Chimica generale e inorganica

I concetti alla base della chimica

La chimica e i suoi metodi

La chimica si occupa delle trasformazioni della materia, studia le trasformazioni di una singola sostanza pura, naturale o artificiale, in un’altra, a livello atomico e molecolare.

L'importanza della chimica nelle scienze biologiche

Le proprietà chimico-fisiche delle molecole studiate dipendono dalla disposizione relativa nello spazio degli atomi della molecola vincolati dai legami covalenti.

Tappe dei chimici per la ricerca scientifica

Effettuano dei test preliminari da cui riusciranno a formulare un’ipotesi. Successivamente effettuano degli esperimenti, in cui raccolgono informazioni qualitative e quantitative. Dopo numerosi esperimenti l’ipotesi originale, se esatta, può diventare legge. Una volta formulata la legge si può enunciare una teoria che spiega un insieme di fatti e leggi basato su di essi.

Le discipline chimiche

Storicamente la chimica era suddivisa in diverse discipline: organica, inorganica, e chimica-fisica, che studia i sistemi chimici applicando delle metodologie tipiche della disciplina fisica.

Gli stati di aggregazione della materia e la teoria cinetica molecolare

Lo stato di aggregazione, può essere solido, che possiede una forma propria e un volume definito, liquido, che ha un volume fisso ma la forma è determinata dal recipiente e gas, anch’essi fluidi, non hanno un volume fisso ma esso varia con la dimensione del contenitore. I passaggi di stato sono accompagnati da variazioni di volume. Tutta la materia è formata da particelle estremamente piccole in continuo movimento: nei solidi le particelle vibrano intorno alla posizione di equilibrio; in un liquido le particelle possono muoversi liberamente e nei gas le particelle sono distanti tra loro e possono muoversi in modo e casuale. L’aumento della temperatura fa aumentare la velocità delle particelle.

La materia a livello macroscopico e particellare

Il mondo macroscopico è osservabile direttamente ed è il livello degli atomi, delle molecole e degli ioni, detto microscopico o particellare.

Le sostanze pure

Una sostanza è pura quando ha una combinazione costante degli elementi chimici di cui è composta e non può essere separata in due o più sostanze diverse a temperatura ambiente attraverso tecniche fisiche.

Miscele omogenee ed eterogenee

Una miscela con una struttura non uniforme è eterogenea, miscela in cui le proprietà di una regione sono differenti da quelle di un’altra. Una miscela omogenea è formata da due o più sostanze nella stessa fase.

Elementi ed atomi

Esistono 117 elementi, di cui 90 naturali, tutti riportati nella tavola periodica. Democrito introdusse il concetto di atomo e formulò la teoria delle proporzioni multiple: se due elementi si combinano tra loro per dare composti diversi, i rapporti delle masse dei vari composti sono tra loro relazionati da numeri interi. Questa teoria assieme alle teorie di Lavoisier, legge della conservazione delle masse (Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma), e di Proust, legge delle proporzioni definite (Quando due o più elementi reagiscono, per formare un determinato composto, si combinano sempre secondo proporzioni in massa definite e costanti) portarono Dalton a formulare i principi della teoria atomica:

• La materia ha una natura discontinua ed è costituita da atomi;
• Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro;
• Gli atomi dei vari elementi possono essere distinti gli uni dagli altri dai rispettivi pesi relativi;
• Un determinato composto ha sempre lo stesso numero e tipo di atomi;
• Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.

Benjamin Franklin e altri scienziati

Benjamin Franklin dimostrò la complementarità delle cariche positive e negative e alla loro associazione con la materia. Thomson misurò il rapporto carica/massa dell'elettrone mentre Millikan determinò la carica dell'elettrone. Rutherford definì i protoni. James Chadwick caratterizzò il neutrone.

Composti e molecole

Una sostanza pura, composta da due o più elementi differenti tenuti insieme da un legame chimico, detto composto chimico. La composizione di un composto è rappresentata dalla sua formula chimica.

Proprietà fisiche e chimiche

Le proprietà fisiche possono essere osservate e misurate senza variare la composizione della sostanza. Le proprietà chimiche indicano se, e a volte come, una sostanza subisce una trasformazione chimica quando viene a contatto con un’altra.

Le trasformazioni fisiche e chimiche

Le trasformazioni fisiche sono delle variazioni delle proprietà fisiche, in queste trasformazioni l’identità di una sostanza viene conservata. Nelle trasformazioni chimiche i reagenti vengono trasformate in prodotti.

