Corso di chimica generale

Chimica generale

a.a 2014 – 2015

Prof: Adriano Martinelli

C.d.L.M in chimica e tecnologie farmaceutiche

1

Indice

Definizioni generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 11

. .

- Proprietà della materia

- I tre stati di aggregazione della materia

- Elementi composti e miscele

- Proprietà chimiche

- Proprietà fisiche

- Trasformazioni chimiche e fisiche

- Il metodo scientifico

- Il metodo induttivo

- Il metodo deduttivo

- Unità di misura

- Precisione accuratezza ed errori sperimentali

- La matematica della chimica

- L’importanza dell’energia nello studio della materia

La teoria atomica della materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 21

. .

Arti chimiche e origini della chimica

Le osservazioni che condussero a una concezione atomica della materia. . ... . pag. 22

- Conservazione della massa

- Legge della composizione definita

- Legge delle proporzioni multiple

- La teoria atomica di Dalton

La scoperta della struttura atomica . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 23

.

- Elettricità

- Scoperta dell’elettrone e delle sue proprietà

- Radioattività

- Scoperta del nucleo atomico

La teoria atomica odierna: la struttura dell’atomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 27

.

Numero atomico

Numero di massa

Isotopi

La tavola periodica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 29

. .

Caratteristiche della tavola periodica

Metalli, non metalli e metalloidi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 30

.

- Metalli

- Non metalli

- Metalloidi

Allotropia

Metalli alcalini

Metalli alcalino terrosi

Gruppo 3A

Gruppo 4A

Gruppo 5A

Gruppo 6°

Alogeni 2

Gas nobili

Molecole ioni e composti molecolari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 32

. .

Regole di nomenclatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 33

. .

Valenza

Numero di ossidazione o stato di ossidazione

Nomenclatura tradizionale e nomenclatura sistematica

Nome di un elemento o sostanza elementare

Costruzione di composti binari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 35

.

- Ossidi e idrossidi

- Anidridi e ossiacidi

- I Sali degli ossiacidi

- Composti binari dell’idrogeno

- Composti binari senza ossigeno

Cationi poliatomici

Principali cationi

Principali anioni

Stechiometria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 43

. .

- La mole

- Massa molare

- Interconversione di quantità di sostanza, massa e numero di entità chimiche

- Percentuale in massa ottenuta da una formula chimica

- Determinazione della formula di un composto sconosciuto

- Scrittura e bilanciamento delle equazioni chimiche

- Reazioni chimiche in cui partecipa un reagente limitante

- Espressione delle concentrazioni in termini di molarità

- Preparazione e diluizione di soluzioni molari

Le principali classi di reazioni chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .pag. 46

.

L’acqua come solvente

La solubilità dei composti ionici

Soluti acquosi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 46

. .

- Elettroliti

- Non elettroliti

Il carattere polare dell’acqua

Solubilità dei composti ionici in acqua

Solubilità dei composti covalenti in acqua

Scrittura delle equazioni per le reazioni ioniche in soluzione acquosa

Reazioni di ossidoriduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 48

. .

- La forza motrice per i processi redox

- Terminologia essenziale delle reazioni redox

- Impiego dei numeri di ossidazione per monitorare il movimento di carica elettronica

- Bilanciamento delle equazioni redox

- Riconoscimento delle equazioni redox

I gas . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 50

. .

Caratteristiche dei gas

Pressione e misurazione 3

Dispositivi per misurare la pressione di un gas

Unità di misura della pressione

Le leggi dei gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 52

. .

- La legge di Boyle

- La legge di Charles

- Altre relazioni basate sulla legge di Charles e sulla legge di Boyle

- La legge di Avogadro

- Comportamento di un gas in condizioni normali di temperatura e pressione

- La legge di Gay – Lussac della combinazione dei volumi

L’equazione di stato dei gas perfetti

Risoluzione dei problemi sulle leggi dei gas

Densità di un gas

Massa molare di un gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 57

. .

- Il metodo Dumas

Volumi di gas nelle reazioni chimiche

La pressione parziale di un gas in una miscela di gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 57

- La legge di Dalton delle pressioni parziali

Raccogliere un gas sott’acqua

La teoria cinetica molecolare dei gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 59

- Postulati della teoria cinetica dei gas

- Le leggi dei gas da un punto di vista molecolare

- Il significato di temperatura

- Effusione e diffusione

I gas reali . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 63

. .

- Effetti di condizioni estreme sul comportamento dei gas

- L’equazione di Van der Waals

Termochimica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 65

. .

Forme di energia

Sistema e ambiente

Flusso di energia dall’esterno all’interno di un sistema e viceversa

Calore e lavoro

Trasferimento di energia solo sotto forma di calore

Trasferimento di energia solo sotto forma di lavoro

Verso del trasferimento di calore: equilibrio termico

Principio di conservazione dell’energia

Unità di misura dell’energia

Funzioni di stato

Entalpia

Confronto tra ΔE e ΔH

Processi esotermici ed endotermici

Tipi di variazioni dell’entalpia

Variazioni delle forze di legame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 68

.

