proprietà.

Ma per la reattività chimica la presenza di isotopi non cambia nulla. Tutti gli elementi sono presenti in natura come miscele di isotopi. Nel caso dell'H: H 99,985%, 1H 0.014% e H 0.001%. Pertanto si può affermare che tutto l'H presente in natura è H. Nel caso del carbonio l'isotopo prevalente è quello 12 (98,90%), circa l'1,01% di carbonio 13 e una quantità molto piccola di carbonio 14 (0,01%). Gli elementi più pesanti, quindi più in basso nella tavola periodica con numero atomico più alto, come il Ca presentano più isotopi. Il più diffuso è sicuramente il Ca 96,941%, ma il Ca è presente in quantità non trascurabili (2,086%). Stesso discorso per tutti gli altri 89 elementi naturali presenti nella tavola periodica. Il numero di massa dipende dal numero atomico e dal numero di neutroni. I neutroni sono nel nucleo per stabilizzarlo, riducendo le repulsioni tra i protoni.

Dalle leggi dell'elettrostatica, cariche elettriche di uguale segno si respingono. Quindi i protoni nel nucleo tendono a respingersi se tra questi mettiamo particelle prive di carica, aumentiamo la distanza, riduciamo le interazioni (diminuiscono le repulsioni) e stabilizzano il nucleo. Negli elementi con numero atomico più basso il rapporto tra protoni e neutroni è circa 1:1 (come nel caso del C;40 13 44Ca, ...), ma già il C è a circa l'1%, il Ca il 2%. Pertanto, il rapporto tra numero di neutroni e numero di protoni tende ad aumentare con il numero atomico. Nel grafico, la linea rossa indica il rapporto 1:1, mentre i punti del grafico mostrano invece qual è il numero di neutroni (cioè la differenza tra numero di massa e numero atomico) dell'isotopo più rappresentativo dei vari elementi. La massa dipende dal nucleo. Quando si tratta di quantità di sostanze e di stechiometria il numero di protoni e neutroni ha la sua.

Importanza perché ci permette di determinare la massa degli atomi (da cui anche la quantità di sostanza ecc.). Invece la reattività dipende dal guscio esterno dell'atomo. Partendo dal sistema più semplice: quello in cui nel guscio esterno c'è un solo elettrone (quindi un solo protone nel nucleo) ossia l'idrogeno. Nel nucleo dell'H c'è un protone, nel guscio è presente un solo elettrone, che si muove intorno al nucleo trattenuto dall'interazione elettrostatica tra cariche di segno opposto.

Nel 1913 è stato proposto un primo modello del moto dell'elettrone e si rifà alla meccanica classica. È il modello di Bohr: l'elettrone viene considerato come una particella che si muove lungo orbite sferiche (con il nucleo nel centro della sfera) e si può sempre determinare esattamente sia la posizione nello spazio x che la velocità v dell'elettrone che si muove intorno al nucleo.

Intorno al nucleo ci sono diverse orbite e l'energia dell'elettrone dipende dall'orbita in cui si trova. Più è lontano dal nucleo, più alta è l'energia dell'elettrone. Se si fornisce energia, l'elettrone può spostarsi da un'orbita più interna a una più esterna e viceversa. Se si sposta da una più esterna a una più interna, libera energia (in eccesso) sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'energia acquistata o ceduta corrisponde alla differenza tra le energie delle orbite esterna e interna tra cui si sposta l'elettrone. Nel momento in cui si cerca di applicare questo modello ad un atomo con numero atomico maggiore di 1, questa teoria non è più valida. Il modello di Bohr spiega alcune proprietà dell'atomo di H con le differenze di energia tra le varie orbite, ma non può essere esteso a sistemi contenenti più di un elettrone. Ci vuole.

pertanto un modello più raffinato che tieneconto del principio di indeterminazione. Questo è stato enunciato negli anni '20 e nello stesso periodo è stato ancheproposto un modello secondo cui un elettrone oltre ad essere una particella si comporta anche come un'ondaelettromagnetica. Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg (1925): non si possono determinarecontemporaneamente e con la stesa precisione sia la posizione x he la velocità v di una particella delle dimensioni di unelettrone (o meglio non si conosce la quantità di moto che è comunque dipendente dalla velocità). Questo principio èvalido anche per oggetti di dimensioni maggiori. Quindi le leggi della meccanica classica applicata nel modello di Bohr nonsono adeguate a descrivere il moto di un elettrone intorno al nucleo. Negli stessi anni è stato dimostrato che una particelladelle dimensioni di un elettrone può comportarsi come

un'onda elettromagnetica e alla fine dell'800 erano state scritte delle equazioni che descrivevano il comportamento delle onde elettromagnetiche, pertanto è possibile scrivere