Chimica Generale e inorganica - Appunti

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Università!di!Torino!

CHIMICA&GENERALE&ED&INORGANICA&

Dipartimento+di+Scienze+del+Farmaco+

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1.! INTRODUZIONE*ALLA*CHIMICA!

Alcune!delle!domande!a!cui!bisognerà!saper!rispondere!a!fine!corso!sono:!

Che!cosa!è!la!chimica?!

• Saper!distinguere!da!naturale!ad!artificiale!!

• Saper!Distinguere!la!Chimica!Buona!dalla!Chimica!Cattiva!

•

LA&CHIMICA&“TEMPORALE”&

SCOPERTA!DEL!FUOCO!reazione!di!combustione!che!si!aggancia!alla!cinetica!chimica!

METALLURGIA!Gli!unici!metalli!in!natura!sono!Au,!Ag,!Cu!e!Pt.!Tutti!gli!altri!metalli!sono!presenti!

sotto!forma!di!ossidi!

CERAMICHE!E!VETRO!creati!dalla!fusione!di!sabbie!e!minerali!

VINO!E!BIRRA!ottenuti!inseguito!a!processi!biotecnologici,!quali!fermentazioni!con!microrganismi!

&DEFINIZIONI&&

!MATERIA:!Tutto!ciò!che!costituisce!l’universo!

!ENERGIA:!Capacità!di!compiere!lavoro! :!E=mc 2

Relazione!tra!le!due !

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Lo!studio!della!Chimica!avviene!sulla!base!del!

Modello!atomico!della!materia!

• Modello!nucleare!dell’atomo!!

• Approccio!del!Legame!chimico!tra!atomi!

•

PARTICELLE&ELEMENTARI&NEGLI&ATOMI&

L’atomo!è!costituito!dalle!seguenti!particelle!con!relative!masse!e!cariche:!

! PARTICELLA! MASSA! CARICA!

+ 927 919

p !Protoni! 1,67x10 !Kg! 1,60x10 !C!

927

n!Neutroni! 1,67x10 !Kg! 0!C!

9 931 919

e !Elettroni! 9,10x10 !Kg! 91,60x10 !C!

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Come!si!può!notare!dalla!tabella,!la!massa!dell’atomo!(nucleo)!è!costituita!dai!protoni!e!neutroni!

mentre!attorno!ad!occupare!il!volume!extranucleare!vi!sono!gli!elettroni.!

STATI&DI&AGGREGAZIONE&E&PASSAGGI&DI&STATO&

SOLIDO!–!Forma!propria!e!volume!proprio!

LIQUIDO!–!Forma!propria!e!volume!del!recipiente!

AERIFORME!–!Forma!e!Volume!del!recipiente!

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TEMPERATURA!(incremento)!

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! SOLIDO! AERIFORME!

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PRESSIONE!(incremento)!

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! SOLIDO! AERIFORME!

! 2!

LA&MATERIA&

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DEFINIZIONI&&

!SOSTANZE!PURE:!sost.!che!hanno!una!composizione!chimica!determinata!

!MISCELE:!sost.!che!NON!hanno!una!composizione!chimica!determinata!

!SOSTANZE!ELEMENTARI:!sost.!costituite!da!un!solo!elemento!

!COMPOSTI:!sost.!costituite!da!più!elementi!ed!riducibili!a!sostanze!elementari!

!MISCELE!OMOGENEE:!miscele!a!livello!atomico/molecolare!costituite!da!una!sola!fase!

!MISCELE!ETEROGENEE:!miscele!a!livello!atomico/molecolare!costituite!da!più!di!una!fase!

!

+ il!carbonio!(nelle!forme!

ALLOTROPIA+9+Capacità!di!alcune!sostanze!di!esistere!in!forme!diverse!

grafite,!diamante,!fullerene,!nanotubo,!e!altri!allotropi!del!carbonio).!

FASE+–+porzione!di!un!sistema!con!composizione!chimica!determinata!e!con!proprietà!

fisiche!uniformi,!separata!da!altre!parti!del!sistema.!

