Appunti di chimica Ingegneria Meccanica Sgarbossa pages 1-31

Chimica: scienza delle trasformazioni della materia e della

sua composizione

La materia è composta da SOSTANZE

• Elementari
• Composte

Elementari → già allo stato più semplice può

Composte → possono essere scomposte in sostanze più semplici

tramite una trasf. chimica con impiego di energia

Atomo → particella costitutiva di qualsiasi sostanza

e la più piccola parte

della materia

• ha proprietà chimiche tipiche
• formato da un nucleo che ne fornisce la massa
• da elettroni (e^-) cioè da particelle più piccole
• che definiamo subatomiche

elettricamente neutro

• Atomo o
• • Nucleo
• • Protoni
• • Neutroni
• nucleoni
• • Elettroni → ruotano attorno al nucleo

Atomo è descritto da due numeri.

Numero atomico Z = é^- n° di e^- in un atomo

= p⁺

Numero di massa A = p⁺ + n → n = A-Z

Un atomo di cui sono definiti numero atomico

e numero di massa si chiama NUCLIDE atomo ben preciso

Il comportamento chimico di un nuclide dipende

principalmente da Z

I nuclidi con uguale Z hanno uguale comportamento e sono caratterizzati da:

• quale n_o è simbolo atomico.

AZ E→ simbolo completo di un nuclidedi un nucleo di

Isotopi → nuclidi di un elemento con uguale Z ma diverso

Dato che il simbolo E definisce un dato Z; spesso l'atomo si identifica spesso come

EsOssigeno → 3 isotopi

• ¹⁶O 99.762 %
• ¹⁷O 0.039 %
• ¹⁸O 0.2 %

I nuclidi si presentano in natura secondo % independenti del campione esaminato.

*Abbondanza isotopica naturale → % di ciascun isotopo che costituisce la popolazionedi un dato elemento in natura.

• P_{Z E} = ^{N_{Z E}}/_Ntot × 100con atomi totali di un elemento.

Massa atomica assoluta → massa della particella espresso in kg

• 1262

in mC S=10^-23 kg → unità di misura conosciuta

Unità di massa atomica (uma)

La massa della dodicesima parte esatta della massa di un atomo del nuclide¹²C carbonio 12 scelto come riferimento

1 uma ≡ 1,6606⋅10^-27 g ≡ 1,6606⋅10^-27 kg massa nucleone

Sostanze composte

• formate da atomi di elementi diversi
• formula chimica

Formula chimica: rappresentazione simbolica di un composto

_aA_bB_cC

• simboli
• indici

• formula minima o empirica
  • tipo di elementi costituenti nel composto
  • in quali proporzioni sono presenti gli elementi

Es. Glucosio CH₂O

• formula molecolare o bruta
  • tutte le informazioni della formula minima
  • fornisce l’esatto numero di atomi di ogni elemento

Es. Glucosio C₆H₁₂O₆

• permette il calcolo della massa molecolare e molare

M_C6H12O6

= ∑ I_i∙M_i

= 6M_C + 12M_H + 6M_O

Anche nelle sostanze composte la massa molare (div. N_a d part.) è numericamente pari alla massa molecolare espressa in g/mol

• formula di struttura
  • dà tutte le informazioni della formula bruta
  • fornisce l'ordine nel quale sono legati gli atomi

Es. Glucosio

H OH OH

\ | / /

C-C-C-C-C-C

| | | | | |

H-C-OH

| | |

H-C-O

H H

Es: aH₂O₂ + bCl^- + cH⁺ → dMⁿ⁺ + eCl₂ + fH₂O

Bilancio di massa:

• Mo a=d
• O 2a=f
• Cl b=2e
• H c=2f

Bilancio di carica: -a-b+c-n+2d

a=1

d=4

f=4

b=2e → e=⁵/₂

c=8

t+b=8-z → z-b=5

a=2

b=10

c=16

d=7

e=5

f=8

Calcolo stechiometrico

utilizzo dell’equazione bilanciata per la determinazione quantitativa della quantità di sostanze che partecipano alla reazione.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

“due molecole di M reagiscono con una molecola di O per formare 2 molecole di M₂O”

z molecole + 1 molecola → z molecole

xNa ( z Na + 1Na → z Na ) numero di Avogadro

(z mol + 1 mol → z mol)

L’equazione bilanciata dice in che rapporto le moli di diverse sostanze reagiscono

In una reac. completa, bilanciata e coì reagenti in quantità stechiometrica.

n_R/_VR = n_A/_VA = n_P/_VP

Per ogni sostanza di una particolare reazione, il rapporto tra numero di mol e coeff. Stechiometrici (V) è costante

(n/V)=cost

Tipi di decadimento

α consiste nella perdita di una particella formata da 2p⁺ e 2n⁰

⁴₂He = 2⁴α

• Nuclide Padre

^A_ZE → ⁴₂α + ^A-4_Z-2X

Il decadimento α è tipico dei nuclidi con Z > 82

Es. ²³⁸₉₂U → ⁴₂α + ²³⁴₉₀Th

• β^- consiste nella perdita da parte del nucleo di una particella (β^-) di carica e massa uguali a quelle dell'elettrone.

⁰_-1e^- = β^-

Un neutrone si separa in β^- e p⁺ più un antineutrino

¹₀n → ⁰_-1β^- + ¹₁p + ν̅

^A_ZE → β^- + ^A_Z+1X

(Nuclidi con lo stesso peso di A)

d. Z = nuclide isobaro

Decadimento tipico di nuclidi con un eccesso di neutroni rispetto ai protoni

es. ³₁H → ³₂He

³₁T → ⁰_-1β^- + ³₂He

Fusione Nucleare

Unione di due nuclei leggeri (A << 56) con liberazione di energia dal sistema.

Es. ²H + ³T → ⁴2He + ¹0n

ΔE = 17.3 MeV

Fissione Nucleare

Scissione di un nucleo pesante (A > 56) in più nuclei leggeri, con liberazione di energia.

Es. ²³⁵92U + ¹0n → ⁵⁶140Ba + ³⁶83Kr + 3¹0n

ΔE = 203 MeV

Per frazionare il nucleo si usa un n come "proiettili"

Struttura Elettronica della Materia

Gli e^- sono particelle materiali (m_e = 9.103 × 10^-31) kg e

cariche (q_e = -1.602 × 10^-19 C) che esistono stabili intorno ad un nucleo positivo; il loro comportamento non può

essere descritto dalla fisica classica.

Spettri di Emissione ed Assorbimento Atomico

• Se un elemento in forma atomica e gassosa viene eccitato con energia radiante, esso emette uno spettro di radiazioni formato da radiazioni di frequenza ben definita (spettro a righe) tipiche di ciascun elemento.
• Gli e^- devono permettere transizioni tra livelli di energia ben precisi e dipendenti dal tipo di atomo.
• Gli spettri di assorbimento di radiazioni da parte degli e^- atomici sono esattamente complementari a quelli d'emissione.