Riassunto esame Chimica e Propedeutica Biochimica, prof. Agostini, libro consigliato Chimica, Biochimica e Biologia Applicata di Taddei

La materia e le sue trasformazioni

La materia

La materia è tutto ciò che ha massa e possiede un volume. Esiste in tre stati di aggregazione:

• Solido
• Liquido
• Gassoso

Questi stati di aggregazione non dipendono solo dalla natura della materia ma anche dalla temperatura e dalla pressione. Queste trasformazioni sono chiamate "trasformazioni fisiche" e sono i più comuni passaggi di stato.

La materia può presentarsi sotto forma di sostanze pure o di miscugli, cioè una serie di sostanze pure. A loro volta le sostanze pure possono essere classificate in elementi e composti mentre i miscugli sono divisi in miscugli omogenei ed eterogenei. Le sostanze pure in natura sono formate da particelle identiche tra loro ed hanno perciò una composizione definita e costante; i miscugli, invece, non sono composti da quantità di sostanze pure definite e costanti.

La materia è formata da piccolissime particelle che sono:

• Gli atomi
• Le molecole
• Gli ioni

Queste particelle sono sempre in continuo movimento e mai ferme. Nei solidi vibrano attorno a un punto fisso, nei liquidi sono in contatto tra loro e possono scorrere le une sulle altre mentre, nello stato gassoso godono della massima libertà di movimento, sono indipendenti le une dalle altre e urtano continuamente tra loro.

Un miscuglio è detto omogeneo quando le sostanze che lo compongono si mescolano in modo uniforme e non sono visibili neanche al microscopio. Un miscuglio è detto eterogeneo quando le sostanze che lo compongono sono visibili ad occhio nudo o con l'aiuto di un microscopio.

Le trasformazioni chimiche, invece, sono trasformazioni irreversibili nelle quali si ha la formazione di nuove sostanze.

Legge di Lavoisier

La legge di Lavoisier, nota anche come legge di conservazione della massa, afferma che nel corso di una reazione chimica la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti. In altre parole, nel corso di una reazione chimica la materia non si crea e non si distrugge.

Legge di Proust

La legge di Proust, chiamata anche legge delle proporzioni definite, afferma che in un composto chimico gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti in rapporti di massa costanti e definiti. Ad esempio, per ottenere dell'acqua dobbiamo far reagire sempre gli elementi dell'idrogeno nel rapporto di un grammo di idrogeno contro 8 grammi di ossigeno. Qualsiasi eccesso di uno dei due elementi non reagisce per dare l'acqua e rimane in eccesso alla fine.

Legge di Dalton

La legge di Dalton, anche detta legge delle proporzioni multiple, afferma che: quando due elementi si combinano in modi diversi per formare diversi composti, posta fissa la quantità di uno dei due elementi, la quantità dell'altro necessaria a reagire per formare un diverso composto dovrà essere un multiplo o un sottomultiplo di sé stesso, in rapporti esprimibili in numeri piccoli e interi.

Il modello atomico di Dalton

• La materia è composta da particelle microscopiche indivisibili e indistruttibili chiamate atomi.
• Tutti gli atomi di un elemento sono uguali tra loro ed hanno la stessa massa.
• Gli atomi di un elemento non possono diventare atomi di altri elementi.
• Gli atomi di un elemento possono combinarsi solo con numeri interi di atomi di un altro elemento.
• In una reazione chimica gli atomi di un elemento non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi formando nuovi composti.

La struttura dell'atomo

L'atomo

L'atomo è la più piccola parte di un elemento chimico che conserva le proprietà chimiche dell'elemento stesso. È formato da elettroni che si muovono attorno al nucleo, il quale è composto da neutroni e protoni.

L'elettrone fu scoperto da Thomson nel 1897, ha una massa praticamente trascurabile ed una carica elettrica negativa. Il protone fu scoperto da Goldstein nel 1866, ha una massa di circa 2000 volte più grande di quella dell'elettrone ed ha carica positiva. Il neutrone fu ipotizzato da Rutherford per poi essere scoperto da Chadwick nel 1932, la sua massa è simile a quella del protone ed ha una carica neutra.

Il numero di protoni in un atomo corrisponde al numero atomico (Z), mentre la somma tra numero di protoni e numero di neutroni corrisponde al numero di massa (A). Gli elettroni sono numericamente uguali al numero di protoni.

Le sostanze semplici, o elementi, sono costituite da atomi della stessa specie. Le sostanze composte, o composti, sono composte da specie di atomi diverse ma sempre in rapporti numerici bene definiti e generalmente semplici. Più atomi legati tra loro formano le molecole.

Un isotopo è un atomo che ha lo stesso numero atomico Z, quindi appartenente allo stesso elemento, rispetto ad un altro atomo, ma differisce per numero di massa A. Per conoscere il numero dei neutroni di un atomo e vedere così se si tratta di un isotopo bisogna utilizzare la formula: N°=A-Z.

L'idrogeno ha tre isotopi chiamati: prozio, deuterio e trizio. Il prozio non ha neutroni, il deuterio ha un neutrone ed il trizio ne ha 2.