NUMERO&ATOMICO,&DI&MASSA&E&ISOTOPI&

+

Z !=!Numero!Atomico,!corrisponde!al!numero!di!protoni!

presenti!nell’atomo.!Essendo!l’atomo!caricamente!

neutro,!il!numero!di!elettroni!presenti!è!analogo!al!

numero!atomico!dell’elemento.!

!

A !=!Numero!di!Massa,!corrisponde!alla!somma!dei!

protoni!e!dei!neutroni!(massa!dell’elemento).!Per!

ricavare!il!numero!di!neutroni!presenti!nell’atomo!

basterà!applicare!la!seguente!relazione:!

N+=+A+9+Z+

In!natura!esistono!atomi!dello!stesso!elemento!che!presentano!una!variazione!di!massa.!Questi!

sono!chiamati!ISOTOPI.!L’isotopo(è(un(atomo(dello(stesso(elemento(che(presenta(uguale(numero(

atomico(ma(diverso(numero(di(massa((variazione(di(neutroni).!

! 3!

H! !! H! ! H!

11 12 13

Ad!Esempio!l’idrogeno!in!natura!presenta!tre!isotopi:! prozio deuterio trizio!

!!!!!!!!!!!Un!metodo!di!separazione!degli!ioni!che!permette!anche!il!rilevamento!di!isotopi!è!la!!!!!!!

!!!!!! SPETTROMETRIA(DI(MASSA.(Essa!consiste!nel!ionizzare!il!campione!in!analisi!per!favorire!la!

formazione!di!particelle!cariche.!In!seguito!un!rivelatore!permette!la!suddivisione!delle!particelle!in!

base!al!rapporto!massa/carica!(m/Z)!!Il!risultato!finale!è!uno!spettro!a!righe!

!

2.# ELEMENTI'DI'CHIMICA!

Viste!le!masse!di!protoni,!neutroni!ed!elettroni!relativamente!piccole,!i!chimici!hanno!deciso!di!

introdurre!un!unità!di!massa!relativa!chiamata!Dalton.+

1(dalton(=(1u(=(1/12(della(massa(dell’isotopo(12(del(carbonio(

1u(=(1,67x10 (Kg(

D27

(

PARTICELLA! MASSA! u! CARICA! e!

+ 927 919

p !Protoni! 1,67x10 !Kg! 1!u! 1,60x10 !C! +1!

927

n!Neutroni! 1,67x10 !Kg! 1!u! 0!C! 0!

9 931 919

e !Elettroni! 9,10x10 !Kg! 0,000554!u! 91,60x10 !C! 91!

FORMULE&MOLECOLARI&ED&UNITA’&FORMULA&

Le!formule!che!rappresentano!i!composti!formati!da!molecole!sono!dette!FORMULE+

MOLECOLARI,!ad!esempio!HCl,!l'acido!cloridrico!è!una!molecola!formata!da!un!atomo!di!H!

(idrogeno)!e!da!uno!di!Cl!(Cloro).La!formula!molecolare!indica!la!composizione!di!una!molecola!

precisando!il!numero!di!atomi!che!la!costituiscono.!

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Un!composto!può!essere!un!AGGREGATO+RETICOLARE!formato!da!atomi!legati!tra!loro!e!

disposti!in!modo!regolare!nello!spazio,!ad!esempio!il!quarzo!(SiO ).!

2

Sono!aggregati!reticolari!anche!i!composti!ionici!formati!dall'alternarsi!di!anioni!e!cationi.!Ad!

esempio!nel!NaCl!si!alternano!ioni!Na !e!ioni!Cl !nel!rapporto!di!1:1.!

+ –

La!formula!NaCl!non!rappresenta,!però,!una!molecola,!ma!descrive!il!minimo!rapporto!di!

combinazione!tra!due!elementi.!per!questo!tipo!di!composti!si!parla!di!UNITÀ+FORMULA+

MASSA&ATOMICA,&MASSA&MOLECOLARE&E&PESO&FORMULA&

La!dicitura!peso!atomico!o!massa!atomica!stanno!ad!indicare!la!stessa!cosa.!Il!termine!più!corretto!

rimane!massa!atomica.! Massa+Atomica+(MA)!=! massa!relativa!di!un!elemento!che!tiene!

conto!dell’abbondanza!di!isotopi!e!del!difetto!di!massa.!

