Appunti di Fondamenti di Chimica T

Fondamenti di Chimica T

Collareda Mattia

Dipartimento di Ingegneria Energetica, Universitá di Bologna

16 giugno 2018

2

Indice

1 Chimica molecolare 7

1.1 Struttura della materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1 Sostanze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.2 Miscele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.3 Principio di conservazione della massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Modelli atomici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.1 Modello atomico di Dalton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.2 Scoperta dell’elettrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.3 Modello atomico di Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.4 Modello atomico di Rutherford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.5 Particelle fondamentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Definizioni atomiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.1 Unità di massa atomica e peso atomico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3.2 Peso molecolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.3 Mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.4 Massa molare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 Nucleo dell’atomo e decadimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.1 Radioattività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.2 Decadimento alpha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.3 Decadimento beta- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.4 Decadimento beta+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.5 Decadimento gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.6 Misura della radioattività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.7 Difetto di massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.8 Energia media di un nucleone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 Fusione e fissione nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5.1 Fissione nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.5.2 Fusione nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6 Formule chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6.1 Composizione di una molecola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7 Modello atomico di Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7.1 Difetti del modello planetario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7.2 Spettroscopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7.3 Radiazioni elettromagnetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3

4 INDICE

1.7.4 Effetto fotoelettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7.5 Postulati di Bohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7.6 Numeri quantici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.7.7 Principio di indeterminazione di Heisemberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.8 Dualismo onda-particella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.8.1 Ipotesi di De Broglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.8.2 Teoria ondulatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.9 Orbitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.9.1 Equazione di Schroedinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.9.2 Energia degli orbitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.9.3 Orbitale s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.9.4 Orbitale p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.9.5 Struttura di atomi polielettronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.9.6 Numero quantico di spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.10 Tavola periodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.10.1 Configurazioni elettroniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.10.2 Gruppi e periodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.10.3 Valenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.11 Affinità elettronica ed elettronegatività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.11.1 Carica nucleare efficace Z* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.11.2 Raggio atomico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.11.3 Energia di prima ionizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.11.4 Affinità elettronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.11.5 Elettronegatività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2 Reazioni chimiche 31

2.1 Definizioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.1 Reagente limitante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.2 Rendimento di reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2 Reazioni di ossido-riduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.1 Numero di ossidazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.2 Bilanciamento redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 Legame Chimico 37

3.1 Legame chimico forte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2 Legame ionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 Simbolismo di Lewis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.2 Bilancio di energia, ciclo di Born-Haber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.3 Energia reticolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.4 Equazione di Born-Landé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Legame covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.1 Percentuale di carattere ionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.2 Teoria del legame di valenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.3 Teoria V.S.E.P.R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3.4 Orbitali ibridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.5 Formule limite di risonanza (ione carbonato) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

INDICE 5

3.4 Composti organici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.5 Composti inorganici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.5.1 Metalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.5.2 Non-metalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.6 Teoria degli orbitali molecolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6.1 Molecola biatomica di idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.6.2 Ordine di legame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.6.3 Molecola biatomica di elio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.6.4 Molecola biatomica di litio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.6.5 Molecola biatomica di ossigeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.7 Legame metallico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.7.1 Leghe metalliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.7.2 Teoria delle bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.7.3 Moto degli elettroni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.7.4 Semiconduttori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.8 Legami deboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.8.1 Legame Idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.8.2 Legame ioni-dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.8.3 Altri legami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4 Termochimica 57

4.1 Stati di aggregazione della materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.2 Stato solido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3 Stato gassoso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.3.1 Legge dei gas ideali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3.2 Miscela di gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3.3 Teoria cinetica dei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.3.4 Gas reali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.4 Stato liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.5 Cenni di termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5.1 Primo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.5.2 Scambio di energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.5.3 Reazione a volume costante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.5.4 Reazione a pressione costante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5.5 Flusso di calore in una reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5.6 Stato standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.5.7 Potere calorifico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5.8 Legge di Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.6 Spontaneitá di una trasformazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.6.1 Secondo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.6.2 Entropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.6.3 Terzo principio della termodinamica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.6.4 Energia libera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.6.5 Spontaneitá di una reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.6.6 Calcolo di ∆G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.6.7 Equilibrio chimico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6 INDICE

4.6.8 Equilibrio nei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.6.9 Equilibrio nelle soluzioni liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.6.10 Influenze sulla costante di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.6.11 Principio di Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5 Equilibri ionici 83

5.1 Acidi e basi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.1 Autoprotolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.2 Prodotto ionico dell’acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.1.3 Definizione di Arrhenius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.1.4 Definizione di Broensted-Lowry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.1.5 Acidi e basi forti e deboli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.1.6 Idrolisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2 Determinazione del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.2.1 Acido forte in soluzione acquosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

