Chimica generale ed inorganica - appunti

Chimica generale ed inorganica

Le proprietà misurabili sono dette grandezze; per confrontare le loro entità è necessario stabilire dei valori di riferimento: le unità di misura. Attualmente il sistema di misura accettato in tutto il mondo è il SI (sistema internazionale) che si basa su sette grandezze fondamentali.

Grandezze fondamentali

• Lunghezza: (l) è definita come la distanza tra due punti. Il metro è l'unità di misura (m). Nelle misure di distanze tra atomi si usa l'Angstrom (Å = 10^-10 m).
• Massa: (m) misura l'inerzia e l'energia del corpo; è la quantità di materia che costituisce un corpo, è la tendenza ad opporsi alle variazioni del proprio stato di quiete o di moto. L'unità di misura è il Kg. Essendo quantità di materia, è invariabile a meno che non si viaggi alla velocità della luce; lo strumento per la misurazione è la bilancia.
• Peso: (p) di un corpo di massa (m) dipende dall'accelerazione di gravità (g che sulla Terra è 9,81 m/s²), è la forza con cui il campo gravitazionale attira la massa del corpo in questione. Essendo una forza, il peso si calcola in Newton (N) ed è p = m * g.
• Tempo: (t) l'unità di misura è il secondo (s).
• Temperatura: (T) è l'agitazione delle particelle che costituiscono un corpo ed è legata alla loro energia cinetica media; si misura in Kelvin (K), ma è ancora usato e accettato il centigrado o Celsius (°C) ed il Fahrenheit (°F). La scala centigrada è arbitraria, legata a stati fisici della materia scelti come punti di riferimento ai quali sono stati assegnati valori di comodo di temperatura; si misurano con il termometro. La scala Kelvin è una scala assoluta poiché assume come zero la più bassa temperatura ipotizzabile, lo zero assoluto. K = 273 + °C. La scala Fahrenheit assume come punto di riferimento la più bassa temperatura raggiungibile in laboratorio con l'uso di una miscela frigorifera ghiaccio-cloruro d'ammonio e la temperatura media del corpo umano con valore 100. °F = (°C * 1,8) + 32.
• Mole (mol): quantità di sostanza che contiene lo stesso numero di particelle contenute in una mole di C₁₂ = 6,022 * 10²³, che è il numero di Avogadro.
• Ampere: (A) per misurare l'intensità di corrente elettrica.
• Candela: (cd) è la misura dell'intensità luminosa.

Grandezze derivate

Una grandezza che sia la combinazione di due o più grandezze fondamentali si chiama derivata.

• Volume: (V) di un corpo è lo spazio che il corpo occupa, si misura in m³. Si ottiene moltiplicando la lunghezza * 3; 1 L = 1 dm³.
• Densità: (d) di un corpo è il rapporto tra la sua massa ed il suo volume; viene espressa in kg/dm³ o in g/dm³. Con l'aumentare della temperatura la massa di un corpo rimane costante ed il suo volume aumenta.
• Forza: (F) agente fisico esterno che agisce su un corpo di massa (m) per fornirgli un'accelerazione (a) data dal prodotto della massa del corpo per l'accelerazione richiesta. F = m * a si esprime in Newton dove 1 N = (1 Kg * m)/s².
• Energia: possiamo definire l'energia (E) come la capacità che un corpo ha di modificare l'ambiente esterno, cioè di compiere un lavoro; si misura in Joule. 1 J = 1 N * 1 m = (1 Kg * m²)/s², 1 cal = 4,184 J.
• Pressione: (P) è il rapporto tra l'entità di una forza (F) e la superficie (S) su cui la forza viene esercitata, P = F/S. Viene misurata in pascal (Pa). La stessa forza esercita pressioni differenti a seconda della superficie su cui agisce. 1 Pa = 1 N/m². Il Bar è l'equivalente di 100 Pa; il torr (millimetro di mercurio mmHg) è la pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 1 mm. 1 Atm (pressione dell'aria a livello del mare ad una latitudine di 45° equilibrata da una colonna di Hg a 760 mm) = 101,325 kPa.

