Chimica generale e inorganica

28/09/2018

LA MATERIA

L’elemento è caratterizzato da un numero atomico, cioè il numero di protoni all’interno del nucleo. Il numero di

protoni all’interno del nucleo determina le proprietà dell’atomo, quindi dell’elemento, quindi lo caratterizza.

L’elemento può avere atomi diversi-> abbiamo parlato di ISOTOPI cioè atomi diversi dello stesso elemento

caratterizzate dallo stesso numero di protoni. Gli ioni carichi positivamente si chiamano Cationi, quando sono

carichi negativamente si chiamano anioni( sono sempre atomi dello stesso elementi poiché varia solo il numero di

elettroni ma non di protoni).

La tavola periodica : le colorazioni diverse fanno riferimento a tipi di atomi diversi : giallo per metalli, le

caratteristiche chimiche di questi elementi fanno riferimento alla basicità: tendenza a cedere gli elettroni. tutti gli

elementi in giallo hanno grande tendenza a cedere elettroni cioè grande tendenza a diventare ioni

positivi(Cationi). Per contrapposizione gli elementi in blu a cui appartiene ad esempio l’idrogeno, Carbonio.. che

sono i non metalli che hanno carattere acido, cioè sono caratterizzati dalla tendenza di acquistare elettroni e a

diventare ioni negativi (anioni). Fra i metalli e i non metalli c’è la diagonale che va dal Cloro all’astato(D) colorati in

verde, che sono i Semi metalli, cioè quegli elementi che hanno caratteristiche intermedie tra i metalli e i non

metalli, e il loro comportamento dipende molto dall’elemento con cui si vanno a legare. Se si vanno a legare con

un metallo assumeranno caratteristiche di un non metallo e viceversa. L’ultimo gruppo è quello dei gas nobili ( ad

esempio Elio), sono elementi gassosi che hanno la caratteristica di essere poco reattivi, è difficili farli reagire.

Potenzialmente noi abbiamo 111 elementi, ma non tutti hanno la stessa abbondanza sulla terra. La tavola

successiva fa riferimento alle abbondanze relative agli elementi sulla terra. Quando uno vuole progettare qualcosa

, che fa il cosiddetto design, deve tenere conto della disponibilità degli elementi.

Struttura dell’atomo

È la struttura dell’atomiche poi determina le proprietà della materia. L’atomo è fatto da un nucleo che contiene

protoni (particelle cariche positivamente) e neutroni (hanno più o meno la stessa massa dei protoni, un po’ di più

ma non in modo significativo, non hanno carica) attorno abbiamo gli elettroni. L’elettrone pesa molto meno di

protoni ed neutroni, quindi il 99% della massa di un atomo si trova nel nucleo.

Il raggio nucleare è 10^-4 il raggio atomico. Immaginiamo che il nostro nucleo ha un raggio di 5 cm. Significa che

se il nucleo fosse grande 5 cm vorrebbe dire che il nostro elettrone starebbe girando a circa 500 m da qua . visto

che il 99% della massa dell’atomo è concentrata del nucleo, nella maggior parte c’è il nulla-vuoto, cioè pesa 1

rispetto al 1000 del nucleo. Di fatto vuol dire che la materia è vuota, poiché formata da tanti nuclei piccoli che

concentrano la massa e tutto il resto dello spazio è vuoto. Di fatto se mettiamo una mano nel muro non lo passo,

come lo spieghiamo se la materia è vuota? È vero che è vuoto lo spazio tra il nucleo e l’elettrone? No, non è

vuoto. Perché dipende dalla natura dell’elettrone, infatti quest’ultima si dice che è duale (cioè doppia), perché

l’elettrone si può comportare sia da particella, quindi dotata di una massa e che posso localizzare in un punto

preciso, ma allo stesso tempo ha una natura ondulatoria di cui io posso misurarne la velocità (si può misurare la

velocità di un onda), ma di cui non riesco a definire bene la posizione->perché? Noi sappiamo che i suoi sono onde

sonare, cioè onde di aria compressa rarefatta che si confondono. L’onda di fatto è ovunque poiché il suono si

propaga ovunque; questo vuol dire che l’elettrone non è solo una particella puntiforme che io possono localizzare

in un punto preciso, ma essendo un onda occupa tutto lo spazio. Tornando all’esempio di prima l’elettrone sta

occupando tutto lo spazio di 500 metri fino al nucleo.

