Appunti di Chimica

Chimica

Prof. Hozzon

2^o semestre

2018 - 2019

INDICE

• Struttura atomica della materia 3
• Reazioni chimiche 5
• Struttura elettronica atomi 8
• Orbitali atomici 10
• Tavola periodica 12
• Legami chimici 14
• Orbitali molecolari 16
• Teoria delle bande 18
• Termodinamica chimica 20
• Elettrochimica 24
• Corrosione dei metalli 26

semireazione di ossidazione

Rid₁ ⇌ Ossi₁ + ne^-

semireazione di riduzione

Ossi₂ + ne^- ⇌ Rid₂

reazione redox

Rid₁ + Ossi₂ ⇌ Ossi₁ + Rid₂

Zn ⇌ Zn²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ + 2e^- ⇌ Cu

Zn + Cu²⁺ ⇌ Zn²⁺ + Cu

BILANCIAMENTO: di massa: n° e tipi di atomi di ciascun elemento deve coincidere nei 2 membri dell'equazione

di carica: la somma algebrica delle cariche nei 2 membri dell'equazione deve coincidere

• non introdurre formule estranee a quelle iniziali
• non modificare le formule delle sostanze date inizialmente

METODO EMPIRICO:

• si bilancia un elemento per volta
• coefficienti stechiometrici: a differenza di ogni passaggio non si devono cambiare on fly
• bisogna essere strategici ⇒ non "fly blind"
• se un elemento compare in un solo composto, si bilancia per primo
• le sostanze elementari si bilanciano per ultime

CALCOLARE: (calcoli stechiometrici) ⇒ tutte reazioni a completezza

rapporto molare: formule molecole → qta in grammi poi alle masse atomiche ⇒ n=m/M_r

Metodo delle masse: proporzione tra masse molari moltiplicate x i coeff. stechiometrici:

es. 6,01gMg : 3,04gMg = m₁ : m₂ ⇒ 3,04 m = 6,01 m

Metodo delle moli: proporzione tra coefficienti stechiometrici

es. 3Cu + 8HNO₃ ⇌ 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O ⇒ n_cu=n_cu ⇒ 3 m_cu; 8 m_cu=0,258cu; n

reagente limitante: è un reagente in qta inferiore a quella richiesta dai rapporti stechiometrici

limita la qta di prodotto che si forma ⇒ rimangono reagenti non reagiti

• Livelli energetici dipendono dal n° quantico principale

Forma delle soluzioni dell'equazione per H

con R(n)= ^(n-l-1)! / _[2n(n+l)!]

con a₀=0,529×10^-10 m

polinomio associato di Laguerre

⟹ 3 modalità di rappresentazione degli orbitali:

1. densià di probabilità |Ψ|²

⟹ lim _{r ➝ ∞} (|Ψ|²) = 0 ⟹ lontano dal nucleo è difficile trovare l'elettrone

lim _{r ➝ 0} |Ψ|² = ∞ ⟹ vicino al nucleo è molto probabile

• Superfici di equiprobabilità ⟹ (|Ψ|²) = costante

Si fissa ∫₀ |Ψ|²dV ~ 0,99 come regione rappresentativa dell'orbitale (per 1s è una sfera)

Per atomi polielettronici:

• Diagramma di escissione e successione dei livelli energetici
• cambiano i livelli energetici, perché dipendenti anche dal numero quantico secondario
• successione: la differenza tra un livello energetico e un altro e ≠ per atomo della tavola periodica ⟹ possono esserci degli sovrapposimenti

Ragionamento:

• quando i nuclei sono molto distanti se e^- è vicino ad A, risente solo della presenza di A ⇒ Ψ diventa φ_A (stessa cosa per B)
• quando i due nuclei cominciano ad avvicinarsi, e^- risente di entrambi ⇒ Ψ descritto da φ_A e φ_B
• ⇒ Ψ = C_A Ψ_A + C_B Ψ_B (con C_A, C_B coefficienti numerici)
• con il metodo variazionale, si trova che ^C_A/_CB = ±1 ⇒ 2 soluzioni
  • Ψ_legame = C_A(Ψ_A + Ψ_B)
  • Ψ_antilegame = C_A(Ψ_A - Ψ_B)
• ⇒ dalla combinazione di n orbitali atomici si ottengono n orbitali molecolari
• Per H_2⁺: C_A = ¹/_√2 →
  • Ψ_legame = ¹/_√2 (Ψ_A + Ψ_B)
  • Ψ_antilegame = ¹/_√2 (Ψ_A - Ψ_B)

