Appunti di Chimica

CHIMICA

Realizzati a partire dal programma del corso di Chimica di Antonio Aronne e

Francesco Branda, a opera di Giovanni Celentano.

Materia: tutto ciò che ha una massa e un volume.

Sostanza: singola forma pura di materia.

Vapore: una sostanza normalmente allo stato solido o liquido che si trova in forma gassosa.

Proprietà fisiche: possiamo osservarle senza cambiare l’identità della sostanza stessa.

3

( = 10 )

punto di fusione, durezza, colore, stato di aggregazione, densità 3 3

Proprietà chimiche: attitudine delle sostanze a mutarsi in altre.

reazione idrogeno-ossigeno che genera l’acqua

Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di materia del campione scelto.

temperatura

Proprietà estensive: dipendono dalla quantità di materia del campione scelto.

massa e volume

1807 John Dalton stila la prima ipotesi atomica.

Atomo: la più piccola parte di una sostanza che mantiene le caratteristiche chimiche della

sostanza stessa

Elemento: sostanza costituita da un solo tipo di atomo.

1897 J. J. Thomson scopre gli elettroni studiando i raggi catodici.

−19 −31

−1,602 ∙ 10 9,1 ∙ 10 .

Robert Millikan scoprì la carica dell’elettrone: e la massa

1908 Rutherford confuta la teoria del panettone e definì il nucleo atomico.

−9

10

Raggio atomico: nell’ordine di −14

10

Raggio del nucleo: nell’ordine di

−19 2 −2

1,602 ∙ 10 ( )

1eV = energia acquistata da un elettrone sottoposto a una

differenza di potenziale di 1 volt. 1

−24

1,660540 ∙ 10

1 u.m.a. = è definito come della massa di un atomo di Carbonio 12.

12

In uma è espresso il peso atomico (o anche massa atomica relativa) degli elementi.

23 12

12 6,022 ∙ 10

In ci sono atomi di . 12

=

La massa di uno di questi atomi è data da 23

6,022∙10

1 1 12 1 1

= = = =

La massa di un uma è data da 23 23

12 12 6,022∙10 6,022∙10

Protone: circa 2000 volte più pesante di un elettrone ma con la stessa carica, di segno opposto.

Numero atomico Z: numero di protoni nel nucleo.

Spettrometro di massa: serve a misurare la massa degli atomi.

Neutroni: elementi di carica nulla e massa circa uguale a quella dei protoni.

Numero di massa A: numero dato dalla somma di protoni e neutroni nel nucleo.

Isotopi: atomi dello stesso elemento con numeri di massa diversi.

In genere hanno medesime proprietà fisiche e chimiche. Si enunciano dicendo il nome

dell’elemento seguito dal numero di massa A. (Si scrivono ponendo A come apice sinistro)

Metalli: conducono l’elettricità, sono lucenti, malleabili e duttili.

Non metalli: non conducono l’elettricità, non sono malleabili né duttili.

Metalloidi: hanno l’aspetto e alcune proprietà dei metalli, ma chimicamente sono non metalli.

Vengono individuati come i 7 elementi sulla linea diagonale che divide i metalli dai non metalli.

Tavola periodica: disposizione degli elementi che mette in luce le loro correlazioni familiari.

Gruppi: colonne della tavola.

Questi elementi riflettono proprietà simili che variano con continuità discendendo nel gruppo.

Periodi: righe della tavola. , , , .

Blocchi: quattro regioni rettangolari della tavola, denominate rispettivamente

Metalli alcalini: Elementi del gruppo.

teneri, di colore argenteo, fondono a temperature basse e producono idrogeno in acqua

Metalli alcalinoterrosi: Elementi del gruppo.

proprietà simili a quelle degli alcalini

Gas nobili: elementi del gruppo.

reagiscono con pochissimi elementi

Alogeni: elementi del gruppo.

Composto: sostanza elettricamente neutra costituita da due o più elementi distinti i cui atomi

figurano in proporzioni definite.