Le unità di misura

Per registrare e riportare le misure si utilizza il Sistema Internazionale (SI). Le scale per misurare la temperatura: scala Celsius e Kelvin. La scala di temperatura Celsius assegna il valore 0 al punto di congelamento dell’acqua pura (0°C) e 100 al suo punto di ebollizione (100°C). La scala di temperatura Kelvin: assegna lo zero alla temperatura più bassa, noto come zero assoluto, corrispondente a −273,15° C. L’unità di misura della lunghezza è il metro. Per il volume, il litro. La massa di un corpo è misurata con il chilogrammo (kg).

Le misure: precisione, accuratezza, errore sperimentale e deviazione standard

La precisione di una misura indica quanto sono in accordo fra di loro diverse determinazioni della stessa quantità, espressa con la deviazione standard. L’accuratezza rappresenta l’accordo che c’è fra la misura e il valore accettato, è spesso espressa mediante l’errore percentuale.

La matematica e la chimica

La notazione esponenziale: N x 10ⁿ in cui n è positivo se il numero è maggiore a 1 e negativo se inferiore. Le cifre significative sono le cifre esattamente osservate con lo strumento di misura, non sono significativi:

• Numeri decimali con zeri che compaiono prima delle cifre significative;
• Numeri in cui vi siano zeri finali, cioè gli zeri in cui è aggiunto un punto sulla destra. È importante ricordare che il risultato non può essere più preciso del meno preciso dei dati usati per calcolarlo.

Gli atomi, le molecole e gli ioni

Descrizione degli atomi

Gli atomi sono formati da tre tipi di particelle subatomiche: i protoni, dotati di carica positiva, i neutroni, privi di carica elettrica, e gli elettroni, dotati di carica negativa, i protoni e i neutroni, si trovano in un nucleo molto piccolo mentre gli elettroni circondano il nucleo. Il numero atomico è il numero di protoni in un elemento rappresenta il numero atomico, il cui simbolo è Z. Le masse delle particelle espresse in unità di massa atomica (u) che è un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio con sei protoni e sei neutroni. La somma del numero dei protoni più quello dei neutroni viene chiamata numero di massa ed è indicata col simbolo A. Gli atomi con lo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa sono chiamati isotopi. Le masse degli isotopi e le loro abbondanze percentuali si determinano sperimentalmente usando uno spettrometro di massa. Il peso atomico di un elemento è la massa media di un campione rappresentativo di atomi. Nella tavola periodica gli elementi con proprietà chimiche fisiche simili si trovano in colonne (verticali) chiamate gruppi o famiglie. I gruppi A sono gruppi principali e quelli B sono i gruppi degli elementi di transizione. Le righe (orizzontali) della tavola sono chiamate periodi. La tavola periodica può essere divisa in metalli, non metalli e metalloidi (o semimetalli). Il gruppo 1A, sono metalli alcalini. Il gruppo 2A, è composto da metalli e la maggior parte dei loro ossidi formano soluzioni alcaline, noti come metallo alcalino-terrosi. Il gruppo 3A contiene metalli e un metalloide. Il gruppo 4A contiene un non metallo, due metalloidi e due metalli, lo stagno e il piombo. Nel gruppo 5A ci sono non metalli, metalloidi e un metallo. Nel gruppo 6A ci sono i calcogeni, che sono non metalli, un metalloide e un metallo. Gli elementi del gruppo 7A sono metalli noti come alogeni. Gli elementi del gruppo 8A sono gas nobili. I gruppi B sono tutti metalli. Nelle due righe in fondo alla tavola si trovano i lantanidi e gli attinidi.

Formule dei composti

La formula molecolare indica da quali e da quanti atomi è composta. La formula estesa mette in evidenza come siano legati tra loro. Le formule di struttura mostrano come gli atomi siano legati tra loto nella molecola. Se un atomo cede un elettrone risulta un catione. Se un atomo acquista uno o più elettroni risulta un anione. Il risultato dipende dal fatto che l’elemento sia un metallo o un non metallo in quanto i metalli danno origine a cationi, mentre i non metalli danno origine ad anioni. I metalli dei gruppi 1A – 3A formano ioni positivi con carica pari al numero del gruppo di appartenenza. I metalli dei gruppi 1A, 2A e 3A formano ioni che hanno cariche 1+, 2+, 3+. Nelle formule dei composti ionici si scrive prima il simbolo del catione seguito dall’anione.

