Chimica - Appunti

Idrocarburi

Gli idrocarburi sono composti binari tra carbonio e idrogeno. Possono essere saturi se esistono nella molecola solo legami C-C singoli, o insaturi se sono presenti anche dei legami multipli. Il carbonio si lega molto facilmente con altri atomi di carbonio grazie alla stabilità del legame C-C, per questo esistono moltissimi composti sui derivati.

Divisione in alifatici e aromatici

Si dividono in alifatici e aromatici: gli alifatici sono gli idrocarburi saturi/insaturi con catena lineare, ramificata o ciclica, e in questo ultimo caso si chiamano cicloalifatici. Mentre gli aromatici devono il loro nome dall’odore pungente dell’esano (C₆H₆) e presentano almeno un anello esagonale.

Ibridazione del carbonio

Per studiare i legami del carbonio è stato introdotto il concetto di ibridazione. Infatti il carbonio presenta solo due orbitali semipieni, i 2p, ma una teoria prevede uno stato di eccitazione del C che porta un elettrone a spostarsi nell’orbitale 2p vuoto, portandolo ad avere quattro orbitali semipieni, e quindi alla capacità di formare quattro legami. Tuttavia, data la diversità di energia dell’orbitale 2s dai tre del 2p, ci si aspetta la formazione di tre legami uguali e di uno diverso, che va in contrasto con quanto già conosciuto sulla struttura del metano. Perciò avviene, dopo l’eccitazione, l’ibridazione, che trasforma gli orbitali 2s e 3 2p in un orbitale nuovo detto sp³ che presenta per il 25% le caratteristiche del 2s e per il 75% quelle del 2p.

Allo stesso modo avviene per la creazione di doppi legami, dove dalla fusione del 2s e di due orbitali, anziché tre, 2p che formano l’sp², mentre il restante orbitale 2p si dispone perpendicolarmente al sp² che si trova su di un piano con angoli di 120°. Mentre per i tripli legami avviene la fusione di 2s ed un solo orbitale 2p formando sp, mentre gli altri due orbitali 2p si dispongono perpendicolarmente tra loro e con sp disponendosi con un angolo di 180° l’uno dall’altro.

Riguardo all’energia degli orbitali possiamo dire che essa è minima nel 2s, e dal sp, sp², sp³, 2p essa va man mano crescendo, mentre possiamo dire il contrario per l’elettronegatività, dato che il 2s è l’orbitale più vicino al nucleo, e di conseguenza più elettronegativo, e dato che l’sp è tra i tre ibridi l’orbitale che presenta più le caratteristiche del 2s, esso è dei tre il più elettronegativo.

Alcani

Sono idrocarburi alifatici saturi ed hanno formula generale C_nH_2n+2. Il primo composto è il metano (CH₄) e poi l’etano (C₂H₆), il propano (C₃H₈) e il butano (C₄H₁₀). Dal quinto in poi si nominano dicendo il numero di atomi di C e poi il suffisso –ano. Se alla molecola si toglie un H si ottiene un gruppo alchilico il cui nome si ottiene cambiando il suffisso –ano in –ile (metile –CH₃).

Nel metano troviamo una struttura tetraedrica formata da quattro legami σ con angoli di legame di 109.5°. Negli alcani il C si trova al centro e forma una molecola tetraedrica con legami σ per sovrapposizione dell’orbitale sp³ del C con l’1s dell’H. Mentre tra due C il legame avviene per sovrapposizione di due sp³, come nell’etano.

Nel propano invece si ha la particolarità che per la stessa formula molecolare si possono avere diverse formule di struttura; questa caratteristica si chiama isomeria di struttura o di posizione ed i due composti si dicono isomeri. Si dicono isomeri i composti che possiedono lo stesso numero di atomi dello stesso tipo, ma che differiscono per il modo in cui tali atomi sono legati tra loro.

Caratteristica degli idrocarburi è la possibilità di formare una catena lineare o ramificata, e per quelli a struttura lineare si mette il prefisso n-(normal). Il neopentano è l’isomero dove un C è legato ad altri quattro atomi di C. Nelle strutture idrocarburiche si distinguono vari tipi di C. Gli atomi di carbonio primari sono quelli legati ad un solo atomo di C, quelli di carbonio secondari sono invece legati a due atomi di C, carbonio terziari se legati a tre atomi di C e infine di carbonio quaternari se legati a quattro atomi di C.