5.2.2 Base forte in soluzione acquosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.2.3 Acido debole in soluzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.2.4 Reazioni di neutralizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6 Cinetica 89

6.1 Velocitá di una reazione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.1.1 Velocitá media di una reazione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.1.2 Velocitá istantanea di reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.1.3 Equazione canonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.1.4 Molecolaritá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2 Costante cinetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.2.1 Ordine di reazione e costante di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.2.2 Reazioni del primo ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.2.3 Reazioni del secondo ordine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2.4 Determinare l’ordine di una reazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.2.5 Teoria degli urti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.2.6 Equazione di Arrhenius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.3 Catalisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7 Elettrochimica 97

7.1 Celle galvaniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7.1.1 Ponte salino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7.1.2 Rappresentazione di una pila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7.1.3 Semielementi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

7.1.4 Forza elettromotrice generata da una cella galvanica . . . . . . . . . . . . . . 99

7.1.5 Equazione di Nernst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.1.6 Potenziale standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

7.2 Celle elettrolitiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.2.1 Aspetti quantitativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Capitolo 1

Chimica molecolare

1.1 Struttura della materia

1.1.1 Sostanze

Le sostanze, parte della materia, rappresentano i sistemi omogenei, di composizione costante, e

possono essere suddivise in elementi e composti:

• gli elementi sono le sostanze costituite da una sola specie di atomo

• i composti invece sono formati da diversi atomi legati in quantità sempre costante, possiamo

suddividere ulteriormente i composti in organici, cioè conteneti atomi di carbonio (e.g. CH ,

4

metano oppure C H O, alcool etilico) e i composti inorganici (e.g. H O, N aCl, ecc.)

2 6 2

Un metodo di separazione degli elementi nella sostanza è l’elettrolisi

1.1.2 Miscele

Le miscele sono costituite da due o più sostanze, possono essere omogenee, cioè costituite da una

sola fase, con proprietà fisiche costanti nella miscela, o eterogenee, cioè costituite da più fasi.

La separazione delle miscele omogenee usualmente avviene per distillazione, dove i vapori della mi-

scela contengono un’alta concentrazione della sostanza più volatile, mentre nelle miscele eterogenee

solitamente si separa una sostanza dall’altra mediante filtrazione

1.1.3 Principio di conservazione della massa

Lavoisier, alla fine del XVIII secolo, per primo formulò il principio per cui, in una qualsiasi

trasformazione chimica, la quantità totale di massa nel sistema rimane costante.

7

8 CAPITOLO 1. CHIMICA MOLECOLARE

1.2 Modelli atomici

1.2.1 Modello atomico di Dalton

Dalton fu il primo a teorizzare l’atomo come una sfera, modello detto a ”palla da biliardo”, che

venne accettato come modello standard per tutto il XIX secolo.

La rilevazione visiva dell’atomo tuttavia fu possibile solo negli anni ’80, quando furono inventati

strumenti che come il microscopio ad effetto tunnel e a forza atomica che scannerizzavano le superfici

con precisi aghi per rilevare la presenza dei singoli atomi.

1.2.2 Scoperta dell’elettrone

La scoperta dei raggi catodici, cioè i flussi di corrente scambiati tra due elettrodi in un’atmosfera

rarefatta di un determinato gas, permise di provare l’esistenza di una particella con diverse proprietà:

• viaggia in linea retta se indisturbata da campi elettrici o magnetici

• possiede carica elettrica, negativa

• le sue proprietà fisiche sono indipendenti dal tipo di gas in cui erano immersi gli elettrodi

Tale particella fu chiamata elettrone.

1.2.3 Modello atomico di Thomson

La scoperta degli elettroni modificò la concezione dell’atomo, Thomson teorizzò che la struttura

dell’atomo si rifacesse a quella di un ”panettone”, da cui modello a panettone, in cui gli elettroni

erano posti sulla cima dell’atomo.

Thomson determinò inoltre il rapporto carica/massa dell’elettrone, e confrontandolo con quello rica-

+

vato sullo ione H da Faraday, notò che quello dell’elettrone era di molto superiore a quest’ultimo,

constatando che a parità di carica, l’elettrone aveva massa di molto inferiore allo ione.

1.2.4 Modello atomico di Rutherford

La scoperta della radioattività permise diversi esperimenti a livelli subatomici, uno dei quali portò

Rutherford alla scoperta del nucleo dell’atomo, lui, con l’utilizzo di particelle alpha emesse da un

materiale radioattivo, bombardò una lamina di