L’informazione,!riguardante!la!massa!atomica!di!un!elemento!si!trova!

sulla!tavola!periodica.!

+

Massa+Molecolare+(MM)+=! somma!delle!masse!atomiche!

!

relative!degli!elementi!che!compongono!la!molecola.

H O!=!(2xMA !)+!(MA )!=!(2x1)+16!=!18!u!

2 !H !O

!

Peso+Formula+(PM)+=+ si!ricava!in!maniera!analoga!alla!massa!molecolare!(la!variazione!di!

nome!è!dovuta!essenzialmente!al!fatto!che!nel!primo!caso!trattiamo!di!composti!molecolari!con!

! 4!

composizione!chimica!definita,!mentre!nel!secondo!trattiamo!di!unità!formula!con!formula!

minima).!

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Per!capire!maggiormente!la!differenza!tra!formula!molecolare!e!formula!minima,!basta!pensare!

alla!formula!dell’acqua!ossigenata.!La!formula!molecolare!è!H O !mentre!la!formula!minima!

2 2

sarebbe!HO++

+

CALCOLI+STECHIOMETRICI:!Dal!peso!formula!o!dalla!MM!posso!ricavare!la!%!in!peso!di!un!

elemento!componente.!Oppure!in!seguito!ad!analisi!qualitative!(tipo!di!atomi!componenti)!ed!

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analisi!quantitative!(rapporti!in!peso)!posso!calcolare!la!formula!minima!del!composto

!

MOLI,&NUMERO&DI&AVOGADRO&E&REAZIONI&CHIMICHE&

Si!chiama!MOLE!una!quantità+di+sostanza!che!contiene!tante!unità!quanti!atomi!sono!contenuti!

in!12g!di! C,!cioè!in!una!mole!di!isotopo!12!del!carbonio,!il!consueto!isotopo!di!riferimento.!!

12

Il!numero!di!unità!contenute!in!una!mole!si!chiama!numero+o+costante+di+Avogadro+(NA!o!N).!

Una!mole!di!materia!contiene!6.022+x+10 !unità!chimiche!elementari!(atomi,!molecole,!ioni,!

23

elettroni).!

La!massa!in+grammi!di!1!mole!di!materia!di!una!qualsiasi!sostanza!è!detta!massa+molare!ed!è!

numericamente!uguale!alla!massa!atomica!(per!sostanze!elementari)!o!molecolare/formula!(per!

sostanze!composte)!espresse!in!unità+di+massa+atomica!(u).!

n+=+mol+=+massa/massa+molare+

Quando!abbiamo!sostanze!liquide,!parleremo!di!Molarità!(M=+mol/Litro),!mentre!alla!presenza!di!

sostanze!gassose!per!calcolare!la!quantità!di!sostanza!utilizzerò!l’uguaglianza:!1+mol+=+22,4+L.+

REATTIVO+LIMITANTE+

Ipotizza!una!reazione!generica!X+++2Y+99999+4Z+con!mol !=!0,2!mol =0,03.!Calcola!mol

x y z!

Sapendo!che!!mol >!mol ,!chiameremo!il!composto!Y!reattivo!limitante.!

x! y

I!rapporti!di!reazione!sono!1:2:4.!Quindi,!conoscendo!le!moli!del!reattivo!limitante!e!i!rapporti!

stechiometrici,!posso!dire!che!le!mol !=!2mol !

z y

Le!reazioni!chimiche!consistono!nella!trasformazione!dei!reagenti!in!prodotti.!I!due!principi!che!

regolano!tali!reazioni!chimiche!sono:!