Le proprietà dei composti organici

Quando una carica negativa avvicina una carica positiva si manifesta una forza attrattiva; mentre all’avvicinarsi di due cariche dello stesso segno, si manifesta una forza repulsiva. Queste forze sono elettrostatiche e secondo la legge di Coulomb la forza di attrazione tra ioni di carica opposta aumenta con l’aumento della carica dello ione. La formula dei composti ionici semplicemente esprime il rapporto minimo tra cationi e anioni. La maggior parte dei composti ionici, a causa della struttura reticolare, sono solidi “duri”, cioè non possono essere né piegati né resi teneri. A temperatura ambiente i composti ionici sono generalmente solidi mentre quelli molecolari sono liquidi, gassosi o solidi. I composti molecolari sono dati dalla combinazione di due non metalli.

Gli atomi, le molecole e la mole

La mole è l’unità di misura SI per una quantità di sostanza, che contiene un numero di Avogadro: 1 mole = 6.0221415 x 10²³ particelle. La massa in grammi di una mole rappresenta la sua massa molare, indicata con M, e (g/mol). Le masse molari sono note con almeno quattro cifre significative. Nei composti ionici è più corretto parlare di peso formula invece che di peso molecolare.

Conversione mole ↔ massa

• Moli x (grammi/1 mol) = grammi
• Grammi x (1 mol/ grammi) = moli

La composizione percentuale

Può essere espressa attraverso la formula del composto, attraverso il numero di ciascun tipo di atomo per molecola o per unità formula; attraverso la massa di ciascun elemento per mole di composto o attraverso la percentuale in massa. Per ottenere la formula (empirica o molecolare) dalla composizione percentuale: convertire in massa la percentuale in peso; convertire la massa di ciascun elemento in moli; calcolare il rapporto molare tra i componenti. Il più piccolo rapporto è la formula empirica. La formula molecolare fornisce il numero relativo di atomi di ciascun elemento presenti in una molecola. I composti idrati sono dei composti ionici preparati in soluzione acquosa e poi isolati come solidi i cui cristalli contengono spesso delle molecole d’acqua intrappolate nel reticolo.

Nomenclatura

L’ossigeno ha sempre numero di ossidazione -2, nei composti binari. Gli ossidi dei non metalli sono anidridi. Gli ossidi dei non metalli reagendo con l'acqua, generano acidi ossigenati (ossiacidi). Gli ossidi dei metalli hanno proprietà basiche, che reagendo con l'acqua generano idrossidi. Gli ossiacidi si scrivono secondo lo schema HXO, hanno desinenza –oso, ha il numero di ossidazione minore tra quelli possibili, mentre, la desinenza -ico indica il numero di ossidazione maggiore. Hanno prefissi ipo- (per indicare il no. ox. più basso) e per- (per indicare quello più alto). Nei sali le desinenze -oso e -ico diventano rispettivamente -ito e –ato. Il diverso contenuto di molecole d'acqua, tale distinzione si fa mediante i prefissi meta-, orto- e piro- (o di-); orto è l'acido che contiene il maggior numero possibile di molecole d'acqua, meta l’acido contiene una molecola d'acqua in meno rispetto all'orto. Il termine di (o piro) si usa invece per indicare gli ossiacidi che derivano dalla condensazione di due molecole di un ortoacido. Tioacidi: sostituzione di un O con S in un ossiacido. Perossoacidi: la sostituzione di -O- con -O-O-. Idrossidi: sono composti ternari formati da H, O e un metallo che si scrivono secondo lo schema XOH. Gli idrossidi dei metalli alcalini sono basi forti. I composti binari dell'Idrogeno e sono divisi in: idruri metallici, dei gruppi IA e IIA, idruri covalenti, elementi dal IV gruppo, e idracidi, del VI e del VII gruppo, per la loro nomenclatura la IUPAC raccomanda l'uso alternativo di anione-uro di idrogeno; inoltre i sali che derivano dagli idracidi, cambiano il suffisso -idrico in -uro.

