Chimica analitica, chimica organica e biochimica

La chimica e la tavola periodica

La chimica è la scienza che studia la materia e le sue trasformazioni, mentre per materia si intende tutto ciò che ha massa, occupa spazio ed è formata da particelle. Lo stato in cui la materia si può presentare dipende dalle forza di attrazione.

• Se la forza d’attrazione è forte, la materia si presenta allo stato solido, quindi le particelle sono vincolate, la struttura è ordinata con un reticolo cristallino e la materia avrà forma e volume proprio.
• Se la forza d’attrazione è meno forte, la materia si presenta allo stato liquido e avrà volume proprio ma forma determinata dal contenitore.
• Se la forza d’attrazione è assente, la materia si presenta allo stato aeriforme, che presenta una disposizione caotica e assenza di volume e forma propria.

Vapore e gas

• Il vapore, che è la materia allo stato aeriforme sotto la temperatura critica, in cui solo le particelle superficiali sono in movimento ed è in grado di tornare allo stato liquido con la compressione.
• Il gas, che è la materia allo stato aeriforme sopra la temperatura critica, in cui tutte le particelle sono in subbuglio e non può tornare allo stato liquido con la sola compressione, ma deve prima subire un raffreddamento.

Trasformazioni della materia

Una trasformazione fisica, come la dilatazione del ferro con aumento o diminuzione di calore, è reversibile, mentre una trasformazione chimica, come la combustione, è irreversibile.

Ogni passaggio di stato avviene a una temperatura specifica che rimane costante fino a che non c’è stato il completo passaggio di stato. In questo intervallo, chiamato sosta termica, la temperatura rimane costante nonostante si continui a fornire (reazione esotermica) o togliere (reazione endotermica) calore.

Proprietà fisiche e chimiche

Le proprietà fisiche possono essere estensive, se aumentano all’aumento della grandezza della materia, e intensive, che non dipendono dalla grandezza ma dalle caratteristiche della materia (per esempio la densità).

Le proprietà chimiche, invece, descrivono il comportamento della materia in termini di reattività, ovvero come e se reagiscono.

Divisione della materia

La materia può essere divisa in sostanze pure, come sostanze elementari e composti, e miscela, unione di più composti, come per esempio l’aria.

La tavola periodica

Nella tavola periodica sono presenti circa 108 elementi, e si indicano con l’iniziale latina o greca o con due lettere, da leggere staccate. Gli elementi sono ordinati con una periodicità, determinata dal numero atomico crescente. Le linee orizzontali indicano i periodi, le linee verticali le famiglie o gruppi.

Ogni periodo termina con un gas nobile, che ha il guscio esterno completo, massima stabilità, minor energia e si può presentare in forma monoatomica. I gruppi sono molto importanti, perché indicano la famiglia chimica: ogni elemento appartenente al medesimo gruppo presenta caratteristiche chimiche simili, per esempio lo stesso numero di elettroni nel guscio esterno. Al primo gruppo appartengono i metalli alcalini, al secondo i metalli alcalino-terrosi, al settimo gli alogeni, all’ottavo i gas nobili. L’idrogeno è un elemento che non appartiene ad alcun gruppo, poiché non ha proprietà collocabili in nessuna famiglia.

Caratteristiche dei metalli

Gli elementi classificati come metalli sono estremamente duttili, malleabili, si presentano, a temperatura ambiente, allo stato solido (eccetto il mercurio), sono lucenti e sono buoni conduttori. La linea di demarcazione divide i metalli, che rimangono a sinistra, dai non metalli, che rimangono a destra. A cavallo della linea ci sono gli elementi classificati come semimetalli.

Proprietà nella tavola periodica

Le proprietà chimiche nella tavola periodica sono rappresentate da energia (o potenziale) di ionizzazione, affinità elettronica ed elettronegatività, mentre le proprietà fisiche sono il volume o raggio atomico e le proprietà metalliche. Tutti gli elementi del I, II e III gruppo si caricano positivamente con carica pari al gruppo, poiché esso rappresenta gli elettroni presenti nel guscio esterno, mentre gli elementi del V, VI e VII gruppo si caricano negativamente secondo quanti elettroni mancano al completamento del gruppo, rispettivamente tre, due e un elettroni. Gli elementi del IV gruppo hanno comportamento variabile.

Le proprietà chimiche variano sulla tavola periodica aumentando con l’avanzare dei periodi e diminuendo con l’avanzare dei gruppi, con due particolarità: i gas nobili non seguono questa periodicità per quanto riguarda affinità elettronica ed elettronegatività, mentre l’idrogeno ha un valore di elettronegatività compreso tra il Boro (B) e il Carbonio (C).

Energia di ionizzazione

L’energia di ionizzazione è l’energia da fornire a un atomo neutro allo stato gassoso per cedere un elettrone a un altro e renderlo positivo: X + E → X⁺ + 1e^-(g).

Affinità elettronica

L’affinità elettronica è l’energia sviluppata da un atomo neutro quando esso acquista un elettrone: X + 1e^- → X^- + E. Quando si devono attrarre più elettroni, essi entrano in repulsione e quindi l’affinità elettronica può essere intesa come l’energia messa in gioco quando un atomo acquista elettroni caricandosi negativamente.

Elettronegatività

L’elettronegatività è la tendenza di un atomo ad attrarre elettroni di legame. Aumenta da sinistra verso destra e diminuisce dall’alto verso il basso.