PRINCIPIO+DI+CONSERVAZIONE+DELLA+MATERIA!Le(trasformazioni(chimiche(lasciano(invariati(

il(tipo(ed(il(numero(di(atomi(che(facevano(parte(dei(reagenti(e(che(vengono(a(costituire(i(prodotti!

PRINCIPIO+DI+CONSERVAZIONE+DELLA+MASSA!In(una(reazione(chimica,(la(massa(non(può(essere(

La scoperta del nucleo atomico

né(creata(né(distrutta:(la(somma(dei(prodotti(formati(è(uguale(alla(somma(delle(masse(delle(sostanze(

che(hanno(reagito.(

3. !!!!!!!!!ATOMI:'!

NUCLEO'ED!ELETTRONI!

SCOPERTA&DEL&NUCLEO&ATOMICO& Le d

L’esperimento!di!Rutherford!determinò!la! osse

scoperta!di!un!nucleo!atomico.!Egli!bombardò! com

una!lamina!sottile!di!Au!con!delle!particelle!alfa! mod

(atomi!di!He!privi!di!due!protoni)!prodotte!da! mas

una!sorgente!radioattiva.!La!maggior!parte! conc

delle!particelle!attraversò!la!lamina,!altre! volu

deviarono!la!traiettoria!ed!altre!ancora! nucl

tornarono!indietro.!Ciò!significava!che!l’atomo! la m

! 5! la su

all’ip

evid

possedeva!una!carica!positiva!che!era!in!grado!di!deviare!e/o!respingere!le!particelle!e!attorno!vi!

era!una!regione!vuota!che!permetteva!alle!particelle!di!passare!oltre.!!

ONDE&E&ONDE&ELETTROMAGNETICHE&

Un’onda!è!data!dalla!variazione!periodica!e!regolare!di!una!certa!proprietà.!Una!radiazione+

elettromagnetica!è!un!onda!che!si!propaga!nello!spazio!con!una!certa!energia.!Si!tratta!di!un!

fenomeno!ondulatorio!dovuto!alla!simultanea!propagazione!nello!spazio!della!perturbazione!di!un!

campo!elettronico!(E)!e!di!un!campo!magnetico.!

Radiazioni!possono!essere!rappresentate!da!ONDE+ELETTROMAGNETICHE!(natura!ondulatoria)!

FOTONI!(natura!crepuscolare).! !

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Le!caratteristiche!di!un’onda!sono:!

LUNGHEZZA+D’ONDA!è!la!distanza!tra!due!massimi!o!due!minimi!dell’onda!(UDM!m)!

• FREQUENZA+numero!di!oscillazioni!nell’unità!di!tempo!(1/t!=!1/s!=!Hz)!

• VELOCITÀ’+DI+PROPAGAZIONE,!ovvero!il!prodotto!tra!la!frequenza!e!la!lunghezza!d’onda.!

• C=(lunghezza(d’onda(x(frequenza(((C=velocità(della(luce(=(3x10 (m/s)(

8

Lunghezza!d’onda!e!frequenza!sono!inversamente!proporzionali.!All’aumentare!della!lunghezza!

d’onda,!l’onda!sarà!più!larga!e!di!conseguenza!il!numero!di!onde!nell’unità!di!tempo!saranno!

minori.!Ogni!onda!elettromagnetica!possiede!frequenze!e!lunghezze!d’onda!differenti.!

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Le!onde!interagendo!tra!di!loro,!danno!origine!a!

diversi!fenomeni!fisici!tra!cui!l’INTERFERENZA!e!

la!DIFFRAZIONE.+

L’INTERFERENZA!è!un!fenomeno!che!accade!

quando!s’incontrano!due!onde!con!stessa!

frequenza.!!

Quando!due!onde!sono!in!FASE!l’onda!finale!

risulterà!rinforzata!con!stessa!frequenza!ma!

ampiezza!maggiore.!

Quando!due!onde!sono!in!OPPOSIZIONE+DI+

FASE!allora!abbiamo!un!annullamento!del!

segnale!o!una!diminuzione!dell’ampiezza!d’onda.!

!

! 6!

Lo spettro della radiazione elettromagnetica.

