Chimica Generale - Appunti 1 prova itinere

Teoria atomica della materia

Cosa studia la chimica?

La chimica studia le proprietà delle sostanze e le reazioni che le trasformano in altre sostanze.

È una scienza sperimentale, basata quindi sui fatti, che analizza le cause microscopiche delle diverse proprietà macroscopiche che osserviamo nella materia.

Definizioni

Materia: ogni cosa che ha massa/volume e possiede energia.

Energia: attitudine a compiere lavoro.

Proprietà fisiche: proprietà che una sostanza presenta in se stessa, senza che si trasformi in un'altra sostanza.

Es.: punto di fusione/ebollizione, densità, massa, temperatura, durezza, conducibilità, colore, etc.

Trasformazione fisica: cambiamento non permanente delle proprietà fisiche di una sostanza (nessuna variazione della composizione chimica).

Es.: fusione del ghiaccio: variano proprietà fisiche come durezza, densità, viscosità etc., non la composizione.

Proprietà chimiche: proprietà della sostanza associate alla capacità di trasformarsi in un'altra sostanza.

Es.: infiammabilità, corrosività, reattività verso gli acidi, tossicità, etc.

Trasformazione o reazione chimica: quando una o più sostanze si convertono in una o più sostanze differenti.

Es.: imbrunimento di un frutto, digestione del cibo, etc.

La materia è omogenea se uniforme in tutti i punti, altrimenti si dice eterogenea; se omogenea può essere separabile con metodi fisici (miscela omogenea) oppure essere una sostanza scomponibile con metodi chimici (composto), o meno (elemento).

Tecniche di separazione delle miscele eterogenee

Solido in liquido = sospensione.

• Decantazione: si usa per separare i componenti di una sospensione (Es. sabbia in acqua).
• Centrifugazione: usato quando il solido resta in sospensione per tempi lunghi. Si sfrutta la forza centrifuga che spinge le particelle di solido, più dense, verso il fondo del contenitore (provetta). Il liquido, rimasto al di sopra, viene poi decantato.
• Filtrazione: metodo per separare, attraverso filtri, i materiali solidi da un miscuglio liquido o gassoso.

Definizioni

Elemento: tipo di sostanza che non può essere scomposta in sostanze più semplici con mezzi fisici e chimici a bassa energia. Ogni elemento ha un nome unico, come carbonio, ossigeno, idrogeno.

Molte sostanze esistono in natura in forma elementare.

Tavola periodica degli elementi

Elementi chimici ordinati sulla base del loro numero atomico (ovvero il numero di elettroni presenti negli orbitali atomici).

È stata ideata da Mendeleev nel 1869, inizialmente provvista di numerosi spazi vuoti, previsti per gli elementi che sarebbero stati scoperti in futuro. Chimica Generale Pagina 1

Composto: sostanza formata da due o più elementi che sono chimicamente combinati.

Un composto non è semplicemente una mescolanza di elementi; gli atomi sono legati da legami chimici, con formazione di una nuova sostanza.

Es.: acqua, ammoniaca, anidride carbonica.

Il rapporto in massa tra gli elementi in un composto è fisso.

Es. Ammoniaca, ha un rapporto in massa fisso di 14 parti di azoto per 3 parti di idrogeno.

Miscela: gruppo di due o più elementi e/o composti che sono fisicamente interconnessi.

I componenti non sono chimicamente legati assieme.

Il rapporto in massa dei composti può variare ampiamente.

Es.: una miscela di sale e acqua può avere qualsiasi arbitraria proporzione dei due componenti.

La visione atomica della materia

1. Tutta la materia è costituita da atomi.
2. L'atomo è la più piccola particella di un elemento capace di partecipare ad una reazione.
3. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono uguali.
4. Gli atomi di diversi elementi sono diversi tra loro.
5. Un composto è costituito da atomi di elementi diversi combinati in proporzioni fisse.

La materia è formata da atomi indivisibili di massa diversa da elemento a elemento.

La combinazione dei vari elementi in rapporti espressi da numeri interi semplici porta alla formazione dei composti.

Legge di Lavoisier

"In una reazione chimica la massa totale si conserva"

La somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti:

Legge delle proporzioni definite

"Un composto chimico è formato da elementi sempre nella stessa proporzione in peso, indipendentemente da come sia stato sintetizzato"

Indipendentemente dall'origine, la % in massa di ciascuno degli elementi costituenti un composto è sempre la stessa.

La % di massa di un elemento è la percentuale sulla massa totale di una data quantità di un composto dovuta a quell'elemento.

Legge delle proporzioni multiple

Due elementi si combinano tra loro per formare composti diversi secondo rapporti espressi da numeri interi generalmente piccoli.

La legge delle proporzioni multiple conferma essenzialmente la indivisibilità degli atomi che infatti si combinano sempre come interi, ma il solo rapporto ponderale di combinazione non consente di determinare univocamente il peso atomico degli elementi.