Le grandezze fondamentali

Le grandezze fondamentali sono sette: la lunghezza (m), la massa (kg), il tempo (s), la temperatura (K), la quantità di sostanza (mol), l’intensità elettrica (A) e l’intensità luminosa (cd). Tutte le altre grandezze si dicono grandezze derivate.

La lunghezza dell’atomo si misura in Angstrom, e 1Å=10^-10 m. La temperatura si misura in gradi Kelvin (K), seguendo la relazione: (T) K = (T) °C + 273,15. Un gas si caratterizza non solo con volume, ma anche con temperatura e pressione, poiché sono due elementi che lo influenzano. La densità mostra la massa in un determinato volume. L’acqua, a 4°C, ha una densità di 1 g/cc=1g/ml.

Teoria atomica

Gli atomi sono la parte più piccola della materia e non si possono dividere, ma solo accorpare. Attualmente l’atomo ha nel nucleo tutta la massa, e attorno alcune particelle. Il nucleo è formato dai protoni, particelle di carica positiva, e neutroni, particelle senza carica. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni, che presentano carica negativa.

X è il nome dell’elemento, n è il numero degli atomi presenti in quel composto mentre a è il coefficiente che può avere doppia interpretazione: nel mondo microscopico, esso rappresenta il numero di molecole, nel mondo macroscopico il numero di moli. L’elemento chimico, mentre Z rappresenta il numero atomico, ovvero il numero di protoni, caratterizza l’elemento chimico A rappresenta il numero di massa, ovvero la somma di neutroni e protoni, ma non caratterizza.

Ogni elemento presenta almeno un isotopo, ovvero atomi con lo stesso numero atomico ma con differenza di numero di neutroni. L’idrogeno presenta tre isotopi:

• Il Prozio (H), un protone e 0 neutroni. È il più presente in natura (99,889%).
• Il Deuterio (D), un protone e un neutrone. È presente in minima quantità (0,001%) e con l’ossigeno forma l’acqua pesante (D₂O).
• Il Trizio (T), un protone e due neutroni, presente solo in tracce.

Peso atomico

Per conoscere il peso si deve conoscere il nucleo delle particelle e il peso di esse. Le particelle hanno però una massa troppo piccola per essere pesata con uno strumento, quindi attraverso la misura di una carica elettrica, siamo riusciti a conoscere il peso di un protone che è uguale al peso di un elettrone, che è circa 1,67 x 10^-24 g.

La massa atomica relativa si basa invece sulla dodicesima parte dell’isotopo del carbonio, il carbonio-12, perché è quello più presente in natura e non ha un’unità di misura: 1 UMA = 1 Carbonio 12. La mole è l’unità di misura della quantità di sostanza e si nota che una mole di qualsiasi sostanza contiene sempre lo stesso numero di particelle, cioè 6,02 x 10²³ molecole, numero di Avogadro. Una mole rappresenta il peso molecolare espresso in grammi.

Equazioni importanti

• Peso (g)
• n° molecole = n° moli x N
• n° atomi = n° molecole x indice elemento
• n° moli = Peso/APM

Numeri quantici

Attorno al nucleo ruotano gli elettroni, che hanno massa trascurabile. Un atomo può essere evidenziato dai quattro numeri quantici, tre che riguardano l’orbitale atomico, e uno che riguarda la distanza dal nucleo.

• n è il numero quantico principale e indica l’energia del livello. È rappresentato da numeri interi che vanno da 1 a infinito. (n=1; n=2…).
• l è il numero quantico secondario, e caratterizza la forma della regione dell’orbitale. È rappresentato da numeri interi che vanno 0 a n-1 (0 < l < n-1).
• m è il numero magnetico e indica quanti sono gli orbitali (-l < m < l).
• m_s è il numero magnetico di spin e stabilisce la rotazione dell’elettrone attorno al proprio asse, che può essere orario o antiorario. Esso è indipendente dagli altri e può assumere valore +1/2 o -1/2.

Attualmente, il numero massimo che può raggiungere n è 4. Non si può però determinare in modo preciso la posizione esatta dell’elettrone e il concetto di orbitale viene introdotto come funzione matematica che stabilisce la maggior possibilità in cui si trovi l’elettrone, per il principio di indeterminazione di Heisenberg. In ogni orbitale possono stazionare al massimo due elettroni, poiché per il principio di esclusione di Pauli, due elettroni non possono avere tutti e quattro i numeri quantici uguali. Per la regola di Hund gli elettroni tendono ad occupare il maggior spazio possibile nell’orbitale.

Forme degli orbitali

L’orbitale s è l’orbitale sferico, che corrisponde al numero quantico principale n=0. L’orbitale p ha forma a otto e corrisponde a n=1. L’orbitale d ha forma lobata a quadrifoglio e n=2. L’orbitale f ha forma ancora ignota, si pensa che sia lobata, e corrisponde a n=3.

La tavola periodica presenta una particolarità. Per i primi due periodi, il numero di elettroni in un livello energetico si calcola con la formula: 2n², quindi il periodo equivale al livello energetico. Ma il terzo livello energetico è diverso dal terzo periodo, e il numero di elettroni si calcola con la formula n+l. A parità di somma, viene preso in considerazione prima il valore che ha n inferiore, mentre si riempie l’orbitale con la somma inferiore per prima, anche se di livello energetico superiore.