Appunti di Chimica

Chimica

Proprietà dei materiali

Proprietà fisiche e chimiche

Colore, temperatura di fusione, peso specifico, conducibilità termica ed elettrica, resistenza alla corrosione. Queste dipendono dalla natura degli elementi costituenti e dalla loro struttura.

Proprietà meccaniche

Durezza, elasticità, plasticità, tenacità, resistenza all’usura e meccanica. Indicano la resistenza meccanica dei materiali a sollecitazioni esterne.

Proprietà tecnologiche

Malleabilità, duttilità, fusibilità, temprabilità, saldabilità. Attitudine dei materiali a farsi lavorare.

Proprietà chimiche

Riguardano anche le interazioni che il materiale ha con l’ambiente esterno, che inizialmente sono superficiali e poi penetranti, apportando o asportando materiale e modificando la struttura chimica.

Corrosione

Sono fenomeni chimici ed elettrochimici indesiderati che causano degradazione del materiale metallico, ovvero un’alterazione di tutte le proprietà sopra scritte, causando inefficienza del materiale. I fattori che influenzano la corrosione sono:

• Fattori esterni: pH, temperatura, correnti elettriche esterne.
• Fattori interni: microstruttura, tensioni interne, deformazioni plastiche, finitura del materiale che influenza le dislocazioni e quindi la formazione di cricche che portano a rottura.

Materia

Definizione macroscopica: qualunque corpo che occupi spazio e che abbia una massa.

Definizione microscopica: Aggregati di particelle atomiche che, se tutte uguali, sono definiti come elemento. Combinazioni di elementi formano i composti che interagiscono tra loro. Queste interazioni sono responsabili delle proprietà della materia.

Chimica

Studia gli aspetti quantitativi, qualitativi, la composizione e le trasformazioni della materia.

Atomo

Gli atomi si differenziano per le loro proprietà. Atomi con stesse proprietà definiscono gli elementi, che sono 118 di cui 90 naturali. Gli atomi compongono la materia e si uniscono a formare le molecole, la cui natura dei legami conferisce alla materia le sue forme e proprietà.

Proprietà della materia

Si dividono in fisiche e chimiche.

Proprietà fisiche

Caratteristica osservabile e misurabile, e la trasformazione che la determina non causa trasformazioni chimiche, per esempio acqua e ghiaccio. Le proprietà fisiche possono essere intensive ed estensive.

• Proprietà estensive dipendono dalla quantità della materia: massa, volume, superficie, carica elettrica, energia.
• Proprietà intensive dipendono solo dal tipo di materiale: densità, pressione, temperatura, calore specifico e colore.

Densità: m/v espressa in g/cm³. Massa e volume sono proprietà estensive e il loro rapporto dà una proprietà intensiva.

Stato di aggregazione: dipende da temperatura, pressione e forze intermolecolari.

Punto di fusione: valore di T e P dove coesistono fase solida e liquida in equilibrio termodinamico.

Punto di ebollizione: valore di T dove la pressione di vapore di un liquido eguaglia quella atmosferica.

Conducibilità elettrica: tendenza di un materiale a farsi attraversare dalla corrente elettrica.

Proprietà chimiche

Relativa alla capacità di una sostanza di reagire con altre sostanze con una trasformazione chimica. Rientra in questa definizione anche la diversa reattività degli elementi nei confronti di altre sostanze.

Trasformazioni fisiche

Provocano soltanto un cambiamento fisico reversibile della materia. Non si formano nuove sostanze.

Trasformazioni chimiche

Comportano variazione della composizione originaria con formazione di nuove sostanze. I reagenti si trasformano in prodotti.

Stati di aggregazione della materia

La materia si presenta in stati di aggregazione diversi caratterizzati da proprietà fisiche diverse.

Solido

Particelle ordinate tenute unite da forti legami. Queste oscillano attorno a un punto fisso senza potersi spostare liberamente, per questo ha forma e volume propri. Due tipi di aggregazione:

• Cristallina: le particelle si dispongono secondo uno schema preciso e ordinato. L’elemento fondamentale che viene ripetuto per tutto il solido per formare il reticolo cristallino è la cella unitaria che può essere cfc, ccc, cs, etc.
• Amorfa: struttura disordinata, simile a quella dei liquidi, con legami interatomici più forti. Si può trovare una regolarità strutturale solo per scale piccolissime. Ha una densità inferiore rispetto a quella del solido cristallino.