Per composti con atomi di carbonio superiori a 5 si preferisce utilizzare la nomenclatura IUPAC:

• La catena lineare più lunga è scelta come struttura base, alla quale vengono attaccati al posto di un H dei gruppi alchilici, come ad esempio il butano è rappresentato come il propano in cui un atomo di H è sostituito da un gruppo metilico e può quindi essere chiamato metilpropano.
• Il nome può essere preceduto da un numero che indica l’atomo di C a cui è legato il gruppo alchilico.
• La numerazione degli C viene fatta partendo dall’estremità che permette di scrivere il numero più piccolo.
• Se un gruppo compare più volte si usano i suffissi di-, tri-, tetra-.
• Se sono presenti gruppi alchilici diversi nella struttura, essi si elencano in ordine alfabetico.

Inoltre è possibile disporre gli alcani in una configurazione chiusa, quando viene fatto il nome dell’alcano viene preceduto dal prefisso ciclo-.

Alcheni

Sono idrocarburi insaturi caratterizzati da un doppio legame C=C ed hanno formula generica C_nH_2n. Il loro nome deriva da quello degli alcani cambiando il suffisso –ano in –ene. Il primo composto è l’etene (C₂H₄), poi il propene (C₃H₆), il butene (C₄H₈) e così via. L’etene ha struttura planare con angoli H-C-H di 120° e presenta un’ibridizzazione sp².

Secondo la nomenclatura IUPAC si indica prima del nome il numero corrispondente al primo carbonio interessato dal doppio legame, questo comporta la presenza di vari isomeri legati alla posizione del doppio legame. Nel caso del butene e successivi, si inserisce il prefisso cis- se i due gruppi CH₃ sono dallo stesso lato, e trans- se sono dal lato opposto.

Come per gli alcheni esistono delle forme chiuse che si ottengono aggiungendo il prefisso ciclo-.

Alchini

Anche essi sono idrocarburi insaturi, con la differenza che sono caratterizzati da un triplo legame e sono rappresentati dalla formula C_nH_2n-2. Il primo composto è l’etino (C₂H₂) il cui nome comune è acetilene, il propino (C₃H₄), il butino (C₄H₆) e successivi. I nomi degli alchini si ottengono dal corrispettivo alchene sostituendo –ene col suffisso –ino. Come per gli alcheni si utilizza il numero per indicare il primo C interessato da triplo legame.

L’etino viene rappresentato con una struttura lineare con angolo di 180° ed ibridizzazione sp. A sovrapporre i due orbitali sp vi è un legame σ (che si crea sempre quando il legame avviene lungo la retta congiungente i due nuclei), mentre due legami π (che si formano quando la sovrapposizione avviene lateralmente) sono formati dalla sovrapposizione dei due orbitali p non ibridizzati appartenenti ai due C. Mentre i legami C-H sono formati dalla sovrapposizione di orbitali sp del C all’1s dell’H.

Idrocarburi aromatici

Come gli alcheni e gli alchini, anch’essi sono idrocarburi insaturi. Sono considerati aromatici tutti gli idrocarburi a struttura ciclica che viene conservata nella maggior parte delle reazioni cui prendono parte. Il capostipite di questa famiglia è il benzene (C₆H₆). Kekulé fu il primo ad ipotizzare le formule di risonanza del benzene, cioè le due formule limite che contribuiscono a definire la vera struttura della molecola. Ipotizzò una struttura esagonale con ai vertici i sei C legati ognuno ad un H e ad altri due C tramite un sistema di legami semplici e doppi alternati.

La particolarità è che la lunghezza di legame, determinata sperimentalmente, è di 1.39 Å. Inoltre il benzene può essere rappresentato come un esagono regolare con un cerchio al suo interno che rappresenta i sei elettroni ibridizzati sp² contenuti nei tre doppi legami. Per ciascuno dei C, due dei tre orbitali sp² sono impiegati nella formazione di due legami σ semplici con i C vicini, e il terzo sp² forma un legame σ con l’1s dell’H.

Stati di aggregazione

La materia esiste in tre stati fisici, gli stati di aggregazione, che sono lo stato liquido, solido ed aeriforme. Gli stati di aggregazione dipendono dalla costituzione della materia, dalla sua temperatura e dalla pressione. I vapori si trasformano in liquidi e poi in solidi per modesti abbassamenti di temperatura e aumenti di pressione mentre per i gas sono necessarie condizioni più drastiche.