L'ipotesi di Avogadro aprì la strada alla soluzione di un problema fondamentale della chimica: la determinazione dei pesi molecolari e dei pesi atomici relativi introducendo sostanzialmente il concetto di molecola.

Legge di Avogadro

"Volumi uguali di gas, alla stessa pressione e temperatura, contengono ugual numero di molecole."

Considerando la teoria atomistica di Dalton, le particelle dei gas venivano identificate con gli atomi stessi, ma questa ipotesi non era in accordo con i dati sperimentali.

Questo viene spiegato ipotizzando che le varie particelle siano costituite da molecole anziché da atomi.

Pesi molecolari e pesi atomici

L'ipotesi di Avogadro consentì di giungere alla determinazione dei pesi molecolari e dei pesi atomici relativi.

Atomo

Raggio atomico.

Raggio nucleare.

L'atomo è costituito da elettroni e nucleo, quest'ultimo costituito da protoni e neutroni.

Struttura atomica

Nucleo: possiede praticamente tutta la massa dell'atomo ed è formato da protoni (carica positiva) e da neutroni (nessuna carica) che hanno massa molto simile.

Elettroni: hanno una massa praticamente trascurabile rispetto a quella di protoni e neutroni ed hanno carica negativa. Ruotano intorno al nucleo.

Tutti gli atomi di un certo elemento contengono nel nucleo lo stesso numero di protoni.

Atomi dello stesso elemento possono contenere un numero diverso di neutroni (isotopi).

N S N: numero atomico.

S: sigla.

NOME.

Isotopi: hanno nel nucleo lo stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni.

Numero atomico: numero di protoni (particelle carica positivamente) presenti nel nucleo. (6)

Massa atomica: numero di particelle presenti nel nucleo (protoni + neutroni).

Pedice: indica se in natura l'elemento è presente in forma monoatomica o poliatomica (1).

Fase: fisica dell'elemento in condizioni standard.

Carica ionica: positiva o negativa (per iodi) o ( ).

Numero di ossidazione: per specie neutro.

Unità di massa atomica della massa atomica di un isotopo del carbonio, contenente neutroni nel nucleo.

Molecole

La massa molecolare relativa (adimensionale) di una molecola è la somma delle masse atomiche relative degli atomi che la costituiscono.

Stechiometria

È il ramo della chimica che studia le relazioni numeriche fra elementi e composti e le proporzioni secondo le quali gli elementi e i composti si combinano e prendono parte alle reazioni chimiche.

Numero di Avogadro

Il numero esatto di atomi contenuti in 12 grammi dell'isotopo 12 del carbonio:

Mole: quantità di materia che contiene un numero di Avogadro di particelle, la quantità in grammi di un atomo o di una molecole pari alla sua massa atomica o molecolare.

Equazioni chimiche

Tipi di reazione: combustione, acido-base, red-ox, precipitazione. Chimica Generale Pagina 4

Meccanica quantistica

Teoria atomica

Le reazioni chimiche non riescono a mutare gli atomi di un elemento in quelli di un altro: nel corso delle reazioni chimiche gli atomi non si creano né si distruggono.

I composti traggono origine dalla combinazione di atomi di almeno due elementi.

Struttura atomica

Nel 1897 J.J. Thomson scopre che i raggi catodici sono elettroni di cui riesce a determinare massa carica.

Nel 1896 viene scoperta la radioattività (Becquerel), gli studi di Marie e Pierre Curie portano alla scoperta del polonio e del radio.

Nel 1909 Rutherford identifica il nucleo negli atomi.

Elettricità e radioattività

L'osservazione di Marie Curie contraddisse le ipotesi di Dalton sull'indivisibilità degli atomi, cioè stabilì che gli atomi sono formati da particelle subatomiche più piccole degli atomi stessi.

Dall'esperimento con la latra si nota che il raggio sembra essere deviato, il che stabilisce che gli atomi son fatti di particelle cariche elettromagneticamente.

Raggi catodici

Applicando un voltaggio sufficientemente alto un raggio catodico fluisce dall'elettrodo negativo (catodo) all'elettrodo positivo (anodo).

I raggi catodici:

• Viaggiano in linea retta.
• Causano la luminescenza dei gas.
• Riescono a scaldare oggetti metallici fino all'incandescenza.
• Sono attratti da piastre cariche positivamente.
• Possono essere deflessi da un campo magnetico.

Esperimento di Millikan: unità fondamentale della carica (carica dell'elettrone):

Questo consentì di calcolare la massa dell'elettrone.

Modello atomico di Thomson

Poiché l'atomo è elettricamente neutro, la carica negativa data dagli elettroni deve essere bilanciata da una carica elettrica positiva.