La legge della conservazione della massa: la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti

Legge della composizione costante: i composti sono costituiti da specifiche combinazioni di atomi.

Legge delle proporzioni definite: in un dato composto chimico i rapporti tra le masse degli

elementi che lo costituiscono sono costanti indipendentemente dalla sua origine o dal metodo di

preparazione.

Legge delle proporzioni multiple: quando due elementi formano tra loro due o più composti, le

differenti masse di uno di essi che si combinano con la stessa massa dell’altro sono tra loro in

rapporti dati da numeri interi e piccoli

Composti organici: contengono carbonio e generalmente idrogeno.

Composti inorganici: tutti gli altri. (Compresi alcuni composti semplici del carbonio come l’anidride

carbonica e i carbonati)

Molecola: aggruppamento distinto di atomi congiunti secondo una specifica disposizione.

Ione: atomo o gruppo di atomi che porta una carica elettrica positiva o negativa.

Catione: ione positivo.

Anione: ione negativo. 0

Composti molecolari: composti generati da molecole. 2

Composti ionici: composti generati da ioni.

Formule chimiche:

- Formula empirica (formula minima)

- Formula molecolare

- Formula di struttura (con i legami)

- Formula di struttura condensata

- Formula di un composto ionico

Concetto di Mole

Consideriamo un generico elemento che abbia una data massa molecolare (definita in uma). Per

lavorare nel macroscopico, consideriamo la quantità tale elemento la cui massa, in grammi, sia

numericamente uguale alla sua massa molecolare. Si osserva che il numero di particelle contenute

23

6,022 ∙ 10

in tale quantità di sostanza è uguale a ed è sempre lo stesso indifferentemente dalla

sostanza scelta. Tale numero è definito Numero di Avogadro.

Mole: quantità di sostanza contenente il numero di Avogadro di particelle.

= numero di particelle

= numero di moli

= numero di Avogadro

=

Si ha che

()

= massa del campione −1

( )

= massa molare, ovvero, massa di una mole di sostanza

=

Si ha che

Peso atomico: coincide col valore numerico della massa molare di quell’elemento.

Peso molecolare: coincide col valore numerico della massa molare di quella molecola.

′

∙ 100

Composizione percentuale di massa dal campione:

′

∙ 100

Composizione percentuale di massa dalla formula:

Calcolo della formula empirica:

ricavare il numero di moli di ciascun elemento

definire la proporzione attraverso i rispettivi numeri di moli

dividere tutti i numeri per il più piccolo

moltiplicare tutto affinchè i numeri si arrotondino e diventino interi

Calcolo della formula molecolare:

calcolare il peso della molecola nella formula minima (la massa molare della formula minima)

dividere la massa molare del composto per la massa molare della formula minima

moltiplicare gli elementi della formula minima per il numero intero trovato

, , …

Reattivo limitante: dati i reagenti di una reazione in quantità non esatte rispetto alle

proporzioni della reazione chimica, si divida ogni numero di moli per il coefficiente stechiometrico

della reazione. Il valore più piccolo rappresenta il reattivo limitante.

Miscela: materia costituita dal miscelamento di più elementi o composti che mantengono le loro

proprietà fisiche e chimiche.

Eterogenea o Omogenea

Soluzione: miscela omogenea.

à ()

Molarità: ()

()

à

Molalità: ()

Frazione molare di A:

Densità relativa: si definisce densità relativa il rapporto fra la densità dell’elemento di interesse e

la densità dell’elemento di paragone. Ad esempio, densità rispetto all’aria.

Equazione chimica bilanciata: simboleggia i cambiamenti qualitativi (elementi e composti) e

quantitativi (coefficienti stechiometrici) che avvengono in una reazione chimica.

Radiazione elettromagnetica: costituita da un campo elettrico e un campo magnetico oscillanti

8 −1

= 3,00 × 10

(varianti nel tempo) che viaggiano alla velocità della luce

= ( ∙ )

Relazione lunghezza d’onda - frequenza:

Tutte le particelle hanno un comportamento ondulatorio. Si parla di dualismo onda-particella.

