Chimica generale e stechiometria

INTRODUZIONE Gli altri elementi potrebbero essere dei metalli

che fanno parte di coenzimi e quindi risultano

La chimica studia le proprietà e la struttura fondamentali per l’organismo. Infatti, dal

della materia. Essa si occupa di come due o più punto di vista biologico risulta:

sostanze diverse interagiscono tra di loro per

trasformarsi in sostanze diverse attraverso

processi detti reazioni chimiche. Si occupa

inoltre dell’energia termica, elettrica,

meccanica o di altro tipo coinvolta nelle

reazioni stesse.

PROPRIETA’ CHIMICHE = relative

- alle trasformazioni che subiscono a

livello delle loro particelle quando

vengono a contatto con sostanze dalle

proprietà opposte. [proprietà acide o

basiche, ossidanti o riducenti] IL METODO SCIENTIFICO è alla base di

una buona teoria scientifica che deve avere le

PROPRIETA’ FISICHE = non

- seguenti caratteristiche:

coinvolgono trasformazioni a livello di

legami primari. [possono coinvolgere le Spiega i difetti delle teorie precedenti e

-

interazioni tra due molecole uguali (di le ingloba

non legame)] Ha caratteristiche predittive

- Spiega fenomeni complessi in termini

- di fenomeni più semplici

Le une e le altre sono di norma

⟶ È elegante e semplice

-

quantificabili e possono essere sottoposte a

misure. Risultano inoltre essere

propedeutiche alla biochimica ossia allo

studio delle principali molecole di interesse

biologico e il loro ruolo nelle cellule viventi.

ELEMENTI ESSENZIALI PER LA VITA 1

elementari. [questo numero è il valore della

costante di Avogadro] [entità elementare si

riferisce ad un atomo, una molecola, uno ione,

un elettrone, qualsiasi altra particella o

gruppo specifico di particelle]

Ogni misura è intrinsecamente affetta da una

certa dose di INCERTEZZA legata al limite

di precisione degli strumenti utilizzati e,

talora, ai limiti nel controllo delle condizioni

dell’esperimento. Gli errori possono essere

distinti in:

Sistematici che possono e debbono

- essere rimossi con una accurata

tecnica sperimentale.

Casuali che non è possibile eliminare,

- ma se si ripete molte volte la misura i

valori che si ottengono sono distribuiti

attorno al valore più probabile secondo

una curva di distribuzione gaussiana.

(il valore più affidabile è il valor medio

Il metodo sperimentale richiede di eseguire della distribuzione normale)

determinate misure. Una proprietà fisica o

chimica è di norma quantificabile. Allo scopo

di uniformare le unità di misura utilizzate in

tutto il mondo, viene raccomandato l’uso delle

unità stabilite dal sistema internazionale

delle unità di misura (SI). CIFRE SIGNIFICATIVE

Il numero che esprime la misura è costituito

dalle cifre che ci è possibile leggere sulla scala

dello strumento. Quali sono le cifre

significative?

Gli zeri che si trovano alla sinistra

- della prima cifra diversa da zero non lo

sono, mentre quelli che compaiono tra

due cifre diverse da zero o dopo la

virgola sono significativi. Invece se

GRANDEZZE FONDAMENTALI = a compaiono dopo una cifra diversa da

partire dal 2009 le definizioni delle grandezze zero in un numero interno possono

fondamentali sono cambiate e sono tutte essere significativi o meno (quando li

riferibili a costanti fisiche note con estrema utilizzo usando la notazione

precisione, ad esempio, si definisce mole la scientifica).

quantità di sostanza corrispondente a Le costanti matematiche si utilizzano

-

esattamente 6.02214076x10 entità

23 con le determinate approssimazioni. 2

In una reazione la somma delle masse

dei reagenti è uguale alla somma delle

NOTAZIONE SCIENTIFICA masse dei prodotti IN UNA

⟶

Nei calcoli scientifici si usa scrivere i grandi REAZIONE CHIMICA LA MASSA SI

numeri e piccoli come una cifra (da 1 a 9) CONSERVA. (chimico francese)

seguita eventualmente da punto decimale e

cifre successive e moltiplicata per la relativa LEGGE DI PROUST (1801) =

potenza di dieci. Ad esempio: 3578 = 3.578 x LEGGE DELLE PROPORZIONI

10

3 DEFINITE

Un composto chimico è formato da

La precisione delle misure usate come dati

⟶ elementi sempre nella stessa

di partenza nella derivazione di una proporzione in peso,

grandezza derivata ne influenzano indipendentemente da come sia

evidentemente la precisione. sintetizzato.