Liquido

Le particelle non sono legate da legami interatomici molto forti, infatti, queste scivolano l’una sull’altra rompendo e ricostituendo legami in continuazione; per questo si adattano alla forma del recipiente. Il movimento delle particelle dipende dall’agitazione termica e quindi dalla temperatura. Ha una densità poco inferiore a quella del solido e non avendo grandi spazi tra le particelle, non è molto comprimibile.

Gassoso

Le particelle non sono legate da alcun legame e sono libere di muoversi caoticamente e avendo energia cinetica maggiore dell’energia di attrazione, tendono a occupare tutto lo spazio disponibile.

Plasma

È un gas ionizzato (elettroni strappati dal nucleo) dove gli elettroni si muovono liberamente, per questo è un buon conduttore di elettricità ed è molto affine ai campi magnetici.

Cambiamenti di stato

Variando temperatura e/o pressione, la materia può variare il suo stato di aggregazione perché queste modificano la forza dei legami intermolecolari.

Energia di un sistema

• Energia potenziale: (interazioni tra molecole) stabilizza il sistema e diminuisce il contenuto energetico.
• Energia cinetica: (velocità delle molecole) destabilizza il sistema e aumenta il contenuto energetico.

Temperatura nei cambiamenti di stato

Ogni stato della materia ha un ben preciso contenuto di energia che, da stato a stato, cambia. Per far avvenire un cambiamento di stato quindi abbiamo bisogno di fornire o sottrarre energia al sistema mediante, per esempio, il calore. Fornendo calore ad un sistema, aumenta l’energia cinetica delle particelle che quando questa arriva a vincere la forza di legame tra le particelle, per esempio dello stato solido, queste si allontanano dalle posizioni ben definite tipiche di questo stato e assumono la configurazione del liquido.

Pressione nei cambiamenti di stato

Per esempio, nel passaggio gas-liquido, aumentando la pressione agente su gas, le particelle si trovano più a stretto contatto favorendo l’instaurazione di legami tra le particelle.

Cambiamenti di stato a P = 1 atm (costante)

Diagrammi di fase

Fornisce le condizioni di temperatura e pressione alla quale una sostanza esiste come solido, liquido o gas o come fase in equilibrio tra queste. Per trovare lo stato di equilibrio di un sistema, si usa la regola di Gibbs:

v = c + 2 - f

• v: gradi di libertà; ovvero le variabili fisiche chimiche che possono essere modificate senza modificare le fasi del sistema.
• c: numero di componenti indipendenti del sistema.
• f: numero di fasi (aree del sistema con proprietà omogenee).
• 2: numero delle variabili temperatura e pressione.

Polimeri

Sono formati da molecole con alto peso molecolare dette macromolecole che si originano dal concatenamento di unità più piccole dette monomeri per formare delle lunghe catene che possono essere:

• Lineari
• Ramificate
• Reticolate

Polimerizzazione per addizione: la catena si forma per addizione di monomeri insaturi.

Polimeri cristallini: polimeri regolari che formano dei cristalli lamellari dove le catene sono perpendicolari alla faccia del cristallo.

Polimeri amorfi: catene di polimeri disposti in modo caotico.

Polimeri semi-cristallini: sono presenti sia zone cristalline (cristalliti) che zone amorfe. Per questa struttura si definisce un grado di cristallinità che è la percentuale in peso della sostanza allo stato di cristallo rispetto al peso totale. Questo dipende dalla struttura delle molecole e dalla “storia” meccanica e termica della sostanza.

Effetto della temperatura sui polimeri

I polimeri amorfi all’aumentare della temperatura hanno 2 transizioni: transizione vetrosa Tg, passaggio da polimeri rigidi (stato vetroso) ad una situazione di malleabilità ovvero ad un rammollimento Tr.

Modelli atomici

La parola atomo in greco significa “non divisibile”. Si assumeva l’atomo come una particella indivisibile e indistruttibile. All’inizio del ‘900 vari esperimenti mostrarono che l’atomo era tutt’altro che indivisibile ma che questi erano costituiti da particelle elementari.