Corpo nero: una sostanza capace di assorbire tutte le radiazioni elettromagnetiche (solido ideale).

Una sfera cava di metallo è un dispositivo sperimentale che simula molto bene un corpo nero.

= ℎ

Energia minima liberabile da un elettrone:

Questo significa che la radiazione di frequenza può essere generata solo se si dispone di Energia

ℎ

sufficiente (poiché è costante). Per questo motivo, le radiazioni ultraviolette ad altissima

frequenza in genere non vengono emesse riscaldando un corpo.

−34

6.63 × 10

Costante di Planck “h”=

Quanti: pacchetti di energia.

Fotone: è il “quanto” associato a un’onda elettromagnetica, ovvero, le particelle che compongono

la luce. Sono considerati come pacchetti di energia. La loro energia dipende dalla frequenza della

( = ℎ).

radiazione

Effetto fotoelettrico: espulsione di elettroni da un metallo colpito da luce.

Nell’effetto fotoelettrico, solo se la radiazione possiede energia sufficiente è possibile espellere un

elettrone dal metallo. Sia l’energia del fotone che colpisce l’elettrone e sia l’energia

0

>

necessaria ad espellere l’elettrone. Poniamo . In questo caso, l’elettrone sarà espulso dal

0

metallo ed avrà un’energia cinetica pari all’energia inutilizzata per espellerlo, ovvero alla

− = − = ℎ −

differenza .

0 0 0

Orbitali atomici: funzioni d’onda degli elettroni negli atomi.

Schrödinger sostituì al concetto di traiettoria precisa della particella quello di funzione d’onda.

La densità di probabilità che una particella si trovi in un certo sito è proporzionale al quadrato

della funzione d’onda in quel punto; la funzione d’onda si trova risolvendo l’equazione di

Schrödinger della particella. Quest’ultima è in grado di possedere solo determinate energie.

Numeri quantici:

Numero quantico principale “” indica il livello energetico

(1, )

2 … “”

Numero quantico di momento angolare orbitale indica il sottolivello

(0, 1, … , − 1) “ ”

Numero quantico magnetico indica a quale sottolivello ci si riferisce in base all’orientamento

(, − 1, … , −)

Numero quantico magnetico di spin “ ” indica il verso di rotazione sul proprio asse dell’elettrone

1 1

(+ , − )

2 2

, , , , …

Il valore in genere, è identificato dalle lettere

, , …

Il valore , in genere, è identificato attraverso pedici che indicano l’asse

Elettroni appaiati: elettroni di uno stesso orbitale con spin opposti.

Principio di esclusione di Pauli: In uno specifico orbitale possono esserci al massimo due elettroni

appaiati (con spin opposti)

Regola di Hund: per orbitali degeneri (di uguale energia), la configurazione di minor energia è

quella con il massimo numero di elettroni di uguale spin.

Principio di Aufbau: regola per le disposizioni elettroniche negli orbitali. (regola della diagonale)

Il numero del gruppo indica gli elettroni di valenza.

Il numero del periodo indica il numero quantico principale dello strato di valenza.

Il raggio atomico aumenta andando dall’angolo in alto a destra a quello in basso a sinistra.

Energia di ionizzazione: energia necessaria a staccare un elettrone da un atomo in forma gassosa.

Si dice primaria l’energia di ionizzazione di un atomo neutro.

Si dice secondaria l’energia di ionizzazione di un catione.

− )

= () − (

Affinità elettronica: (energia dell’atomo - energia anione)

Energia liberata quando un elettrone si lega ad un atomo in fase gassosa.

La si può considerare come la “tendenza” di un atomo ad acquistare un elettrone. Un valore

negativo vuol dire che per imporre all’atomo quell’elettrone bisogna spendere energia.

La struttura dei periodi nella tavola periodica è giustificata dal fatto che, nel riempimento degli

orbitali, gli elettroni assumono le posizioni di minore energia possibile.

Gli orbitali d vengono riempiti dopo gli orbitali s del livello energetico successivo.