LEGGE DELLE PROPORZIONI

REGOLE DI PROPAGAZIONE DELLE MULTIPLE (1807) = John Dalton

CIFRE SIGNIFICATIVE Quando due elementi si combinano per

Nell’addizione e nella sottrazione

- formare più di un composto, il loro

si possono sommare e sottrarre solo rapporto in peso in un composto diviso

numeri aventi le stesse unità di misura per il rapporto in peso in uno qualsiasi

e il risultato deve essere scritto con un degli altri composti (con gli stessi

numero di cifre decimali pari alle cifre elementi), è dato da una frazione

decimali del fattore che ne ha di meno. espressa da numeri interi semplici.

Questa legge è alla base della scrittura

delle formule empiriche.

[la calcolatrice non fornisce tale calcolo

preciso] TEORIA ATOMICA DI DALTON

Nei prodotti, divisioni, elevazioni a

- potenza o radici su grandezze 1. Gli atomi degli elementi sono le

diverse, il risultato va scritto con un particelle basilari della materia.

numero di cifre significative uguale a Essi sono indivisibili e non possono

quello del fattore che ne ha di meno. essere né creati né distrutti (oggi

conosciamo la fissione e la fusione).

2. Gli atomi di un dato elemento sono

identici, avendo lo stesso peso e le

stesse proprietà chimiche.

3. Gli atomi di elementi diversi si

LEGGE DI LAVOISIER (1785) combinano tra di loro in rapporti di

3

numeri identici per formare le essere letta in verticale (gruppi) o in

molecole di composti. orizzontale (periodi).

4. Gli atomi di elementi diversi

possono combinarsi in più di un

rapporto di numeri interi semplici

per formare più di un composto.

[già con Democrito e Lucrezio

troviamo una definizione

pittoresca degli atomi] NUMERO ATOMICO [Z]: numero dei

protoni contenuti nel nucleo atomico e

L’ATOMO identifica univocamente un elemento.

Un atomo è costituito da un nucleo

§ dove si addensano i neutroni ed i NUMERO DI MASSA [A]: numero totale dei

protoni, mentre attorno ad esso si nucleoni (protoni e neutroni) presenti nel

muovono nello spazio gli elettroni. nucleo di un dato atomo e identifica i vari

Date le caratteristiche delle particelle,

§ isotopi di uno stesso elemento.

la massa dell’atomo è concentrata nel

nucleo.

Il nucleo è carico positivamente,

§ ISOTOPI: atomi dello stesso elemento (stesso

mentre gli elettroni creano nello spazio Z) con diverso numero di neutroni quindi di A.

attorno al nucleo una nuvola di carica Hanno le stesse proprietà chimiche, ma

negativa. l’abbondanza naturale dei diversi isotopi sono

differenti (la somma dell’abbondanza dei

singoli isotopi deve far 100%).

[masse riferite a particelle isolate, COME FUNZIONA LA RADIOAZIONE

altrimenti un atomo peserebbe di meno Il carbonio 14 è un isotopo radioattivo ossia

in quanto vi è dell’energia utilizzata dopo un determinato periodo di tempo decade

per tenere più atomi insieme] (la sua presenza diminuisce) emettendo un

elettrone e trasformandosi in azoto 14 (cambia

PERIODICITA’ DEGLI ELEMENTI = la sua natura). L’isotopo viene prodotto

elaborata da Mendeleev indica l’andamento costantemente nella troposfera ed entra

delle caratteristiche degli elementi che nell’atmosfera principalmente sotto forma di

variano con cadenza periodica. La tabella può CO , dove la sua concentrazione è costante. La

2 4

CO entra nei cicli vitali degli organismi

2

viventi, sia animali che vegetali. Pertanto, fino

a che un organismo è in vita, la concentrazione

di carbonio 14 al suo interno rimane costante.

Al momento in cui l’organismo muore il

carbonio 14 comincia a decadere e non viene

più rimpiazzato; pertanto, la concentrazione

nei resti dell’organismo diminuisce

regolarmente nel tempo, seguendo la legge del

decadimento radioattivo (consente di stimare

l’età di un reperto).

MASSE ATOMICHE MASSE ATOMICHE RELATIVE dei singoli

La massa dei singoli isotopi è definita in nuclidi sono leggermente inferiori a quelle

rapporto alla massa dell’isotopo carbonio 12 della somma delle masse delle particelle

(posta uguale a 12 per convenzione). Per isolate. Il difetto di massa è rintracciabile

definizione: nella forza che è necessaria per tenere insieme

le particelle in un nucleo (i protoni

tenderebbero a respingersi), risulta un

parametro relativistico: E = mc . Questa

2

energia viene liberata nelle reazioni nucleari.