La!DIFFRAZIONE!è!un!fenomeno!FISICO!che!si!

verifica!quando!una!radiazione!elettromagnetica!

incontra!una!fessura!con!dimensione!uguale!alla!

lunghezza!d’onda!della!radiazione.!!

Tale!fessura!diventa!come!una!nuova!sorgente!di!

onde!che!si!propagano!in!tutte!le!direzioni!nello!

spazio.!!

L’interferenza!fra!queste!onde!produce!l’alternanza!

di!zone!luminose!e!zone!scure.!

+

La!scomposizione!della!luce!bianca!fornice!lo!spettro!del!visibile,!regione!d’onda!che!va!dai!400!

nm(viola)!ai!700nm!(rosso)! !

RADIAZIONI&E&MATERIA&

La luce visibile è una minuscola frazione dell’intero spettro della radiazione

Un!oggetto,!se!riscaldato,!emette!onde!elettromagnetiche.!La!frequenza!della!radiazione!emessa!

cresce!con!l’aumentare!della!temperatura.!Il!primo!colore!assunto!è!il!rosso!perché!è!la!luce!

elettromagnetica. La può variare tra 10 e 10 metri. tra 10 e 10 Hz.

λ ν

-11 4 5 20

visibile!di!energia!minima.!Questo!fenomeno!di!EMISSIONE!è!caratteristico!dei!saggi!alla!fiamma,!

dove!gli!elettroni!dei!cationi!in!analisi,!per!tornare!al!loro!stato!fondamentale,!emettono!una!

radiazione!elettromagnetica!sotto!forma!di!luce!colorata!(colore!che!varia!secondo!il!catione).!

Spettri atomici.

L’atomo!eccitato!quindi!emette!frequenze!luminose!speciali,!ma!gli!stessi!atomi!possono!anche!

ASSORBIRE!le!stesse!frequenze!che!sono!in!grado!di!emettere.!Il!risultato!sono!due!spettri!

differenti!chiamati!spettro(di(assorbimento(e(spettro(di(emissione.!

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! 7!

Per!l’atomo!di!idrogeno!fu!osservata!una!semplice!correlazione!tra!la!lunghezza!d’onda!delle!righe!

spettrali!chiamata!LEGGE+DI+RYDBERG.+

Altri!fenomeni!radiazioni/materia!sono!le+REAZIONI+FOTOCHIMICHE+che!avvengono!solamente!

alla!presenza!di!determinate!radiazioni!elettromagnetiche!(Fotosintesi!Clorofilliana)!o+l’EFFETTO+

FOTOELETTRICO!che!avviene!quando!una!radiazione!elettromagnetica,!di!opportuna!energia,!

colpisce!un!metallo!fotoemissivo!che!emette!un!elettrone.!Maggiore!sarà!l’energia!della!

radiazione,!maggiore!sarà!la!velocità!di!uscita!dell’elettrone.!

Si!è!osservato!che!l’energia!della!radiazione!è!proporzionale!alla!frequenza.!

( D34

Energia(=(costante(di(Plank((h)(x(frequenza;(((h=(6,6262x10 (J()(

MODELLO&ATOMICO&DI&BOHR&

Il!modello!atomico!di!Bohr!introduce!il!concetto!di!stato!stazionario!dell’elettrone.!!

Infatti,!l’elettrone,!al!suo!stato!fondamentale,!si!trova!su!orbite!a!energie!minore!(E ).!!

0

Se!fornisco!energia,!l’elettrone!salta!su!orbite!superiori!!(E )!(stato!eccitato).!!

1

In!seguito!l’elettrone!torna!al!suo!stato!fondamentale!emettendo!una!radiazione!di!energia:!!

E+=+E 9E

1 0+

Lo!studio!condotto!da!Plank!e!quello!condotto!da!Einstein!ha!permesso!di!fornire!una!massa!

associata!al!fotone!ed!una!quantità!di!modo.! E=mc (

2

Se!Energia(=(costante(di(Plank((h)(x(frequenza(e( dall’uguaglianza!delle!energie!otterrò:! !

