Complementi di chimica

La materia

La materia è il costituente fisico dell'universo, è tutto ciò che occupa uno spazio e a riposo ha una massa. Si presenta in tre diversi stati di aggregazione:

Stati di aggregazione

• Solido: gli atomi si attraggono gli uni con gli altri per mezzo delle forze di attrazione, hanno una disposizione fissa nello spazio e possono soltanto vibrare, infatti hanno una forma e un volume proprio.
• Liquido: gli atomi si attraggono tra loro ma meno intensamente, perciò possono muoversi più liberamente, infatti hanno volume proprio e assumono la forma del recipiente. Vengono anche detti fluidi perché gli atomi slittano tra di loro.
• Gassoso: gli atomi hanno assoluta libertà di movimento perché le forze di attrazione sono molto basse, infatti non hanno né forma né volume proprio.

Proprietà della materia

La materia è caratterizzata da specifiche proprietà:

• Estensive: proprietà che dipendono dalla quantità di materia che si sta indagando.
• Intensive: proprietà che non dipendono dalla quantità di materia ma dalla natura e dalle condizioni in cui si trova nel momento in cui si sta indagando.

Cambiamenti della materia

La materia è continuo oggetto di cambiamenti fisici (variazione dello stato fisico e non della natura) e di cambiamenti chimici che consistono nella trasformazione di una o più sostanze in altre grazie alle reazioni chimiche. La materia può presentarsi come:

Sostanze pure

• Pura: campione di materiale le cui proprietà non possono essere modificate ulteriormente dalla purificazione. Si dividono in elementi e composti. L'elemento è una sostanza pura costituita da un solo atomo che non si può decomporre chimicamente in sostanze più semplici. Gli elementi sono 118 di cui 98 presenti in natura caratterizzati da un nome e un proprio simbolo. Il composto è una sostanza pura caratterizzata da atomi di almeno due elementi diversi che hanno una specifica formula. Gli atomi di un composto sono combinati in proporzioni ponderali definite e non separabili mediante metodi fisici.
• Miscela: insieme di sostanze pure, possono essere tra più elementi o tra più composti o tra elementi e composti. Possono presentarsi in forma solida, liquida o gassosa e si dividono in omogenea ed eterogenea. La miscela omogenea, o soluzione, è formata da componenti che non sono distinguibili, infatti presentano composizione ponderale e proprietà omogenee in ogni suo punto, ma possono essere diverse dai componenti iniziali. La miscela eterogenea è costituita da singoli componenti non miscelati completamente le cui proprietà sono diverse in ogni suo punto, come ad esempio le sospensioni (solido-liquido) o le emulsioni (liquido-liquido).

Differenze tra composto e miscela

• Non fanno parte i composti non stechiometrici che hanno le caratteristiche dei composti ma la composizione è variabile.
• Il calore può essere liberato o assorbito.
• La miscelazione di acido solforico e acqua non coinvolge calore.

Sistema internazionale (SI)

È il più diffuso sistema di unità di misura, basato su 7 unità fondamentali da cui si ricavano le unità derivate. Definisce anche una sequenza di prefissi per identificare i multipli e sottomultipli di un’unità di misura.

L'atomo

L'atomo è la più piccola parte di materia costituita da un nucleo contenente protoni e neutroni e da una nube elettronica fatta di elettroni.

Nel nucleo il numero di protoni ed elettroni è uguale, la carica dell'elettrone ha stesso modulo ovvero stesso valore assoluto del protone. 1 uma = 1 Dalton = massa di 1.6605 x 10^-24 g. Il numero atomico caratterizza il singolo elemento e di conseguenza le sue caratteristiche. La massa del nucleo corrisponde alla massa del protone più quella del neutrone e la sua carica è positiva. Il raggio del nucleo è pari a 10^-15 m, mentre quello dell’elettrone è 10^-10 m.

Gli isotopi

Gli isotopi sono tutti gli atomi che hanno lo stesso numero atomico, z, e possono avere il numero di massa, A, diverso. Gli isotopi appartengono allo stesso elemento quindi hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni ma differiscono per il numero di neutroni presenti. L'abbondanza isotopica di un campione è il rapporto tra il numero di atomi di un determinato isotopo di un elemento e il numero di atomi totali dell'elemento. L'abbondanza isotopica in natura corrisponde alla percentuale di isotopi di un elemento, X, in un campione presente in natura.

Ad esempio gli isotopi dell'idrogeno che sono: prozio, deuterio e trizio hanno lo stesso numero di protoni, 1, ma hanno diverso numero di neutroni: per il primo 0, per il secondo 1 e per il terzo 2. Questo corrisponde ad avere un'abbondanza isotopica diversa e anche la massa del singolo isotopo è diversa, infatti la massa del prozio è 1, del deuterio è 2 mentre quella del trizio è 3.

Eccezioni

• Un solo isotopo: alluminio, fosforo e fluoro. Hanno sempre lo stesso numero di neutroni.
• Lo stagno ha 10 isotopi, caratterizzati dallo stesso numero atomico ma diverso numero di neutroni.

Peso atomico e molecolare

Peso atomico: Massa media di un atomo dell'elemento in un campione naturale, espressa in uma o Dalton. PA(X) è la somma di tutti gli isotopi dell'elemento: PA(X) = (m₁ * %X₁/100) + (m₂ * %X₂/100) + ...

Peso molecolare: Massa di un composto: PM(A_xB_y) = x * PA(A) + y * PA(B)

Mole e numero di Avogadro

Mole: Quantità di sostanza che contiene un numero di entità elementari pari al numero di atomi presenti in 12g di carbonio (C). Atomi in 12g di C = 6.022 x 10²³.

Avogadro: corrisponde al numero di entità contenute in una mole di sostanza, infatti una mole contiene sempre lo stesso numero di entità indipendentemente dalla sostanza in esame. Una mole di una sostanza chimica corrisponde a quella quantità in grammi pari al suo peso molecolare in uma. Per ottenere una mole di qualsiasi elemento basta pesare una massa in grammi pari al suo peso atomico in uma, mentre per ottenere una mole di un composto, basta pesare una massa in grammi per il suo peso molecolare in uma.

Legge di Proust-Berthollet

In un composto gli elementi sono sempre presenti in rapporti in massa definiti e costanti. La composizione elementare è costante indipendentemente dall'origine del composto.

%m/m (A) = (x * PA(A) / PM(A_xB_y)) * 100

Formula minima e molecolare

Formula minima: formula che fornisce il rapporto molare minimo tra gli elementi del composto ed è ricavabile grazie alla composizione percentuale in massa di elementi nel composto.

Formula molecolare: rapporto molare tra gli elementi del composto in u.