Solitamente nelle tavole periodiche si trova il MISCELE COMPOSTI ELEMENTI

⟶ ⟶

numero di MASSA ATOMICA MEDIE

calcolate prendendo in considerazione le

masse dei vari isotopi e delle loro abbondanze

isotopiche. Un esempio di calcolo: ELEMENTI sono sostanze formate da atomi

Le masse atomiche vengono misurate dello stesso tipo. Gli elementi possono essere

accuratamente tramite uno spettrometro di formati:

massa: da singoli atomi isolati (ad esempio i

- gas nobili)

da un ben definito numero di atomi

- legati covalentemente (ad esempio O )

2

5

da un insieme continuo di atomi 12 g. [l’unità di misura della massa molare è

- sempre legati in maniera covalente (ad g/mol]

esempio grafite)

da un insieme continuo di atomi legati

- Queste grandezze permettono di scrivere

⟶

con legame metallico (ad esempio un’equazione bilanciata non solo qualitativa:

ferro)

Si definiscono FORME ALLOTROPICHE

quelle strutture molecolari che pur avendo lo

stesso tipo di atomo differiscono per il numero

di atomi e per il modo in cui sono legati tra

loro. [N particelle corrisponde ad una mole]

A

MASSA MOLECOLARE (peso molecolare) =

somma delle masse atomiche della molecola n = moli

MOLE è la quantità di sostanza che contiene Esercizio:

tante unità elementari (atomi, molecole, ioni) w = grammi

quanti sono contenute in 12 g esatti di

carbonio 12. PM = peso molecolare

N A

NUMERO DI AVOGADRO [N ] =

A

6.0221418 x 10 mol

23 -1

MASSA MOLARE di qualunque sostanza è

una quantità in grammi pari alla somma dei Esercizio:

pesi atomici degli atomi di cui è composta. Per

definizione il carbonio 12 ha massa molare di 6

deviazioni (in quanto la carica era spalmata su

tutto l’atomo). Egli invece osservò invece poche

deviazioni grandi e qualche rarissimo

rimbalzo all’indietro. Un tale comportamento

poteva essere spiegato solo se la parte caricata

positivamente nell’atomo e contenente la

quasi totalità della massa, fosse concentrata in

una piccolissima frazione centrale del volume

dell’atomo (nucleo). Il modello creato, definito

planetario, venne in seguito (1913) criticato

Esercizio: da Lorentz in quanto l’elettrone in orbita

attorno al nucleo dovrebbe emettere un’onda

elettromagnetica; quindi, il suo contenuto

diminuirebbe e l’elettrone cadrebbe con moto a

spirale sul nucleo in 10 secondi.

-11

MODELLI ATOMICI Nel 1913 viene proposto un modello da Bohr

Nel 1904 Thomson, che negli anni precedenti basato sulla fisica classica che introduce, come

studiando i raggi catodici aveva scoperto assiomi concetti derivanti dalla nascente fisica

l’elettrone, propose un modello di atomo nel quantistica. In questo modello all’interno del

quale gli elettroni erano dispersi in una sfera nucleo sono racchiuse le particelle positive e

di carica positiva tenuti assieme da attrazioni neutre mentre gli elettroni ruotano su orbite

elettrostatiche. Questo modello viene a volte stazionarie. Viene inoltre stimato il raggio

descritto come modello ‘a panettone’. della prima orbita (0.529 A). Postulati del

modello atomico di Bohr:

1. L’atomo si trova normalmente in uno

stato stazionario che non irradia

energia.

2. Solo alcune orbite sono permesse

all’elettrone.

3. L’atomo può assorbire o irradiare

energia solo quando passa da uno stato

stazionario ad un altro.

In un celebre esperimento del 1910

Rutherford inviò un fascio di particelle alfa Limiti della teoria:

(cariche positive) contro un sottile foglio d’oro.

Se il modello di Thomson fosse stato corretto

avrebbe dovuto osservare solo piccole 7

1. Si parte dalla meccanica tradizionale e

si arriva ad un modello fisico

discontinuo introducendo assunzioni

non dimostrate

2. Il modello fornisce una spiegazione

delle proprietà spettroscopiche

dell’atomo di idrogeno ma non riesce ad

interpretare gli spettri energetici degli

altri elementi polielettronici (il contributo dell’energia cinetica è data dalla

differenza E – V)

La soluzione dell’equazione non è un'unica

⟶

funzione, ma una famiglia di funzioni d’onda

Nel 1927 viene introdotto il modello che si distinguono per diversi valori di alcuni

quantomeccanico che si basa sul principio di parametri [numeri quantici]. Non possiamo

indeterminazione di Heinsenberg: per una determinare la traiettoria dell’elettrone bensì

particella di massa piccola (ad esempio un la sua energia in base alla sua posizione.

elettrone) NON È POSSIBILE DEFINIRE LA Quindi lo stato degli elettroni è governato da

SUA TRAIETTORIA, cioè conoscere in ogni equazioni matematiche, le cui soluzioni ci

istante la posizione e la velocità della permettono di calcolare la probabilità di

particella. Si introduce la probabilità di trovare queste particelle in determinati punti

trovare un elettrone in una determinata zona. dello. Spazio attorno al nucleo.