Grandezze intensiva ed estensiva

Grandezza intensiva: grandezza indipendente dalla quantità di campione misurata; ad esempio, la densità rimane costante per un determinato corpo anche se si prendono quantità differenti del corpo. Grandezza estensiva: grandezza il cui valore dipende dalla quantità di campione considerata; la massa, invece, dipende ovviamente dalla quantità misurata.

Una serie di misure è tanto più precisa quanto minore è la deviazione standard. L’errore assoluto esprime la precisione della serie di misure ed è: - E = a² = * 100. L’errore relativo:

La materia

Il termine materia designa tutto ciò che è dotato di massa e occupa spazio; una porzione di materia è chiamata sistema e le differenti parti che costituiscono un sistema sono dette fasi. Una fase è una frazione di materia con caratteristiche costanti e limitata da confini netti; ciascuna di esse è nettamente distinguibile dalle altre.

In un sistema singolo possono essere presenti tre fasi appartenenti a 3 stati fisici o stati di aggregazione della materia:

• Aeriforme: non hanno volume costante in quanto questo dipende dalla pressione e dalla temperatura; hanno forma variabile che si adatta al recipiente in cui sono contenuti. La densità di un aeriforme è molto bassa. Con il termine vapore si indica un aeriforme che, nelle condizioni date di temperatura, può passare allo stato liquido o allo stato solido per sola compressione; mentre si chiama gas permanente o semplicemente gas una sostanza che, in quelle stesse condizioni di temperatura è stabilmente aeriforme.
• Liquido: non hanno una forma propria, ma si adattano al contenitore in cui sono posti; sono soggetti a modeste variazioni di volume in funzione della temperatura.
• Solido: hanno forma propria; il loro volume varia solo in piccolissima misura in funzione della temperatura.

Quasi tutti i corpi possono presentarsi in ciascuno dei tre differenti stati fisici, dipende dalla temperatura e dalla pressione alla quale si trovano. Ciò che consente ad un corpo di cambiare stato fisico è la somministrazione di calore (riscaldamento) o la sottrazione di calore (raffreddamento).

Coefficiente di dilatazione

L’aumento di volume subito da una determinata porzione del materiale per effetto dell’innalzamento unitario della temperatura. Si chiamano calori latenti le quantità di calore fornite o sottratte da un sistema che non comportano una variazione di temperatura di quest’ultimo. Sono delle soste termiche.

Il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato solido si chiama solidificazione ed avviene ad una determinata pressione a temperatura costante. La quantità di calore che viene ceduta da una quantità fissa di liquido nel corso della solidificazione è detta calore latente di solidificazione. Il fenomeno inverso è detto fusione, la temperatura di fusione è uguale a quella di solidificazione e si mantiene costante finché tutto il solido è passato allo stato liquido; il calore assorbito da una quantità fissa di solido è detto calore latente di fusione.

L’evaporazione è il passaggio di stato da liquido ad aeriforme, interessa solo la superficie del liquido e la velocità con cui avviene è proporzionale alla temperatura, alla superficie interessata e alla presenza di correnti d’aria. L’ebollizione avviene alla temperatura di ebollizione che si mantiene costante fino a quando tutto il liquido è diventato vapore. Il calore che una quantità fissa di sostanza allo stato liquido richiede per passare completamente allo stato di vapore è detto calore latente di vaporizzazione ed è costante. La temperatura di ebollizione di una sostanza dipende direttamente dalla pressione dell’ambiente sovrastante il liquido.

Raffreddando il vapore si ha il passaggio di questo allo stato liquido, fenomeno chiamato condensazione; può avvenire a tutte le temperature uguali o inferiori a quella di ebollizione a seconda della pressione a cui si trova il vapore. Il calore latente di condensazione è la quantità di calore che si deve allontanare da una certa quantità di sostanza a una determinata temperatura ed è esattamente uguale a quella del processo inverso. Il passaggio di un gas allo stato liquido è la liquefazione.

La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido a quello aeriforme; questo passaggio non è caratterizzato da una temperatura fissa, ma viene facilitato da tutte quelle condizioni che accelerano anche l’evaporazione. Il fenomeno inverso è il brinamento; è il passaggio del vapore acqueo allo stato solido.