Da questa costatazione passiamo al modello atomico di Boar che prevede un nucleo con un elettrone che viaggia

su un orbita ben precisa, al modello nucleare moderno dove non si considera più l’orbita precisa ma il concetto di

orbitale-> regione di spazio in cui si ha la massima probabilità di trovare l’elettrone. Gli orbitali, a seconda del

livello energetico, hanno forme diverse. Gli orbitali più interni hanno comunque forme sferiche e man mano che 1

→rappresentazione

andiamo avanti possono avere delle forme bilobate , orientate rispetto agli assi cartesiani.

comune degli orbitali atomici che sono delle regioni volumetriche di spazio, non più delle orbite precise in cui

viaggia l’onda dell’elettrone

L’elettrone sta riemendo tutto quel volume, collochiamo in mezzo il nucleo(ROSSO) e l’elettrone occupa tutta la

zona e contemporaneamente anche la regione di sotto (VERDE); ha solo un minimo di probabilità nel nucleo,

poiché dove c’è il nucleo l’elettrone non può stare.

La massa

Protone e neutrone hanno più o meno la stessa massa, 10^-24 gr

L’elettrone pensa 10^-28, cioè 4 ordini di grandezza in meno.

Se l’elettrone pesa un kilo il protone pesa 10000 kili.

Abbiamo parlato della composizione dell’atomo, vediamo la simbologia: la chimica si occupa sempre di tre aspetti:

- Aspetto macroscopico: quello che vediamo ( può essere la polvere, muro…), grazie all’unione di miliardi

di molecole

- Aspetto microscopico: cioè quando prendo la bottiglia e vedo il polimero che la compone, e quindi come

sono legate tra di loro le molecole

- Aspetto simbolico: gli strumenti che utilizzo per rappresentare queste molecole

X simbolo generico per rappresentare gli atomi ( ad esempio H simbolo idrogeno, O ossigeno….)

Z n° atomico : numero di protoni; fondamentale per determinarne le proprietà

A Numero di massa: rappresenta il n protoni + numero di neutroni

L’atomo può essere neutro o carico, è neutro se il numero di protoni è uguale al numero di elettroni ; può essere

carico se il numero di elettroni è maggiore o minore del numero di protoni, indicando la carica con -/+

Fanno parte dello stesso elemento tutti gli atomi con lo stesso numero atomico

Se prendo un bicchiere d’acqua e aggiungo uno o due cucchiai di zucchero il colore rimane invariato, aumenta

solo la quantità. Per quanto riguarda li atomi non è così, poiché quando aggiungo un protone nel nucleo cambia la

qualità del mio atomo-> la vediamo nella tavola periodica, prendendo la serie alluminio, silicio, fosforo, zolfo ,

cloro, argon -> vediamo che l’unica differenza è il numero atomico, cioè il numero di protoni, uno sempre

maggiore, e vediamo come a livello macroscopico cambia la materia. Vediamo che la quantità diventa qualità. Il n

di protoni nel nucleo determina la qualità del mio atomo e le sue proprietà. Di fatto se vario i neutroni cambiano

si le proprietà ma non così drasticamente; Cambiano tutte quelle priorità che fanno riferimento alla massa.

Ma il n atomico è quello che determina le priorità dell’atomo

ESERCIZIO che può capitare all’esame:

1. indicare il simbolo completo di un nucleo che contiene:

- 6 protoni

- 7 neutroni

- 6 elettroni

( la tavola ordina gli elementi per n atomico) Vediamo nella tavola periodica , l’elemento con 6 protoni è il

Carbonio , il simbolo è C, con Z=6

N massa A= 7+6

Avendo 6 elettroni e 6 neutroni è neutro

2. Esercizio

- 17 protoni

- 20 neutroni

- 18 elettroni →

L’elemento è il Cloro, Z= 17; A= 17+20 ; abbiamo un protone in meno quindi mettiamo il – si chiama cloruro 2

3. Esercizio

- 117 neutroni

- 76 elettroni

- 78 protoni

L’elemento è il Platino; Z= 78 ; A= 117+ 78= 195 ; abbiamo più protoni quindi +2

ISOTOPI

Sono atomi dello stesso elemento. Numero atomico uguale( protoni), varia il numero di neutroni nel nucleo.

Stesso Z diverso A. gli isotopi hanno caratteristiche chimico fisiche leggermente diverse che fanno riferimento a

quelle proprietà che riguardano il peso.

Esempio comune è l’idrogeno, sono tutti caratterizzati da Z=1, varia il numero di massa

IDROGENO-DUTERIO-TRIZIO

Se bevo acqua normale e acqua deuterata ( acqua pesante) cambia? L’acqua pesante in cui al posto dell’idrogeno

metto il deuterio. È vero che è sempre l’idrogeno, però il deuterio pesa esattamente il doppio dell’atomo di

idrogeno. tutto il nostro metabolismo subisce uno squilibrio cinetico.