Thomson pensò che questa carica positiva dovesse essere contenuta indistintamente in modo uniforme, nella vasta regione di spazio dell'atomo non occupata dai minuscoli elettroni.

Questo modello atomico viene definito ad anguria o a panettone. Chimica Generale Pagina 5

Esperimento di Rutherford per determinare la struttura dell'atomo

Un fascio di particelle cariche positivamente viene diretto verso un sottile foglio d'oro. Uno schermo fluorescente ricoperto di fluoruro di zinco ( ) venne usato per rivelare le particelle che oltrepassavano la lamina. La maggior parte delle particelle attraversavano il sottile foglio d'oro, ma alcune di esse venivano deflesse dal loro tragitto, mentre poche venivano deflesse all'indietro.

Struttura atomica

Nucleo: possiede praticamente tutta la massa dell'atomo ed è formato da protoni (carica positiva) e da neutroni (nessuna carica), che hanno massa molto simile.

Elettroni: hanno una massa praticamente trascurabile rispetto a quella di protoni e neutroni ed hanno carica negativa.

Si trovano nello spazio intorno al nucleo.

Modello planetario

Forza centrifuga: forza di gravitazione tra sole e pianeta.

Modello atomico semi-quantistico

Spettri a righe degli atomi, Radiazione del corpo nero, Effetto Fotoelettrico Modello atomico di Bohr.

Onde elettromagnetiche: n° di onde complete che passano in un dato punto in un certo intervallo di tempo.

Ampiezza: spostamento del massimo dell'oscillazione dalla condizione di assenza di perturbazione.

Lunghezza d'onda: distanza tra due massimi (o minimi) successivi (dimensioni m).

Frequenza: numero di massimi (o minimi) che passano per un determinato punto in ogni secondo (dimensioni ).

Velocità:

Onde stazionarie

Onda che non si propaga, si può avere solo un'oscillazione nel tempo (es. corde di una chitarra).

La distanza tra i due punti è sempre.

Un'onda stazionaria possiede almeno 2 nodi (estremità della corda). Chimica Generale Pagina 6

Poiché le estremità della corda sono fisse, sono possibili solo le oscillazioni per le quali la lunghezza della corda corrisponde ad un numero intero di semi-lunghezza d'onda.

Onde stazionarie circolari: nella circonferenza deve essere contenuto un numero intero di lunghezze d'onda.

Es. onde nell'acqua.

Esp, saggio alla fiamma

Nel saggio alla fiamma è il calore a fornire energia per scatenare la reazione.

Spettro del corpo nero e quantizzazione dell'energia

Planck ipotizzò che fossero gli atomi (oscillatori) dell'oggetto incandescente a originare, vibrando, la radiazione elettromagnetica emessa.

Equazione di Planck.

Effetto fotoelettrico Energia cinetica dell'elettrone libero.

Modello atomico di Bohr

Modello planetario quantizzato. Si ha orbita per un elettrone quando:

Forza attrattiva tra forza centrifuga della rotazione = nucleo ed elettrone dell'elettrone intorno al nucleo.

Momento angolare multiplo intero della costante = dell'elettrone di Planck.

Nel movimento intorno al nucleo l'elettrone non può assumere qualunque posizione, ma si muove secondo orbite discrete.

L'elettrone cioè può trovarsi solo ad alcuni specifici valori di distanza dal nucleo.

Energia potenziale dell'elettrone nell'n-esimo livello:

All'aumentare di il valore dell'energia diventa meno negativo (l'energia aumenta).

Al crescere del valore di la distanza dal nucleo aumenta.

Raggio di Bohr: raggio della prima orbita elettronica =

Assorbimento di energia da parte di un atomo quando l'elettrone passa ad uno stato eccitato.

Quando l'elettrone passa dallo stato con allo stato è assorbita energia ( ).

Quando l'elettrone ritorna allo stato con dallo stato , l'energia è emessa ( .

La variazione di energia è di .

I livelli energetici dell'atomo di idrogeno sono quantizzati: possono essere acquistate o liberate solo certe quantità (ben precise) di energia.

L'atomo può assorbire soltanto le stesse frequenza elettromagnetiche che emette. Chimica Generale Pagina 7

Il modello atomico di Bohr non è in grado di interpretare spettri atomici polielettronici, perché in questo modello l'elettrone non obbedisce alle leggi della classica, ma gli viene comunque attribuito un comportamento definito (posizione e velocità).

Dualismo onda-materia: ad ogni particelle di massa che si muove con velocità , è associata un'onda di lunghezza.

Conseguenza: ad ogni elettrone in un atomo può essere associata un'onda stazionaria circolare localizzata intorno al nucleo.

Onda di probabilità

L'ampiezza dell'onda che associamo a un qualunque oggetto caratterizzato da una quantità di moto è proporzionale alla probabilità di localizzare l'oggetto in una determinata zona dello spazio.

Il concetto di probabilità sostituisce quello di cono