Miscele e composti

Le particelle che costituiscono un corpo sono in continuo movimento con una velocità che aumenta all’aumentare della temperatura. Nello stato solido le particelle, unite tra loro molto strettamente da forze attrattive, sono limitate nei loro movimenti. L’aumento della temperatura consente loro delle vibrazioni più ampie, ma ancora fortemente limitate dato che i solidi manifestano solo modestissime dilatazioni.

Alla temperatura di fusione, però, le vibrazioni sono in grado di allentare le forze attrattive tra le particelle fino a consentire loro di muoversi scorrendo le une sulle altre: si è passati allo stato liquido. Aumentando ulteriormente la temperatura si ha un aumento del movimento fino alla resa indipendente di ogni particella; si passa quindi allo stato liquido. Il raffreddamento causa al contrario un rallentamento dei moti dato che le forze attrattive diventano sempre più prevalenti e costringono le particelle a stare sempre più vicine, facendo così passare il corpo prima allo stato liquido e successivamente a quello solido.

Una sostanza viene detta pura se presenta caratteristiche ben definite, come la densità, il punto di fusione e quello di ebollizione, che si ripetono costantemente in ogni suo campione; una sostanza pura è costituita da particelle tutte uguali tra loro. Tuttavia nessuna sostanza è perfettamente pura a meno che non sia ottenuta mediante tecniche specifiche in laboratorio.

I sistemi che si incontrano in natura sono quasi sempre formati da miscele di sostanze presenti in una o più fasi. Un sistema formato da un’unica fase è detto omogeneo, indipendentemente da quanti componenti sono presenti nel sistema stesso. Una miscela omogenea presenta, oltre ad un aspetto uguale in ogni sua parte, proprietà che rimangono costanti in ogni punto; essa mostra lo stesso comportamento di una sostanza chiusa. La differenza è identificabile nella composizione che è costante per una sostanza pura, mentre è limitatamente variabile in una miscela omogenea. Le miscele omogenee sono spesso chiamate soluzioni, nelle quali il componente più abbondante si chiama solvente e l’altro è il soluto.

Metodi di separazione

Distillazione: separazione del componente liquido dalla miscela omogenea liquido-solido; si porta la miscela ad ebollizione ed i vapori del liquido vengono incanalati in un refrigerante dove raffreddano e vengono raccolti sotto stato liquido purificato. La distillazione semplice permette di separare un liquido da un solido, mentre la distillazione frazionata permette la separazione di due liquidi a due temperature di ebollizione differenti.

Cromatografia: si sfrutta la diversa affinità dei componenti della miscela verso due fasi differenti (dette “fase mobile” e “fase stazionaria”) sistemate in una colonna cromatografica.

Un sistema eterogeneo in cui si individuano due o più fasi prende il nome di miscela eterogenea o miscuglio. Le fasi di un sistema eterogeneo sono distinguibili ad occhio nudo e si possono separare in diversi modi:

• Estrazione con solvente: si sfrutta la solubilità del solvente che scioglie solo uno dei due componenti; tramite un imbuto separatore ed un rubinetto, si possono separare i due strati a diversa densità, successivamente il solvente aggiunto viene fatto evaporare.
• Decantazione o sedimentazione: un solido viene separato da un liquido lasciando il miscuglio a riposo e permettendo alla fase solida con maggiore densità di depositarsi sul fondo.
• Filtrazione: si utilizza un setto poroso (carta da filtro) che trattiene una delle due fasi.
• Centrifugazione: si attua quando la differenza di densità tra solido e liquido è molto piccola. L’accelerazione centrifuga sottopone i componenti ad una forza proporzionale alla loro massa, portando quelli più densi lontano dall’asse di rotazione.

Nelle trasformazioni fisiche non viene mutata la natura delle sostanze su cui si opera, le particelle che compongono le sostanze cambiano modo di aggregarsi, ma esse stesse non variano. Si chiamano reazioni chimiche quei processi in cui una o più sostanze si trasformano in altre; sono trasformazioni che interessano la natura delle particelle delle sostanze, modificandole e consentendo la formazione di nuove sostanze.

La molecola è la parte più piccola di una sostanza pura che mantenga le caratteristiche chimiche; la formula chimica di un composto rappresenta gli elementi che lo costituiscono e quanti atomi di ciascuno di essi sono presenti nella sua molecola.