Quanto pesa effettivamente un atomo? Per definirlo è stato introdotta l’unità l’UMA, unità di massa atomica che

corrisponde a 1/12 della massa atomica dell’isotopo del carbonio 12. Spieghiamoci meglio-> prendo l’isotopo del

carbonio 12, con 6 protoni e 6 neutroni, quanto vale 1/12 della sua massa? Un UMA. È stato preso come

riferimento. La massa di un elemento dipende dall’abbondanza relativa degli isotopi presenti sulla terra;

dobbiamo considerare l’abbondanza degli elementi sulla terra. Se dico che prendo 1000 atomi di idrogeno devo

considerare che sulla terra il 99,9 % è idrogeno ma che solo lo 0,01% è deuterio; quindi se prendo 1000 atomi di

idrogeno 999 sarà idrogeno e uno deuterio. Quindi per calcolare la massa dell’atomo di idrogeno devo tenere

conto dei tuoi isotopi e della loro percentuale-> quindi devo fare la MASSA PESATA.

Per calcolare la massa di idrogeno faccio la percentuale dell’idrogeno per il suo peso + la percentuale del deuterio

per il suo peso = ottengo il PESO ATOMICO.

Facendo altri esempi il cloro ha due isotopi, il cloro 35 e il cloro 37, abbiamo un 75% bel cloro 35 e 25 del cloro 37.

Il peso atomico di un elemento è sempre vicino alla massa dell’isotopo o isotopi più abbondanti.

Lo scambio isotopico: se noi assumiamo cibo con carbonio 13 al posto di carbonio 12, ci crea problemi? Non fa

male perché tra idrogeno e deuterio raddoppio il peso, ma tra carbonio 12 e 13 sto aumentando di un

tredicesimo la massa quindi non fa così male.

GLI ATOMI

Abbiamo visto che si combinano tra di loro per formare le molecole. Abbiamo visto che come ogni atomo ha un

suo peso atomico, allo stesso modo anche le molecole hanno un loro peso definito PESO MOLECOLARE.

Fino ad ora abbiamo parlato di UMA, che però vanno trasformati in grammi mole.

Se voglio calcolare il peso della molecola devo sapere che tipo di atomi e quanti per tipo la compongono-> devo

conoscere la sua formula molecolare.

Ci sono altre formule: MINIMA O EMPIRICA

A volte la formula minima coincide con la formula molecolare ma questi sono alcuni casi, di fatto la formula

minima e empirica , non corrispondono alla formula molecolare, ma ci dicono in che rapporto si combinano tra

loro gli atomi in quella molecola

ESEMPI: CLORO OSSIGENO E IDROGENO, sono tutte sostanze gassose che in natura si trovano in forma

molecolare, nel senso che non si trova come atomo singolo in natura ma come molecola.

Cloro-> simbolo del cloro più un pedice che ci dice il numero di atomi di cloro nella molecola. Il peso molecolare

sarà dato dal peso atomico del cloro per due. 3

Se ho molecole più complesse che includono più elementi diversi come l’acido solforico H2SO4-> questa formula

ci dice che l’acido solforico contiene tre atomi diversi-> idrogeno, zolfo e ossigeno. Ci dice anche che di idrogeno

ne ho due, di zolfo uno e di ossigeno quattro. Questa formula definisce in maniera univoca l’acido solforico

Se io scrivo H2SO4 indico l’acido solforico, se io scrivo H2SO3 sto indicando una molecola diversa. Se io metto

2H2SO4, cioè metto semplicemente davanti un due è diverso da scrivere H4S2O4, perché con la prima notazione

io sto indicando che ho due molecole di acido solforico, mentre nella seconda è un altro composto.

Quindi se io devo calcolare il peso molecolare dell’acido solforico prendo: due volte il peso molecolare

dell’idrogeno+ una volta il peso atomico dello zolfo+ il peso atomico dell’ossigeno=98,078 peso molecolare

dell’acido solforico.

Vediamo ora le formule:

- Formula aldeide-> la molecola è HCHO. Formula molecolare e minima coincidono, poiché la formula

minima mi da i rapporti minimi degli atomi presenti. Cioè la formula minima mi da due informazioni:

o Il tipo di elemento all’interno della mia molecola

o I rapporti nelle varie quanti

La massa molecolare è 30,03

- L’acido acetico CH3COOH

La formula ci dice che ho tre atomi di carbonio, tre atomi di idrogeno legato al carbonio più un altro

atomo di idrogeno e due di ossigeno.

La formula molecolare abbiamo due modi per rappresentarla

o Se la scrivo CH3COOH dico più o meno come è formata e i suoi legami. È univoco per indicare

l’acido acetico perché si danno informazioni sulla connettività

o Ma la posso scrivere anche come C2H4O2, ma di queste molecole ce ne è una infinità.