Vi sono alcune eccezioni, fra cui quella di sottostrato semipieno e pieno.

4 2 5 1

4 5 4 5

Ad esempio, la configurazione diventa .

LEGAME CHIMICO

Il legame chimico è un collegamento fra atomi che si forma se l’energia del sistema di atomi legati

è minore dell’energia del sistema di atomi isolati. Un sistema di energia minore è più stabile.

Il legame ionico indica la cessione o acquisto di elettroni che causa attrazione elettrostatica.

Il legame covalente indica la condivisione di elettroni che causa la creazione di una molecola.

̇

−10 −10

10 (10 = 1 = 1 )

Le distanze di legame sono dell’ordine di − ( − ) > 0

Condizioni alla formazione di un legame ionico:

(energia totale ceduta è positiva)

L’energia di ionizzazione rappresenta l’energia richiesta da A per cedere l’elettrone.

L’affinità elettronica rappresenta l’energia rilasciata da B nell’acquisto di un elettrone.

L’energia di attraz. elettrostatica è l’energia potenziale ceduta grazie all’attrazione elettrostatica.

I solidi ionici presentano alto punto di fusione ed ebollizione, una struttura cristallina e sono fragili.

Gli atomi tendono a cedere o acquistare elettroni fino al raggiungimento dell’ottetto (o del

doppietto), ovvero, il completamento dello strato di valenza, struttura di minore energia.

Strato di valenza: livello più alto occupato dagli elettroni.

L’ultimo orbitale a contenere almeno un elettrone

Strato di valenza espanso: può verificarsi con gli elementi dal 3° periodo in poi.

Questi creano legami utilizzando gli elettroni presenti negli orbitali superando quindi l’ottetto.

Questo avviene se le dimensioni lo permettono.

Strato di conduzione: il primo livello a non contenere alcun elettrone.

Condizione alla formazione di un legame covalente: raggiungimento dell’ottetto. (stabilità)

I legami covalenti possono essere di tre tipi: singolo, doppio, triplo.

Legami multipli sono più forti di legami singoli.

Risonanza: miscela di strutture di identico assetto atomico ma di diversa disposizione di elettroni.

Essa distribuisce il carattere di doppio legame su tutti i legami presenti. (Benzene)

Carica formale: misura in cui gli atomi hanno acquistato o ceduto elettroni nel legame covalente.

Elettronegatività: Tendenza di un atomo, in un legame covalente, ad attrarre a sé gli elettroni.

Secondo Mulliken, l’elettronegatività di un atomo è la media aritmetica fra la sua energia di

ionizzazione e l’affinità elettronica.

Una differenza di elettronegatività minore di 1,5 dà carattere covalente al legame.

Una differenza di elettronegatività maggiore di 2 dà carattere ionico al legame.

Legame covalente polare: legame covalente in cui gli atomi presentano diversa elettronegatività.

Questo implica che la molecola biatomica assume le caratteristiche di un dipolo e la carica situata

ai due lati della molecola è detta carica parziale.

Molecola polare: se è biatomica, è polare se lo è il legame. Se è pluriatomica, è polare se contiene

legami polari disposti nello spazio in modo da non elidersi.

Polarizzabilità: Caratteristica dei legami ionici. La carica del catione attira gli elettroni presenti

sull’anione che si distorcono spostandosi verso il centro del legame, conferendogli carattere

covalente.

Il legame a idrogeno è l'attrazione elettrostatica tra un atomo di idrogeno recante una parziale

carica elettrica positiva e un doppietto elettronico di un elemento fortemente elettronegativo

(fluoro, ossigeno o azoto).

Numero di ossidazione: carica che un atomo coinvolto in un legame covalente polare

possiederebbe se il legame fosse ionico.

Segue alcune regole:

1) Il numero di ossidazione di un elemento nella sua forma elementare è zero.

2) Il numero di ossidazione di uno ione monoatomico è pari alla sua carica.

3) Nei composti binari, all’elemento di maggior elettronegatività viene assegnato un numero di