Le leggi ponderali

Nel XVII secolo, Boyle, osserva in modo logico i fenomeni e garantisce una migliore classificazione delle sostanze e della terminologia chimica. La chimica e la fisica di Boyle si basano sulla teoria corpuscolare della materia, secondo cui i corpi sono costituiti di corpuscoli dotati di proprietà meccaniche: forma geometrica, grandezza e moto. I principi su cui si basa la filosofia corpuscolare di Boyle sono materia e movimento; la materia è una sola, omogenea, universale, comune a tutti i corpi ed i suoi unici attributi sono l’estensione, la divisibilità e l’impenetrabilità.

A Lavoisier si deve l’introduzione della bilancia e la conseguente dimostrazione che l’aria è una miscela. Dimostrò anche che la materia si conserva, da qui deriva la Legge di Lavoisier o della conservazione della massa secondo la quale: nel corso di una reazione chimica, la somma delle masse delle sostanze che reagiscono (reagenti) è uguale alla somma delle masse delle sostanze ottenute (prodotti).

Nel corso di una reazione non si ha distruzione o produzione di materia. Prima di Lavoisier gli studi sulla materia avevano avuto uno sviluppo soprattutto di tipo qualitativo; avvenivano scoperte casuali di alchimisti che prendevano elementi aristotelici, li mescolavano, li distillavano e fondevano le sostanze naturali per trasformarli in base alle intuizioni del singolo. Il flogisto era il principio contenuto nei corpi e permetteva a questi di bruciare a seconda della sua concentrazione presente.

Si è osservato che anche l’energia, nel trasformarsi da una forma all’altra, si conserva. Attorno alla metà del XIX secolo, venne formulata la legge della conservazione dell’energia secondo la quale: in una trasformazione, la somma delle energie del sistema e dell’ambiente è uguale prima e dopo la trasformazione di essa. Si dice che l’energia si è degradata a calore, intendendo con questo che si è tramutata in una forma di energia “disordinata” non più adatta allo sfruttamento. In un’esplosione l’energia chimica contenuta nei reagenti si trasforma in energia termica e in energia cinetica delle masse di gas messe in rapido movimento.

Le reazioni chimiche che avvengono con cessione di energia all’ambiente sono dette esoergoniche (esotermiche se viene ceduto solamente calore). Un esempio può essere un’esplosione. Le reazioni che avvengono con assorbimento di energia all’esterno sono dette endoergoniche (endotermiche se viene assorbito solo calore). Un esempio può essere la fotosintesi.

Nel XX secolo Einstein dimostrò che massa ed energia sono interconvertibili; la scomparsa della materia può essere bilanciata dalla comparsa di energia dove c’è la velocità della luce nel vuoto (3 * 10⁸ m/s²); allo stesso modo può avvenire anche il contrario. Queste interconversioni sono evidenti nelle reazioni nucleari, quelle che comportano la trasformazione della parte più interna degli atomi. Si può quindi parlare di legge di conservazione della massa e dell’energia secondo la quale: nell’universo la massa e l’energia variano, mentre la loro somma rimane costante.

Nelle reazioni chimiche nelle quali l’atomo conserva la sua identità, non si deve far ricorso a questa legge. La quantità di energia che viene liberata in una combustione corrisponde alla trasformazione dell’energia chimica del combustibile in energia termica; la diminuzione della somma delle masse dei reattivi rispetto alla somma delle masse dei prodotti è assolutamente non rilevabile anche dalla più sensibile delle bilance.

Nel 1806 Proust formulò la legge delle proporzioni definite, secondo la quale: quando due o più elementi formano un composto, le quantità che reagiscono sono in rapporto definito e costante. Tutte le leggi ponderali scoperte trovano un’interpretazione comune nella teoria atomica di Dalton:

• Tutta la materia è costituita da atomi inalterabili e non divisibili in parti più piccole;
• Tutti gli atomi di un elemento sono uguali e hanno la stessa massa, mentre atomi di elementi diversi hanno masse diverse;
• Nelle reazioni chimiche gli atomi si uniscono e si dividono gli uni dagli altri, ma non vengono né creati né distrutti, né divisi in parti più piccole, né convertiti in atomi di altro tipo;
• Gli atomi dei vari elementi si uniscono in rapporti costanti per formare le molecole;