La formula minima è CH2O poiché ci dice solo quali atomi sono presenti e che per ogni atomo di carbonio

ho il doppio di atomi di idrogeno e per ogni atomo di carbonio ho la stessa quantità di ossigeno. Ma a

cosa serve questa formula? Si chiama anche formula empirica poiché si usa in un esperimento quando un

chimico si trova davanti a un campione incognito e che con un analisi elementare gli da una formula

minima.

Però se devo fare il peso molecolare devo usare la formula molecolare

- Glucosio:

C6H12O6 formula molecolare

CH2O formula minima

La Mole

La MOLE è l’unità di misura della quantità di materia UNA MOLE (1 mol) di materia è costituita da 6.022 1023

unità chimiche elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni…)

6.022 10^23 è il numero di atomi contenuti in 12 grammi esatti di 12C (l’isotopo 12 dell’elemento carbonio di

massa atomica 12 u, già scelto come sistema di riferimento)

NA= 6.022 10^23 è la costante di Avogadro

Per spiegare la mole è utile la dozzina. Quando compriamo una dozzina di uova sappiamo che sono 12 uova.

Mentre dozzina vuol dire 12 unità, mole significa 6,022 x 10^23 di aromi di ferro.

Una mole di materia sono 6,022 x 10^23 UNITÀ, si può parlare di moli di atomi quindi saranno atomi, di moli ioni,

moli di molecole, di elettroni… può essere qualsiasi cosa.

Questo è chiamato NUMERO DI AVOGADRO

Come passo dalle moli al peso della sostanza? Ogni mole ha un suo peso, chiamata massa molare→ è

numericamente uguale alla massa atomica. La massa in grammi di 1mol di materia di una qualsiasi sostanza 4

(elementare o composta) è detta MASSA MOLARE (espressa in

g/mol o g*mol-1 ) ed è NUMERICAMENTE UGUALE alla massa

atomica (sostanze elementari) o alla massa molecolare (sostanze

composte) espressa in unità di massa atomica (u).

La massa atomica o molecolare: è la massa di un atomo o di una molecola espressa in u. La massa molare è la

massa di una mole di sostanza (anche per le sostanze elementari) e si misura in g/mol.

Esempio. Per H2O si ha: massa molecolare = 18.01 u massa molare = 18.01 g/mol

ACQUA-> H2O, la formula molecolare ci dice che ci sono due elementi che si combinano in rapporto 2 a 1. Se

prendo 16 grammi di ossigeno, quanto grammi di idrogeno ho bisogno per fare dell’acqua? Il peso atomico

dell’ossigeno è 16, abbiamo un atomo di ossigeno e, sapendo che per ogni atomo di ossigeno ce ne servono due

di idrogeno, allora ci servono due atomi di idrogeno.

La mole ci permette di correlare la massa con la quantità degli atomi

Tutte le volte che il testo ci da dei grammi, la prima cosa da fare è trasformarlo in MOLI 01/10/2018

il concetto di mole ci indica una quantità ben precisa di elementi, che siano atomi, ioni, elettroni… ma se parliamo

di una mole di mole intendiamo un numero ben preciso.

Peso molecolare lo calcoliamo in base al peso degli atomi e da quali atomi ci sono nella molecola.

Quantità di sostanza

Una mole di una materia può avere forma e massa molto diverse. Esempio di mole di mercurio, elio, mole di ferro

e zolfo. Tutte queste quantità rappresentano lo stesso numero di atomi (numero di Avogadro) ma hanno pesi e

volumi diversi. non ci interessa il peso e il volume della materia ma la QUANITÀ poiché nella reazione sono

quantità di atomi che reagiscono con quantità di atomi.

Se devo fare reagire lo stango con il silicio e lo devo fare in quantità stechiometrica 1 a 1 dovrò prendere 119 gr di

stagno e 28 di silicio, in modo che per ogni atomo di stagno ho un atomo di silicio, non si lavora con i grammi ma

quantità di materia che si esprime in moli, cioè quantità di particelle. 5

ESEMPIO: immaginiamo di avere una bilancia con i piattelli e

immaginiamo di avere da una parte due molecole di ozono(

formata da tre atomi di ossigeno, stesso tipo di atomi dell’ossigeno

ma legati in modo diverse), dall’altra parte ho tre molecole di

ossigeno molecolare. In totale ho 6 atomi di ossigeno da entrambe

le parti-> i piattelli saranno bilanciati poiché ho la stessa massa, la

differenza è la quantità di sostanza(massa identica e materia

diversa). Nell’immagine sotto abbiamo una molecola di ozono da

una parte e una molecola d’ossigeno dall’altra, ho un oggetto da

una parte e uno dall’altra ,quindi stessa quantità di sostanza, ma cambia la massa poiché l’ozono pesa 48(16x3)

grammi e l’ossigeno pesa 32(16x2).

Massa e quantità di sostanza sono due concetti simili ma non ident