Chimica Generale

Chimica: definizione e concetti base

Chimica: scienza che studia le proprietà, la composizione e la struttura della materia (cioè come è fatta e come si trasforma in un’altra materia grazie ad effetti energetici).

Filosofi atomisti

Filosofi atomisti (460 a.C.): si può dividere fino agli atomi (palline di colori diversi), raggio 10^-10 m.

Composti e miscugli

Cloruro di sodio (sale da cucina): sodio e cloro. Ad esempio, atomi disposti in maniera ordinata (solido cristallino = atomi disposti in modo ordinato, cioè sempre uguale, nello spazio).

Sostanze

Elemento: sostanza composta da atomi uguali dello stesso tipo.

Diamante: carbonio = in natura esiste sotto forma di (ogni atomo è legato ad altri 4); grafite (ogni atomo è legato ad altri 3). Diamante e grafite sono forme dello stesso elemento con legami chimici diversi (allotropi).

Polimorfismo: sostanza costituita dallo stesso atomo ma con struttura cristallina diversa.

Composto: sostanza composta da almeno 2 tipi di atomi.

Miscele e soluzioni

Miscele/miscugli: es. polvere di zolfo e limatura di ferro, oppure acqua e zucchero. Non sono composti perché ad un fattore esterno si separano. Se entrano in gioco alcune reazioni lo può diventare.

Miscela omogenea = soluzione (es. acqua e zucchero = solvente e soluto. Non è avvenuta una reazione).

Tavola periodica

Tavola periodica: modo di classificare gli elementi in modo ordinato (in natura esistono solo 92 elementi; ogni casella ha un numero atomico).

Atomi e loro struttura

Atomi: costituiti da elettroni (negativi), protoni (positivi) e neutroni (neutri) [gli ultimi due contribuiscono alla massa di un atomo].

Reazioni chimiche

Reazioni chimiche: reagenti -> prodotti. In una reazione chimica il numero di atomi rimane invariato, la massa si conserva (legge della conservazione della massa o legge di Lavoisier); quindi le reazioni devono essere sempre bilanciate. Quando avviene una reazione chimica viene rilasciata energia.

Esperimento di Rutherford

Prese proiettili (particelle alfa) e li sparò su una lamina sottile d’oro. La maggior parte di particelle passavano indisturbate, altre venivano deviate o respinte dalla stessa carica positiva del nucleo. Quindi con questo ha capito che c’è un nucleo carico positivamente attorno al quale “orbitano” gli elettroni.

Numero atomico e massa atomica

• Numero atomico [Z]: numero di protoni nel nucleo.
• Numero di massa [A]: numero di protoni + neutroni nel nucleo.

Isotopi e radioattività

Isotopi: atomi con uguale numero atomico ma diverso numero di massa.

Radioattività, emissioni radioattive: non tutti gli isotopi sono stabili, tendono a trasformarsi in isotopi stabili col tempo, coinvolgendo un cambiamento del nucleo.

Radiazioni elettromagnetiche

• Alfa: vengono sparate fuori dal nucleo.
• Beta: un neutrone può diventare protone buttando fuori un elettrone (particelle beta) cioè carica negativa dal nucleo.
• Gamma: spaccano i legami delle molecole presenti, i vari frammenti non più stabiliti si ricombinano (o come prima o con una mutazione genetica).

Alcuni isotopi instabili radioattivi vengono usati in medicina per diagnosticare problemi alla tiroide ecc.

Datazione con il carbonio

14 C -> isotopo radioattivo tende a trasformarsi in un isotopo dell’azoto, può essere usato per datare i reperti.

Tempo di dimezzamento: tempo necessario in cui un C sparisce e diventa la metà. Quindi con una certa quantità di C so che dopo tot anni è diventato la metà. Vale per tanti tipi di reperti e per tutti gli esseri viventi.

Come ricavare età del reperto

Un mezzo di t (anni)/0,693 x log numero di disintegrazioni al minuto per un grammo di carbonio [d ] /numero di disintegrazioni al campione d’esame [d].

Es: datare un sarcofago egizio, preleviamo 15.0 g di C che presentano 125 disintegrazioni al minuto. d= 125/15g = 8.33 disintegrazioni al minuto. t = 8268 log 15,3/8,33 = 5027 anni.

Peso degli atomi, masse e unità di misura

Unità di massa atomica [u.m.a.]: è un 12esimo della massa di un atomo di 12¹²C = 1,66954 x 10^-27 kg.

Peso atomico e molecolare

• Peso atomico [PA]: è il numero che esprime quante volte la dodicesima parte della massa atomica di ¹²C è contenuta nella massa atomica dell’elemento in questione. Sulla tavola periodica è la media dei pesi degli isotopi di un elemento.
• Peso molecolare [PM]: di una qualsiasi sostanza di formula chimica A_aB_bC_c è: a x PAA + b x PAB + c x PAC.

Esempio: Mg -> 78,99% 23,9850 uma, 25Mg -> 10,00% 24,9858 uma, 26Mg -> 11,01% 25,9826 uma. 23,9850 x 78,99/100 + 24,9858 x 10,00/100 + 25,9826 x 11,01/100 = 24,395 u.m.a. (media pesata della media di ciascun isotopo di un elemento).

Esempio peso molecolare

C₆H₁₂O₆ (glucosio) PM= 6 x PA_C + 12 x PA_H + 6 x PA_O = 6 x 12 + 12 x 1 + 6 x 16 = 180 n.m.a.