Orbitali molecolari:

Rappresentazione:

• superfici a |Ψ|² = cost:
  • |Ψ|_σ² = ¹/₂ (ψ_A² + ψ_B² + 2 ψ_A ψ_B)
  • |Ψ|_σ*² = ¹/₂ (ψ_A² + ψ_B² - 2 ψ_A ψ_B)
• |Ψ|² contro r:

• ⇒ ORBITALI molecolari di tipo σ e σ*

• b densità elettronica dipende solo dalla distanza dall’asse, o, a parità di distanza, è la stessa in tutte le direzioni. ⇒ orbitale a simmetria cilindrica ⇒ orbitali molecolari di tipo σ
• (pedice → CL che li ha generati, come 1s) ⇒ σ_1s

• LAVORO: dL= Fdx (definizione classica)

  • elettrico
  • di superficie:
  • di volume o meccanico: dovuto a una variazione di volume del sistema

  dL= Fdx

  F = pA => dL= pdx => dL= pdV => dL= A dx

  dV= A dx

  dL = -∫_i^f p dV

  il lavoro meccanico non è una funzione di stato

  ES.:

  Consideriamo 3 cammini

  3 aree diverse => dipende dal cammino => non è una funzione di stato

• ENERGIA INTERNA

  si riferisce a rottura e formazione di legami chimici

  si riferisce al mondo macroscopico

  si usa la meccanica quantistica

• primo principio termodinamico: (J. Joule - 1848)

  esperimenti => si fornisce lavoro meccanico, che produce un aumento di temperatura

  • A => ruota a pale messa in moto dalla caduta di un peso
  • B => fornito l. meccanico attraverso corrente elettrica => aumento T_acqua
  • C => lavoro fornito con l'attrito di blocchi di ferro => aumento T_acqua

  1 in joule per innalzare di 1°C la temperatura di 1g di acqua

  fornendo le stesse quantità di lavoro si ottiene la stessa variazione di stato del sistema

  variazione ottenuta indipendente dal cammino

  vale sia per fenomeni termici che per il campo gravitazionale

  U_B - U_A => con U= energia interna U_B - U_A = L+Q

  ΔU = Q+L

  in un sistema chiuso, La variazione positiva o negativa dell'energia interna durante una trasformazione e' uguale all' energia che il sistema riceve dall'ambiente o che ad esso cede.

  Se il sistema e' isolato => ΔU = costante

  U e' f. di stato

  dU = δQ + δL

• determinazione del potenziale standard di un semielemento = serie elettrochimica

Accoppio il semielemento incognito Zn|Zn²⁺ in condizioni standard

con il semielemento standard a idrogeno.

Inserendo nel circuito potenziometrico, ottengo

• fem = 0,763 V

• polo negativo = Zn Zn²⁺ + 2e^-

• polo positivo = 2H⁺ + 2e^- H_2(g), ↑ R.E.D.OX.

f.e.m. =

E°_2H⁺/H2(g) − 0,0592/z log c_H^+/zNe

E°_{analit{sup>svoltplace} =

E°_Zn/Zn²⁺ = −0,763 V

Ripetendo l'esperimento per altri semielementi, si può costruire tabella di potenziali standard.

• SEMI-REAZIONE :

  Zn²⁺ + 2e^- Zn

  Fe²⁺ + 2e^- Fe

  2H⁺ + 2e^- H₂ + 2H₂O

  Cu²⁺ + 2e^- Cu

  O₂ + 2H₂O + 4e^- 4OH^-

• ddp

  -0,763 V

  -0,44 V

  0,00 V

  +0,837 V

  +0,401 V

Corrosione dei metalli

Fenomeno che provoca il graduale deterioramento dei materiali metallici = ossidazione

• chimico: dovuta ad agenti chimici presenti nell'atmosfera (es SO₄ + 1/2O₂ SO₃ SO₃ + H₂O H₂SO₄)

• elettrochimica: contemporanea presenza di O₂ e H₂O

  • corrosione galvanica: per i metalli a contatto (uno nobile e uno meno nobile, quello nobile ha E₀)quando c'è una scalfittura, i materiali entrano in contatto con O₂ e H₂Oanodo = Fe Fe Fe²⁺ + 2e^- 4OH^-=> reazioni spostate destra Fe(OH)₂ precipito => continua richiesta di Fe²⁺

2Fe(OH)₂ + 1/2O₂ + H₂O 2Fe(OH)₃(s)Fe₂O₃ ∙ H₂O = ruggine