I solidi hanno una massa, un volume ed una forma ben definiti. I corpi liquidi hanno massa e volume definiti, ma assumono la forma del recipiente in cui sono contenuti. Mentre per gli aeriformi hanno solo una massa propria, perché il loro volume e la loro forma dipendono dal recipiente che li contiene e in generale, a pressioni non elevate, gli aeriformi, a differenza dei solidi e dei liquidi sono comprimibili.

Sostanze pure

In chimica diremo che un sistema è puro se è formato da una singola sostanza, la quale possiede proprietà caratteristiche e ha una composizione costante. Per quanto riguarda le sostanze pure, possiamo trovarci in presenza di sostanze pure omogenee nel caso in cui la sostanza si presenti effettivamente tutta con le stesse proprietà e lo stesso stato di aggregazione, ma nel caso dell’acqua pura a 0°, potrebbero essere presenti nella sostanza delle tracce di acqua allo stato liquido e di ghiaccio, perciò anche trattandosi di una sostanza pura parleremo di sostanza pura eterogenea. Ma nel caso in cui ci trovassimo di fronte a qualcosa che comunemente definiremo impuro, sarebbe il caso di parlare di materiale e non di sostanza vera e propria, in quanto il materiale comprende sia le sostanze pure che i miscugli.

Miscugli omogenei ed eterogenei

Un miscuglio omogeneo di più sostanze viene comunemente chiamato soluzione. Il materiale più abbondante nel miscuglio sarà detto solvente e quello meno abbondante sarà il soluto. Un miscuglio eterogeneo è costituito invece da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili.

La schiuma, che è un miscuglio costituito da una dispersione di gas in un liquido è un miscuglio eterogeneo, proprio come la nebbia, che invece è formata di minuscole goccioline d’acqua disperse in un gas. Anche il fumo, formato di particelle solide mischiate in un gas è un miscuglio eterogeneo, così come anche l’emulsione, che è il miscuglio di due o più liquidi immiscibili. I colloidi sono invece considerati una via di mezzo in quanto rappresentano grandi particelle in un solvente e presentano sia le proprietà di un miscuglio eterogeneo sia quelle di una soluzione.

Passaggi di stato

Il passaggio da solido a liquido è detto fusione, e il conseguente passaggio a aeriforme è detto evaporazione. Il passaggio di un gas da aeriforme a liquido è detto liquefazione, mentre il passaggio diretto ad un solido è detto brinamento. Il passaggio invece di un vapore a liquido è detto condensazione ed il conseguente passaggio a solido è detto solidificazione. Il passaggio diretto dallo stato solido a quello aeriforme è detto sublimazione.

Durante il passaggio di stato, una sostanza presenta sempre la stessa temperatura. La temperatura a cui coesistono ghiaccio e acqua è detta temperatura di fusione, e il tempo che il ghiaccio impiega a fondere completamente è detto sosta termica. Quando riscaldiamo l’acqua, nel momento in cui comincia a formarsi vapore, esso esercita una pressione detta tensione di vapore, e finché questa rimane inferiore alla pressione atmosferica abbiamo l’evaporazione, ma dal momento in cui essa eguaglia la pressione atmosferica siamo in presenza della temperatura di ebollizione.

Mentre per i miscugli, i passaggi di stato, in generale, non avvengono a temperatura costante, cioè non troviamo la sosta termica. Procedendo nel modo contrario invece troviamo la temperatura di condensazione, che se avviene alla stessa pressione dell’ebollizione, sarà uguale alla temperatura di ebollizione, allo stesso modo avviene per la temperatura di solidificazione e di fusione.

Tenendo conto di queste temperature è possibile costruire la curva del riscaldamento e del raffreddamento di una sostanza pura notandone le soste termiche, che dipendono dalla quantità di materiale. Tenendo in considerazione la pressione invece otterremo che essa non influenza la solidificazione e la fusione, dato il piccolo aumento di volume tra solido e liquido, ma è molto importante nel caso del passaggio da liquido ad aeriforme e viceversa, in quanto in questo caso consideriamo un forte aumento e viceversa diminuzione di volume, perciò la pressione esterna molto bassa, come in montagna potrebbe far sì che l’acqua bolle a meno dei 100° previsti, perché il vapore incontra meno pressione e si forma più velocemente.

Elementi e composti

Una sostanza è costituita da unità strutturali di unico tipo. Essi sono:

• Atomo, che è la più piccola particella che costituisce un elemento;
• Molecola, è un agglomerato di atomi che presenta delle specifiche proprietà chimiche dovute al tipo di atomi che la formano;
• Ione, che è una particella dotata di carica;
• Elemento, è caratterizzato da un simbolo e da un numero atomico.