Numero di Avogadro e mole

Numero di Avogadro: 6,022 x 10²³ atomi o molecole. Mole = quantità di sostanza che contiene numero di atomi o molecole pari al numero di Avogadro.

Esempio

3H₂ + N₂ = 2H₂O -> 2x2g + 1x28g = 2x17g. Perché 1 mole di H pesa 1 g e 1 mole di N pesa 14g. Quanti H e N devo prendere per preparare 170g di NH₃?

Soluzioni e concentrazioni

Soluzione = solvente (liquido o solido) + soluto (liquido solido gassoso) = miscela omogenea di più o due componenti. Soluzione satura = contiene la massima quantità possibile di soluto in una certa quantità di solvente.

Esempio di solvente solido

Rame e zinco = soluzione solida (soluto quantità minore, solvente quant maggiore).

Concentrazione

Concentrazione = quantità di soluto che ho in una soluzione o in un solvente.

Molarità

Molarità di una soluzione = rapporto tra le moli di soluto e il volume della soluzione (litri) [non detto che sia il V del solvente] = moli di soluto (mol) / V della soluzione (litri) =[M] -1. Es: 3 mol di NaCl in 2L di soluzione -> M = 3mol / 2L = 1,5 molL.

Molalità

Molalità = mol di soluto (mol) / kg di solvente = [m] -1. Es: 2 mol di soluto in 500g di acqua -> m= 2 mol / 0,5 Kg = 4 molKg.

% in peso di soluto

H₂SO₄ 25% in peso (il resto quindi 75% è acqua). Percentuale di soluto contenuta in una soluzione in peso.

Frazione molare

Frazione molare = per esprimere la composizione delle miscele gassose χ = mol di soluto / mol totali. Esempio: ARIA = 21% in moli di O₂ 78% in moli di N₂ 1% in moli di A₂. Χ = mol di O₂ /mol tot di aria (O₂ + N₂ + A₂) = 21 mol / 100 mol = 0,210.

Percentuale in peso

Percentuale in peso = esprime la quantità in grammi di soluto presente in 100 grammi di soluzione. Esempio: 2L di soluzione 1,5M di glucosio. Quanti g di glucosio?

1,5 molL^-1 x 2L = 3 mol. C[concentrazione] = mol / V mol = CxV. PM C₆H₁₂O₆ = 180gmol^-1. gC₆H₁₂O₆ = 180gmol^-1 x 3 mol = 540g.

1L di questa soluzione e voglio fare una soluzione di 18gL^-1 di glucosio. Mol = 18g / 180 gmol^-1 = 0,1 moli. 1,5 M = 1,5 molL^-1. 0,1 mol / 1,5 molL^-1 = 0,0667L -> 66,7 mL.

Struttura di un atomo

Inizio ‘900 Thomson “modello a budino” -> modello strutturale di un atomo. In seguito modificato da Rutherford (esperimento particelle alfa e lamina oro).

Modelli atomici e natura ondulatoria

Modelli scardinati dalle leggi della fisica classica: le particelle generano un campo magnetico (comporta la trasformazione di parte della sua energia per il campo magnetico e quindi diminuisce la velocità e la forza).

Es: orbita di un pianeta ben preciso è dato dalla forza ATTRATTIVA (forza di Coulomb) verso il sole e la forza CENTRIFUGA che dipende dalla velocità (1/2 mv²), cioè energia cinetica. La centrifuga dovrebbe avvicinarsi sempre di più al nucleo fino a schiantarsi addosso. Quindi questo modello è in contraddizione con il modello planetario (legge della fisica classica).

Natura ondulatoria della luce

Una radiazione elettromagnetica, di cui la luce è un caso particolare, può essere considerata come un campo elettromagnetico oscillante che si propaga nello spazio.

Caratteristiche delle onde

• Onda = trasporto di energia attraverso il movimento.
• Lunghezza d’onda λ (m) è la distanza tra due massimi adiacenti.
• Frequenza ν: ν = V/λ (Hz) è il numero di lunghezza d’onda che passano per un punto fisso nell’unità di tempo (1 secondo).

Velocità della luce

• Velocità V
• Velocità della luce c (300000 km/s)
• ν = c/λ c= λ x ν
• E = hν h = costante di Planck = 6.626 x 10^-39 Js

Lo spettro elettromagnetico

Spettro visibile = dispersione della luce nei colori dell’iride. Spettro continuo = dal rosso al viola attraverso un cambiamento graduale di colore.

Spettro a righe dell’idrogeno = non è composto da tutti i colori. L’esistenza di questi spettri è stata spiegata dal modello atomico di Bohr (1913): le leggi della fisica classica non valgono per gli atomi. Gli elettroni si muovono su orbite ben precise e non perde e non acquista energia.

Salto quantico

Salto quantico = può saltare su un’altra orbita se assorbe energia (una quantità ben precisa).

Spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico = intero intervallo di lunghezze d’onda e frequenze delle radiazioni elettromagnetiche e spazia dalle onde radio ai raggi γ.

Quantizzazione dell'energia

L’energia è quantizzata: quantità ben precisa. Se l’energia acquistata è tale da “far volar via” l’elettrone e l’atomo, si dice ionizzato.

Principio di indeterminazione

Principio di indeterminazione: per conoscere la posizione di un elettrone/il valore energetico bisogna perturbarlo.

Orbitale

Orbitale: quella regione dello spazio intorno al nucleo di un atomo, entro la quale vi è per lo meno il 90% di probabilità di trovare l’elettrone. L’orbitale NON è l’area di un cerchio ma il VOLUME DI UNA SFERA.