Le reazioni chimiche

Un’equazione chimica bilanciata rappresenta una reazione, in cui i reagenti sono scritti a sinistra della freccia e i prodotti vengono scritti a destra della freccia. Di fianco alle formule viene indicato, tra parentesi, lo stato fisico. I numeri che precedono ciascuna formula possono essere numeri di atomi, molecole o unità formula ma possono riferirsi alle quantità in moli dei reagenti e dei prodotti. E i coefficienti in una reazione chimica bilanciata sono i coefficienti stechiometrici. Il bilanciamento delle equazioni garantisce che in entrambi i membri sia presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento. Le reazioni chimiche sono reversibili e molte reazioni portano ad una parziale trasformazione dei reagenti in prodotti. Quando le quantità di reagenti e prodotti si stabilizzano, la reazione ha raggiunto l’equilibrio chimico. Se la reazione diretta e quella inversa continuano ad avvenire (ad uguale velocità) viene detta equilibrio dinamico con ↔ tra prodotti e reagenti. Le reazioni che favoriscono i prodotti sono le reazioni in cui i reagenti sono trasformati in prodotti. Le reazioni che favoriscono i reagenti sono quelle in cui solo una piccola frazione dei reagenti viene trasformata. Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze, di cui una è il solvente, cioè il mezzo in cui è disciolta un’altra sostanza, il soluto. La dissoluzione di un solido ionico richiede la separazione di ciascuno ione da quelli di carica opposta che lo circondano nel solido. Gli ioni circondati dalla molecola d’acqua sono liberi di muoversi nella soluzione. I composti le cui soluzioni acquose conducono elettricità sono detti elettroliti. I composti le cui soluzioni non conducono elettricità sono dette non elettroliti. Una reazione di precipitazione produce un composto insolubile in acqua chiamato precipitato. Una reazione può essere rappresentata con un’equazione ionica completa, che include gli ioni spettatori. Se, invece, si trascurano gli ioni spettatori l’equazione prende nome di equazione ionica netta. Secondo Arrhenius un acido è una sostanza che disciolta in acqua aumenta la concentrazione degli ioni idrogeno, H+, in soluzione; mentre una base è una sostanza che disciolta in acqua aumenta la concentrazione di ioni idrossido, OH-, in soluzione. La forza di un acido è in relazione al grado di ionizzazione dello stesso, acidi completamente ionizzati sono elettroliti forti e vengono detti acidi forti, quelli ionizzati parzialmente, invece, sono elettroliti deboli e sono chiamati acidi deboli. Per Bronsted e Lowry un acido è un donatore di protoni, mentre una base è un accettore di protoni. La reazione acido-base all’equilibrio favorisce l’acido e le basi più deboli. In una reazione in cui è presente un acido forte, ionizzato completamente, l’equilibrio favorisce decisamente i prodotti; se l’acido è debole, ionizzato non completamente, l’equilibrio favorisce i reagenti. Le specie anfiprotiche sono specie che assumono un comportamento da acido o da base a seconda della reazione. Le reazioni tra acidi forti e basi forti sono dette reazioni di neutralizzazione perché quando la reazione è completata la soluzione è neutra. Nelle reazioni redox un elemento, detto agente riducente, provoca la riduzione della carica elettrica di un’altra sostanza in quanto quest’ultima accetta elettroni l’agente ossidante, che provoca l’ossidazione di una sostanza facendone aumentare la carica elettrica in quanto cede elettroni. Il numero di ossidazione di un atomo ha ogni atomo di un elemento puro ha numero di ossidazione pari a zero.

Ossidoriduzioni

Nelle redox la specie che perde gli elettroni è la specie che si ossida, cioè aumenta il suo numero d’ossidazione, mentre la specie che acquista gli elettroni è la specie che si riduce, cioè, diminuisce il suo numero di ossidazione. Le reazioni d’ossidoriduzione possono essere descritte come somma di almeno due semireazioni, in cui le coppie coinvolte nella reazione sono chiamate coppie redox. Le reazioni d’ossidoriduzione, a favore dei prodotti, possono essere sfruttate per formare delle celle galvaniche (o voltaiche), conosciute come pile, che trasformano l’energia chimica della reazione spontanea in energia elettrica. Per convenzione la semipila dove avviene l’ossidazione è chiamata anodo, a cui è assegnato il segno negativo, mentre la semipila dove avviene la riduzione è chiamata catodo, a cui è assegnato il segno positivo. Gli elettroni che sono generati all’anodo sono spinti verso il catodo da una forza elettromotrice o fem, causata dalla differenza d’energia potenziale elettrica degli elettroni ai due elettrodi detta voltaggio di cella e si misura in Volt (joule/coulomb). Il potenziale di una semicella dipende dalla temperatura e dalle concentrazioni dei reagenti e dei...