La radioattività

Per radioattività si intende la proprietà dei nuclei di alcune sostanze di disintegrarsi spontaneamente emettendo radiazioni intense e trasformazioni in nuclei di altri atomi, solitamente più leggeri. Nel fenomeno della radioattività le radiazioni emesse possono essere di tre tipi: α, β, γ.

Le radiazioni α sono costituite dai nuclei dell'atomo di elio. Se un elemento radioattivo emette una particella α, il suo nucleo si trasforma in quello di un elemento avente un numero atomico diminuito di due unità ed un numero di massa diminuito di quattro unità. Le radiazioni α sono poco penetranti.

Le particelle β vengono emesse da un nucleo di un atomo che subisce una trasformazione nella quale un neutrone si trasforma in un protone. In questa trasformazione vengono emessi anche un elettrone ed un antineutrino. Il nucleo dell'elemento si trasforma in quello dell'elemento avente numero atomico maggiore di una unità.

Le particelle β+ vengono emesse dal nucleo di un atomo nel quale un protone si trasforma in un neutrone. Il nucleo di un atomo si trasforma in quello dell'elemento avente numero atomico superiore di una unità. La particella β+ si ha grazie alla radioattività artificiale.

I raggi γ sono privi di carica elettrica e sono costituiti da radiazioni elettromagnetiche di altissima frequenza. Hanno un elevato potere penetrante.

L'atomo e i livelli di energia

L'atomo di Bohr

Nel 1913 gli studi sugli spettri a emissione e sugli spettri ad assorbimento dell'idrogeno e di altre sostanze, portarono il fisico danese Bohr a pensare che gli elettroni si muovevano nello spazio soltanto in orbite circolari di ben definite energie. Il modello atomico di Bohr si basa su due postulati:

• L'elettrone può percorrere attorno al nucleo alcune orbite circolari senza perdere energia. I raggi di tali orbite soddisfano tutti la relazione dove m è la massa dell'elettrone, v è la sua velocità, h è la costante di Plank. Al termine n, un numero intero che può assumere tutti i numeri interi maggiori di 1 a cui Bohr diede il nome di numero quantico principale.
• L'energia assorbita da un elettrone ne consente la transizione dell'orbita in cui si trova normalmente (stato fondamentale) a una delle orbite di energia quantizzata superiore (stato eccitato). L'elettrone rimane in queste orbite per un tempo brevissimo per poi tornare nuovamente allo stato energetico fondamentale.

Il modello ad orbitali

Mentre il modello atomico di Bohr considerava che gli elettroni si muovessero attorno al nucleo secondo orbite circolari, il modello atomico di Schrodinger definisce le regioni dello spazio in cui il quadrato della funzione d'onda raggiunge i valori più alti; tali regioni sono chiamate "orbitali". L'orbitale è quella zona in cui al 98% dei casi è possibile trovare l'elettrone. A definire la dimensione, la forma e l'orientamento di un orbitale ci aiutano i numeri quantici.

I numeri quantici

I numeri quantici sono quattro:

• Numero quantico principale.
• Numero quantico secondario.
• Numero quantico magnetico.
• Numero quantico di spin.

I primi tre servono ad indicare e distinguere i diversi orbitali, mentre il quarto descrive una proprietà dell'elettrone.

Numero quantico principale: si indica con n ed assume valori interi che vanno da 1 a 7. Quando n cresce gli orbitali diventano più grandi e la loro energia cresce.

Numero quantico secondario: si indica con l e stabilisce quanti orbitali di tipo diverso possono esistere con lo stesso livello energetico. l = n-1 per l = 0 esiste solo s; per l = 1 esiste s, p.

Numero quantico magnetico: si indica con m, descrive l'orientamento nello spazio degli orbitali ed assume valori che vanno da -l a +l.

Numero quantico di spin: si indica con ms, descrive la rotazione dell'elettrone ed assume valori pari a ½ e – ½.

Principio di esclusione di Pauli

Due elettroni che occupano lo stesso orbitale hanno spin opposti.

Configurazione elettronica degli elementi

La configurazione elettronica è la rappresentazione degli elettroni di un atomo. I primi quattro orbitali sono: s, p, d, f.

• Vi è un solo orbitale s.
• Vi sono massimo 3 orbitali p.
• Vi sono massimo 5 orbitali d.
• Vi sono massimo 7 orbitali f.

I successivi orbitali sono solo teorizzati. Ognuno di questi orbitali può contenere massimo due elettroni ed ogni livello ospita un numero pari di elettroni dato da: 2²(n).

Bisogna ricordare:

• Ogni orbitale si rappresenta con un quadratino.
• Ogni orbitale può contenere massimo due elettroni con spin opposti.
• Principio della costruzione progressiva: si occupano prima gli orbitali con più bassa energia.
• Principio di Hund: se ci sono più orbitali con la stessa energia, prima si occupa un elettrone su ogni orbitale, poi si completano quelli semipieni.
• Il livello 4s ha energia minore rispetto a quello 3d per cui si riempie prima.