Esperimento e atomo di Thomson

Prendendo due elettrodi all’estremità di un tubo, fatto il vuoto e applicato un alto voltaggio, dal catodo (elettrodo negativo) si dipartono dei raggi. Quei raggi sono gli elettroni. Attraverso l’utilizzo di un campo magnetico che devia i raggi nella direzione opposta di quella in cui erano deviati dal campo elettrico, riuscì a determinare il rapporto carica/massa dell’elettrone: 1.7588x10¹¹ C/Kg. Da qui si dedusse: m = 9.11x10^-31 Kg. Da questi ragionamenti Thompson propose il primo modello fisico dell’atomo. Ovvero pensò che questo fosse costituito da una sfera carica positivamente dove, al suo interno, erano immersi gli elettroni.

Esperimento e atomo di Rutherford

Nel 1909, per mettere alla prova l’atomo di Thomson, bombardò un sottile foglio d’oro con raggi alfa (elio completamente ionizzato). Questi raggi non venivano quasi mai completamente deviati (solo l’1%) ma, anche se per questa pochissima percentuale, comunque confutò la teoria di Thompson secondo la quale questi raggi dovevano attraversare la materia indisturbati. Grazie a questo arrivò alla conclusione che al centro dell’atomo fosse localizzato il nucleo dell’atomo carico positivamente e che racchiude quasi tutta la massa dell’atomo e che intorno a questo vi fossero localizzati tutti gli elettroni carichi negativamente e che tra i due vi fosse il vuoto.

Grazie a Rutherford, alla sua teoria atomica e a Maxwell che definì la luce come un particolare tipo di onda elettromagnetica, si ha la meccanica quantistica (teoria che descrive le leggi che governano i fenomeni fisici a livello microscopico).

Einstein, nel 1905, teorizza la teoria della relatività E=mc² secondo cui la massa è una forma di energia. Da qui si vide che l’atomo di Rutherford era instabile perché l’elettrone, essendo una particella carica elettricamente, irradia onde elettromagnetiche e così perde energia: per questo motivo dovrebbero finire, dopo pochissimo, a collidere con il nucleo.

Luce o radiazione elettromagnetica

La radiazione elettromagnetica è formata da onde che si propagano in linea retta alla velocità della luce (moto rettilineo uniforme). La radiazione elettromagnetica è costituita da un campo elettrico ed uno magnetico ondulatorio che sono perpendicolari l’uno con l’altro.

• Lunghezza d’onda: corrisponde all’intero ciclo di valori (m).
• Frequenza: numero di volte al secondo dove il campo assume l’intero ciclo di valori.
• Ampiezza: massimo valore assunto dalla radiazione. L’intensità è proporzionale al quadrato dell’ampiezza.
• Periodo: tempo per fare una oscillazione completa.

Frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali e l’energia aumenta al crescere della frequenza. Le lunghezze d’onda variano da 10^-16 a 10⁶ m. L’occhio umano riesce a percepire le radiazioni che vanno da 4 a 8 x 10^-7 m. La luce bianca è formata dall’insieme di tutte le radiazioni.

Una sostanza che viene eccitata, emette radiazioni che, fatte passare attraverso un prisma, vengono deviate in maniera differente a seconda della lunghezza d’onda. Raccogliendo queste radiazioni si ha lo spettro di emissione del materiale. Se invece una sostanza viene fatta attraversare da luce bianca, le radiazioni luminose vengono assorbite e si dà origine allo spettro di assorbimento.

Fotone

I fotoni sono dei pacchetti discreti di energia la cui energia dipende dalla frequenza secondo la formula: E = hν.

• h: è la costante di Planck (6.63x10^-34 J/s).

L’energia del fotone è espressa anche in elettron-volt: 1.6x10^-19 J. Energia e frequenza sono quindi direttamente proporzionali. Un fascio di luce è più o meno intenso a seconda che porti più o meno elettroni nell’unità di tempo, ma l’energia di un fotone è sempre la stessa per una determinata frequenza.

Effetto fotoelettrico

È caratterizzato dall’emissione di elettroni da una superficie metallica quando questa viene colpita da radiazione elettromagnetica (fotoni con una certa lunghezza d’onda).