Ogni materiale dell’universo è formato da sostanze o elementi. Si definisce elemento una sostanza pura che non può essere trasformata, con gli ordinari mezzi chimici, in altre sostanze ancora più semplici. Si definisce invece composto ogni sostanza pura che può essere decomposta, con gli ordinari mezzi chimici, in altre sostanze pure più semplici. I composti hanno una composizione ben definita e costante.

Il termine elemento venne utilizzato da Lavoiser come sinonimo di una sostanza semplice, ma con la scoperta della struttura dell’atomo e degli isotopi, che sono elementi che condividono lo stesso numero atomico ma con massa diversa, il suo iniziale significato viene ampliato. Basti pensare al fatto che l’idrogeno presenta tre isotopi: l’idrogeno H con massa 1, il deuterio D con massa 2 e il trizio T con massa 3. Perciò possiamo capire che all’elemento H sono associate tre sostanze semplici.

Tipi di composti

Possiamo suddividere tutti i composti in composti molecolari, formati da gruppi di molecole, cioè atomi uniti da legami covalenti, e in composti ionici, cioè in atomi carichi, detti ioni legati tra loro da legami ionici. I primi sono generalmente formati dall’unione di non-metalli, mentre i secondi si formano in generale unendo metalli e non-metalli.

Valenza e numero di ossidazione

La valenza è il numero di elettroni esterni che l’atomo di un dato elemento acquista, cede o condivide con gli atomi a cui è legato. Il numero di ossidazione rappresenta la carica che ogni atomo (in una molecola o in uno ione poliatomico) assumerebbe se gli elettroni di legame fossero assegnati all’atomo più elettronegativo.

Per quanto riguarda gli stati ionici, i non metalli si trasformano in anioni, mentre i metalli in cationi. Gli ioni negativi monoatomici con carica superiore a 1 non possono esistere in soluzioni acquose in quanto reagirebbero con l’acqua, perciò possono trovarsi solo allo stato solido combinati con ioni positivi.

Riguardo l’attribuzione del numero di ossidazione in un legame covalente, esso consiste nel calcolare il numero di doppietti elettronici che vengono scambiati all’interno della molecola tra i vari elementi, sapendo che ogni doppietto conferisce un +1 se ceduto e un -1 se acquistato, e sapendo che il doppietto viene sempre ceduto all’elemento più elettronegativo.

Gli unici elementi in natura che si trovano sotto forma biatomica sono: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂.

Leggere e scrivere le formule

La formula di una molecola serve ad indicare il tipo di atomi presenti al suo interno e il numero di ognuno di essi. Esistono quattro tipi di formula chimica: la formula minima, che indica il numero di atomi che compongono una sostanza; la formula molecolare che contiene anche il numero effettivo di atomi di ogni elemento; la formula di struttura, che mostra come gli atomi sono legati tra loro e la composizione percentuale che indicano i grammi di ogni elemento in 100 grammi di composto.

Nel leggere la formula, in base al numero di atomi di un certo elemento presenti si utilizzano i prefissi mono-, di-, tri-, tetra-, penta- e così via. Generalmente, nelle formule formate da due soli tipi di atomi vengono indicati a sinistra il non metallo, o comunque l’elemento con carica positiva, e a destra il non-metallo o comunque l’anione. Mentre nella lettura della formula si nomina prima l’elemento più a destra che è l’elemento con carica più negativa.

In genere la formula di una molecola si scrive a partire dal numero di ossidazione, sapendo che quello della molecola deve essere zero, ma che quello di ogni singolo elemento varia, perciò si prendono i due n.o. degli elementi e si mettono come pedice dell’altro elemento.

Ioni

Per quanto riguarda i cationi monoatomici, la nomenclatura prevede solo di inserire prima il termine ione di-. Mentre per i cationi poliatomici si inserisce il suffisso -onio. Per gli anioni monoatomici si inserisce il suffisso -uro. Per gli anioni poliatomici si inseriscono i suffissi -ito apposto del -oso presente nel residuo acido (ed eventualmente anche il prefisso ipo- per il n.o. minore), mentre si mette -ato apposto di -ico presente nel residuo acido (ed eventualmente si mette anche per- per il n.o. maggiore).

Composti binari

I composti binari possono essere di due tipi: i composti ionici, di cui fanno parte gli ossidi, gli idruri di metalli e i sali, che sono formati da uno catione metallico e da un anione non metallico; poi ci sono i composti molecolari, di cui fanno parte le anidridi, gli idracidi e gli idruri covalenti.