Il!modello!di!Bohr!fu!il!primo!modello!atomico!ad!introdurre!la!quantizzazione.!In!questo!modello,!

l’elettrone!ruota!intorno!al!nucleo!di!carica!Z!con!moto!planetario!ed!ha!momento!angolare!

multiplo!di!(!ℎ/2!!).!

Ipotesi!del!modello!atomico!

1. Per!il!moto!dell’elettrone!sono!permessi!alcuni!stati!stazionari!in!orbite!circolari!aventi!un!

valore!particolare!di!energia!costante!nel!tempo.!

2. Il!momento!angolare!dell’elettrone!(mvr)!può!assumere!solo!valori!multipli!interi!di!ℎ/2!.!

3. Passando!da!un!orbita!più!esterna!ad!una!più!interna!l’elettrone!perde!energia!emettendo!

un!fotone!di!frequenza!!h/E.!

Ad!ogni!orbita!corrisponde!dunque!un!energia!che!aumenta!all’aumentare!della!distanza!dal!

nucleo.!Ovvero!a!ogni!orbita!corrisponde!un!livello+energetico.!

Il!difetto!principale!del!modello!di!Bohr!è!che!non!spiega!il!fenomeno!per!atomi!diversi!dall’atomo!

d’idrogeno.!

IPOTESI&DI&DE&BROGLIE&

La!teoria!di!Bohr!non!chiariva!alcune!anomalie!nello!spettro!dell’idrogeno.!Colpito!dal!fatto!che!la!

luce!mostrava!proprietà!sia!crepuscolari!che!ondulatorie,!De!Broglie!ipotizzò!che!l’elettrone!si!

comportasse!a!volte!come!particella!e!a!volte!come!onda.!Deducendo!che!ad!ogni!corpo!in!

movimento!è!associata!una!lunghezza!d’onda.!(! = ℎ/!").!

PRINCIPIO&DI&INDETERMINAZIONE&DI&HEISEMBERG&

Heisemberg!affermò!che!è!impossibile!determinare!simultaneamente!la!posizione!dell’elettrone!e!

la!sua!energia.!Sancendo!che!definire!una!traiettoria!per!l’elettrone!attorno!al!nucleo!non!ha!

senso.!In!quanto!gli!errori!commessi!nella!misurazione!di!energia!e!posizione!saranno:!

∆!×∆(!") ≥ !/!"+

Partendo!dell’ipotesi!di!De!Broglie,!Schrodinger+determinò!una!funzione!che!tenesse!in!

considerazione!l’equazione!d’onda,!l’equazione!di!massa!e!le!situazioni!stazionarie.!!

! 8!

Ottenne,!quindi,!un’equazione!differenziale!basata!su!tre!variabili,!conosciuta!come!funzione+

d’onda+orbitale.! !! !! !!

! ! ! ! ! ! !"#

+ + + × ! − ! ! = !+

! ! !

!!! !!! !!! !

Le!soluzioni!sono!funzioni!delle!tre!coordinate!spaziali!e!quantizzate!secondo!3!numeri!quantici.!

(

Heisemberg(introdusse(il(concetto(di(orbitale(e(numeri(

quantici.!

!

Definisce!orbitale,!la!regione!di!spazio!attorno!al!

nucleo!dove!vi!è!una!probabilità!del!90%!di!trovare!

l’elettrone.!Si!passa!da!un!modello!planetario!ad!un!

modello+probabilistico.!

!

I!tre!numeri!che!caratterizzano!una!funzione!d’onda!

sono!chiamati!numeri!quantici!e!sono:!

+

n+=+numero+quantico+principale,!definisce!l’energia!

dell’elettrone!e!il!livello!energetico!di!appartenenza!

(s,p,d,f)! (! = 0,1,2,3 … )!

l+=+numero+quantico+secondario,!definisce!la!

distribuzione!nello!spazio!dell’orbitale!

s, p, d: una visione d’insieme.

(0 ≤ ! ≤ ! − 1)!

m=+numero+quan