Chimica Generale - Appunti

Chimica

Scienza che studia la ricombinazione della materia, dove materia è tutto ciò che ha massa e un volume. Le caratteristiche fisiche della materia rappresentano la risposta della materia a variabili fisiche, che alterano solo l’energia della materia, modificando lo stato di aggregazione di quest’ultima. La materia ha anche delle proprietà chimiche, che rappresentano il comportamento di una sostanza nei confronti di altre sostanze con le quali interagisce attraverso processi chimici o reazioni chimiche, cioè processi che tendono a mutare la natura delle sostanze.

Materia

Ogni elemento è un insieme di atomi simili; i composti sono formati da atomi uguali o diversi tra di loro, tenuti insieme da interazioni particolari; la miscela è un insieme di elementi e/o composti. I componenti che costituiscono una miscela omogenea, o soluzione, sono ben amalgamati tra di loro, ma soprattutto hanno delle quantità note. Se questo non avviene e la concentrazione di soluto non è costante in ogni punto della miscela, si ha un miscuglio.

Elementi

Gli elementi sono alla base della materia e sono costituiti da atomi simili tra di loro. L’atomo è la più piccola parte di materia che contiene le caratteristiche chimiche e fisiche che permettono di individuare a quale elemento appartiene. In tutto sono noti 109 elementi. L’atomo è formato da un nucleo con spazio circostante e pesa circa 10^-27 kg; nel nucleo vi sono i nucleoni (protoni e neutroni): ogni protone ha una carica positiva è una determinata massa, ogni neutrone è neutro elettricamente, ma ha massa. All’esterno dell’atomo vi sono gli elettroni, studiabili sia come particelle che come onde, caratterizzati da una carica negativa e una massa 2000 volte più piccola di protoni e neutroni, quindi non influente sulla massa totale dell’atomo, determinata esclusivamente dai nucleoni.

Tutti gli elementi noti adesso, esclusi i gas nobili, non esistono in natura allo stato atomico, poiché tendono a combinarsi a formare i diversi composti che costituiscono la materia. Nell’ipotetica condizione di atomo allo stato fondamentale, tutti gli atomi sono neutri. Dalla disposizione degli elettroni all’esterno del nucleo dipende la reattività dell’atomo. Ogni nuclide è caratterizzato da un numero atomico e un numero di massa.

A = numero di massa (protoni più neutroni)
Z = numero di protoni (numero atomico)

L’idrogeno ha numero atomico 1 e contiene un protone, nessun neutrone e un elettrone: ha numero di massa uguale a 1. Esistono, tuttavia, un nuclide di idrogeno con numero atomico 1 e numero di massa 2, denominato deuterio, isotopo dell’idrogeno: gli isotopi si differenziano tra di loro solo per il numero di massa. Il trizio è l’isotopo radioattivo dell’idrogeno con numero di massa 3. Il carbonio ha numero atomico 6, quindi 6 elettroni e protoni, e numero di massa 12. È noto, tuttavia, anche l’isotopo C¹⁴, con due neutroni in più nel nucleo. La presenza di isotopi giustifica il fatto che ogni elemento è formato da atomi simili, ma non sempre uguali.

Nella formazione degli elementi hanno ruolo fondamentale gli elettroni, poiché un atomo può perdere o prendere elettroni attraverso trasformazioni chimiche che comportano un passaggio di energia. Quando un atomo perde o prende elettroni si trasforma in uno ione con carica positiva (catione) o con carica negativa (anione). Ogni volta che un atomo acquista elettroni si ha una reazione di riduzione, ogni volta che cede elettroni si ha una reazione di ossidazione.

Lo ione è molto reattivo e quindi sollecitato ad avere interazioni chimiche, tuttavia, dal punto di vista energetico è più stabile dell’atomo di partenza, poiché nel passaggio da atomo a ione vi è variazione di energia.

Massa della materia

Lo scopo fondamentale del chimico è quello di poter pesare la materia e comprendere le ricombinazioni di quest’ultima. La massa dell’atomo è di 10^-27 kg, mentre quella di un composto è circa 10^-18 kg, masse entrambe non pesabili direttamente. Per istituire un’unità di misura di massa atomica è stato preso il C¹². Ogni elemento è caratterizzato da una massa atomica media assoluta. Dividendo la massa atomica media assoluta del carbonio in dodici parti si ottiene 1,66x10^-27 kg, ovvero la costante di unità di massa atomica (1U). La massa atomica media assoluta dell’idrogeno è 1,67x10^-27 kg, quindi la massa atomica media relativa (o peso atomico) dell’idrogeno è 1,008U.