Atomo di Bohr

Fino alla teoria di Bohr, si era ritenuto valido il modello di Rutherford che però non riusciva a spiegare le recenti scoperte sugli spettri di emissione e assorbimento dei vari elementi. Infatti, secondo questa teoria, l’elettrone, ruotando attorno al nucleo, doveva emettere energia elettromagnetica che per le leggi della fisica, andava a scapito della sua energia cinetica fino a farlo collidere con il nucleo. Bohr allora pensa all’atomo come formato da un nucleo centrale, dove risiede tutta la massa, attorno al quale ruotano gli elettroni in orbite precise. Questi acquistano o cedono energia per passare da un’orbita all’altra. Questa energia è pari alla differenza di energia tra le due orbite.

Frequenza della radiazione emessa: ν = (E₂ - E₁)/h.

Questo modello spiegava bene il comportamento dell’atomo di idrogeno ma non quello degli atomi più complessi perché: non permette di capire perché alcune linee spettrali sono più luminose di altre. Inoltre, non è rispettato il principio di indeterminazione perché secondo Bohr gli elettroni ruotano in un’orbita di un raggio definito ed un certo impulso, cosa che per il principio di indeterminazione è impossibile.

Principio di indeterminazione di Heisenberg

La fisica classica dice che se si vuole conoscere il moto di una particella si deve sapere posizione e velocità in ogni istante. Il principio di indeterminazione afferma invece che per il mondo microscopico è impossibile conoscere posizione e velocità ad ogni istante contemporaneamente; una delle due deve essere sacrificata. Quindi è impossibile definire una traiettoria dell’elettrone attorno al nucleo ma si può parlare solo di probabilità che l’elettrone si trovi in una certa regione di spazio.

Da questo principio si ha l’equazione di Schoedinger: una funzione matematica il cui quadrato indica la probabilità che l’elettrone ha di trovarsi in un determinato volume di spazio. Ha tre requisiti:

• Normalizzazione: la probabilità totale di trovare l’elettrone in tutto lo spazio è 100%.
• Univocità: in ogni punto dello spazio c’è un solo valore della funzione d’onda.
• Limitatezza: in nessun punto la densità di probabilità può essere infinita.

La soluzione dell’equazione è del tipo φ_n,l,m dove n, l, m sono i numeri quantici. φ è una funzione che definisce l’orbitale (funzione d’onda). Un orbitale non è una traiettoria ma è bensì la probabilità di trovare l’elettrone in un certo punto dello spazio (nuvoletta di probabilità al 95%).

Natura delle radiazioni elettromagnetiche

Le radiazioni elettromagnetiche sono formate da un’onda elettromagnetica e da fotoni (pacchetti di energia). L’onda si adatta bene al mondo macroscopico e i fotoni si adattano bene al mondo microscopico. Nel 1924, De Broglie ipotizzò che anche le particelle aventi una massa potessero avere questo aspetto, ovvero che potevano comportarsi come corpuscoli o come onde a seconda delle condizioni sperimentali.

Dall’equazione di Planck (E=hv) e da quella di Einstein (E=mc²), si deduce che:

E = mc² = hv = λ = c/ν

λ = h/mc (per particelle con massa nulla)

Per qualsiasi corpo: λ = h/mv (v = velocità)

Relazione di De Broglie associa a qualsiasi massa in movimento una certa lunghezza d’onda. Avendo masse grandi, nel mondo macroscopico le lunghezze d’onda sono trascurabili perché infinitamente piccole, cosa che nel mondo microscopico non avviene. Da questo però si ha che l’elettrone ha proprietà ondulatorie come il fotone e quindi: l’energia del fotone è uguale alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e uno degli stati eccitati della particella.

Nel 1930 venne scoperto il neutrone e quindi si arrivò alla formulazione di un modello atomico dove al centro, nel nucleo, erano presenti protoni+ e neutroni (nucleoni) attorno ai quali ruotano gli elettroni-.

Numeri quantici

Il numero quantico principale “n” può assumere valori interi positivi da 1 a 7 che determina l’energia dell’orbitale dipende dalla distanza del nucleo con l’elettrone. Quando cresce, gli orbitali diventano più grandi e la loro energia cresce come la loro distanza dal nucleo. Orbitali con lo stesso valore di n appartengono allo stesso livello energetico. Il numero quantico angolare “l” può assumere valore compresi tra 0 e n-1 determina la forma dell’orbitale.