Dualismo onda-corpuscolo di de Broglie:

1. A tutti gli oggetti in movimento con

velocità v è possibile associare una

lunghezza d’onda

2. Quanto più piccolo è l’oggetto tanto

maggiore è la lunghezza d’onda

associata (e quindi sarà più esplicito il

suo comportamento ondulatorio)

Nel 1926 Schrodinger sviluppò una equazione

differenziale la cui soluzione è funzione della

posizione dell’elettrone e della sua energia

chiamata funzione d’onda. Il suo quadrato

dà la probabilità di trovare la particella nel

punto dello spazio di coordinate (x, y, z). 8

Probabilità di trovare l’elettrone in un

§ determinato volume di spazio

STRUTTURA ATOMICA DEGLI ATOMI all’interno del nucleo (orbitali atomici)

La materia ha una doppia natura -ondulatoria Disposizione degli elettroni in tutti gli

§

e corpuscolare. atomi (configurazione elettronica)

mediante i numeri quantici

Visione quantomeccanica = N.B) Può essere risolta solo per l’atomo di

idrogeno in quanto è il più semplice, per gli

1) Principio dell’indeterminazione di altri vi sono solo soluzioni approssimate.

Heinsenberg: impossibilità di

determinare simultaneamente la

quantità di moto e la posizione Numero quantico principale [n] = fornisce

-

dell’elettrone (probabilità); l’energia di un orbitale e la distanza media

2) Gli atomi e le molecole possono esistere dal nucleo (energia è quindi in funzione

solo in certi stati energetici. Per dalla distanza) (per H questi valori sono

variare lo stato energetico deve solo in funzione di n)

emettere o assorbire energia; < un insieme di orbitali caratterizzati

3) L’energia emessa o assorbita per dallo stesso valore di n viene chiamato

variare lo stato equivale all’energia del LIVELLO

fotone emesso o assorbito durante la

transizione; n= 1,2,3,4, ……

∆E=hν ∆E=hc/ λ Numero quantico angolare [l] = indica la

- forma del volume di spazio occupato

dall’elettrone < uno o più orbitali con lo

stesso valore di n e l costituiscono un

SOTTOLIVELLO

L’elettrone è trattato come un’onda

stazionaria (non si propaga ma oscilla nel

tempo) caratterizzata da una funzione onda

tridimensionale [Equazione di

Schrodinger] = definisce:

Energia dell’elettrone con una data

§ (livelli energetici) 9

Gli orbitali d [l=2] (tot. 5 orbitali -i singoli

orbitari sono diversi tra loro e si sommano

insieme)

mi allontano sempre di più dal nucleo

à Numero quantico magnetico [ml] = indica

- quanti sono gli orbitali e il loro

orientamento nello spazio: se l=1 ci sono

valori di ml= -1, 0, 1

Gli orbitali s [l=0] sono sfere di diverse se l=2 ci sono valori di

dimensioni e racchiudono il 90% della densità ml=-2, -1, 0, 1, 2

elettronica totale di un orbitale (disposizione < elettroni con lo stesso valore di n, l,

di probabilità radiale) -in particolare vi sono ml definiscono un ORBITALE (un

delle zone preferenziali caratteristiche per orbitale può ospitare due elettroni)

ciascun orbitale s (non sono sfere omogenee) à

gli orbitali s sono unici, varia solo la

dimensione a seconda del valore di n

Gli orbitali p [l=1] (tot. 3 orbitali) il volume Numero quantico di spin [ms] = indica lo

-

ricorda un otto (insieme dei tre orbitali) e il spin e rende conto delle proprietà

centro si trova nell’intersezione delle linee del magnetiche (se gira in un verso o

piano cartesiano (dato che sono diretti verso le nell’altro): può essere +1/2 o -1/2

tre componenti) 10

NON ESISTONO DUE ELETTRONI CHE L’elettrone è soggetto a due tipi di forze: quella

HANNO LO STESSO SET DI NUMERI attrattiva e stabilizzante esercitata dai

QUANTICI E UN ORBITALE PUO’ protoni del