Per poter pesare la materia si è introdotto il concetto di mole: la quantità di materia che entra in gioco nelle reazioni chimiche, pari al P_A dell’atomo o al P_M della molecola espresso in grammi. Una mole di ogni elemento o composto contiene lo stesso numero di particelle, determinato dalla costante di Avogadro: 6,022x10²³ particelle/mole.

Distribuzione degli elettroni

L’orbitale è la zona dove c’è la massima probabilità di trovare degli elettroni; gli orbitali sono caratterizzati da energia e forma diversa tra di loro. L’elettrone ruota nella sua traiettoria seguendo la sua funzione d’onda: se nella funzione vengono inseriti dei valori, chiamati numeri quantici, si possono ottenere informazioni sulla traiettoria dell’elettrone. I numeri quantici sono quattro, i primi tre si riferiscono all’energia e alla forma dell’orbitale:

• n: numero quantico principale. Può assumere tutti i valori interi 1→7 per quanto riguarda gli elementi in natura. Indica la zona dove si collocano gli elettroni.
• l: numero quantico secondario. Può assumere tutti i valori interi 0→n-1. Indica la forma degli orbitali.
• m: numero quantico magnetico. Può assumere tutti i valori interi da –l→+l. Indica l’orientamento nello spazio dell’orbitale.
• s: numero quantico di spin. Può assumere solo valori +1/2 o -1/2 e riguarda il senso della rotazione dell’elettrone.

NUMERO QUANTICI
N=1 Orbitale S (n=1; l=0; m=0)
N=2 Orbitale S (n=1; l=0; m=0) 3 Orbitali P (n=2; l=1; m=-1,0,+1)
N=3 Orbitale S (n=1; l=0; m=0) 5 Orbitali D (n=3; l=2; m=-1,-1,0,1,2)

• Per l=0 si ha un orbitale di tipo “s” con forma sferica.
• Per l=1 si ha un orbitale “p”, che può essere di tre tipi (m=-1;0;+1) e ha forma bilobata.
• Per l=2 si ha un orbitale “d”, che può essere di cinque tipi (m=-2;-1;0;+1;+2) con forma varia.

Ogni elettrone non può avere tutti e quattro i numeri quantici uguali a un altro elettrone, quindi, sullo stesso orbitale, possono esserci al massimo due elettroni, solo se hanno numero di spin diverso. Gli atomi prima occupano un orbitale, con un elettrone, poi lo saturano, aggiungendo il secondo, quando tutti gli orbitali a pari livello energetico sono occupati. Due elettroni posizionati sullo stesso orbitale prendono il nome di coppia di elettroni o doppietto. È molto più stabile un orbitale con due elettroni e, se l’orbitale è incompleto, l’atomo cercherà di perdere o acquistare un elettrone al fine di avere l’ultimo orbitale con un doppietto; a maggior stabilità corrisponde minor contenuto energetico.

Proprietà periodiche

Il raggio atomico è la distanza tra il nucleo e l’ultimo orbitale che l’atomo riempie con gli elettroni a sua disposizione. Gli elementi dello stesso gruppo hanno uguale numero di elettroni nel livello più esterno, ma il raggio aumenta scendendo il gruppo; invece, scendendo il periodo, con l’aumento della carica negativa, gli orbitali si compattano maggiormente attorno al nucleo riducendo il raggio atomico.

L’energia di ionizzazione è l’energia richiesta per privare un atomo dell’elettrone dallo strato più esterno degli orbitali di quest’ultimo. Se si priva l’atomo di un solo elettrone si parla di energia di prima ionizzazione, se l’atomo perde un secondo elettrone si parla di energia di seconda ionizzazione. L’energia di ionizzazione diminuisce scendendo il gruppo e aumenta lungo il periodo.

L’elettronegatività è la tendenza di un atomo di attirare a sé gli elettroni di legame. L’elettronegatività aumenta lungo il periodo e diminuisce lungo il gruppo, insieme all’affinità elettronica.

Il numero di ossidazione è la carica fittizia positiva o negativa che si attribuisce nel contesto di un composto ipotizzando che gli elettroni di legame siano più spostati verso un elemento. Dalla formula generale di un composto si può calcolare il numero di ossidazione:

• In una molecola formata da atomi uguali, come le molecole biatomiche, il N.O. è uguale a 0.
• La somma algebrica dei numeri di ossidazione degli atomi che costituiscono la molecola è uguale a 0.