- Componenti dell’energia interna

- Rottura e formazione dei legami

Calorimetria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 69

. .

4

- Calore specifico

- Calorimetro a pressione costante

- Calorimetro a volume costante

Stechiometria delle equazioni termochimiche

Legge di Hess

Calori standard di reazione

Equazioni di formazione e variazioni standard di entalpia

Determinazione di ΔHr0 a partire dai valori di ΔHf0 dei reagenti e dei prodotti

Struttura elettronica degli atomi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 72

.

Natura della luce . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 72

. .

- Natura ondulatoria della luce

- Natura particellare della luce

- Effetto fotoelettrico e teoria fotonica della luce

Spettri atomici

Saggi alla fiamma

Il modello di Bohr dell’atomo di idrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 76

.

- Limitazioni del modello di Bohr

- Gli stati energetici dell’atomo di idrogeno

Il dualismo onda particella ed energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .pag. 79

Natura ondulatoria degli elettroni e natura particellare dei fotoni

Il principio di indeterminazione di Heisenberg

Il modello quantomeccanico dell’atomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 81

.

- L’orbiate atomico e la posizione probabile dell’elettrone

- Numeri quantici. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 82

. .

- Rappresentazione degli orbitali atomici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 83

.

- Caratteristiche degli atomi polielettronici

- Principio di esclusione di Pauli . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . pag. 84

. .

- Effetti elettrostatici e separazione dei livelli energetici

- L’effetto della carica nucleare sull’energia dell’orbitale

- Schermatura: l’effetto delle repulsioni interelettroniche

- Penetrazione: l’effetto della forma dell’orbitale sulla sua energia

Il modello quantomeccanico e la tavola periodica . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 86

Configurazione elettronica degli elementi del primo e del secondo periodo

Configurazione elettronica degli elementi del terzo periodo

Configurazioni elettroniche entro i gruppi

Configurazione elettronica degli elementi del quarto periodo

Principi generali delle configurazioni elettroniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 88

- Categorie di elettroni

- Numero del gruppo e numero del periodo

- Elementi di transizione ed elementi si transizione interna

Proprietà atomiche essenziali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 89

- Raggio atomico

- Energia di ionizzazione

- Affinità elettronica

Il legame chimico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 92

. .

5

Tipi di legame chimico

I composti ionici

I composti covalenti

La teoria di Lewis: rappresentazione degli atomi nei legami chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 94

Il modello del legame ionico . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 94

- Considerazioni energetiche nella formazione del legame ionico

- Tendenze periodiche dell’energia reticolare

- Come il modello spiega le proprietà dei composti ionici

Il modello del legame covalente . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 98

- La formazione di un legame covalente

- Coppie di legame e coppie solitarie

- Proprietà di legame covalente

- Come il modello spiega le proprietà dei composti covalenti

Elettronegatività

Il carattere ionico parziale dei legami covalenti polari

Il continuo di legame lungo un periodo

Il modello del legame metallico . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 102

- Come il modello spiega le proprietà dei metalli

- Il motivo per cui i metalli sono deformabili

Le forme delle molecole (strutture di Lewis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 104

- Strutture di Lewis per molecole con legami singoli

- Strutture di Lewis per molecole con legami multipli

- Risonanza

- Carica formale

- Strutture di Lewis per le eccezioni alla regola dell’ottetto

- Molecole con numero dispari di elettroni

- Gusci di valenza espansi

- Impiego di strutture di Lewis e di energie di legame per calcolare i calori di reazione

Teoria VSEPR (valence shell electron pair repulsion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .pag. 108

Disposizione dei gruppi di elettroni e forme molecolari

La forma molecolare con due gruppi di elettroni (diposizione lineare)

Forme molecolari con tre gruppi di elettroni (disposizione planare trigonale)

Effetto dei legami doppi

Effetto delle coppie solitarie

Forme molecolari con quattro gruppi di elettroni (disposizione tetraedrica)

Forme molecolari con cinque gruppi di elettroni (disposizione bipiramidale trigonale)

Forme molecolari con sei gruppi di elettroni (disposizione ottaedrica)

Impiego della teoria VSEPR per determinare la forma molecolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 111

Forme molecolari con più di un atomo centrale

Forma molecolare e polarità molecolare

Cinetica chimica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 113

.

I fattori che influenzano la velocità di reazione

Espressione della velocità di reazione

Velocità media, istantanea e iniziale di una reazione

Velocità di reazione in funzione delle concentrazioni di reagenti e prodotti

6

La legge cinetica di reazione e le sue componenti

Terminologia degli ordini di reazione

Determinazione della costante di velocità

Leggi cinetiche integrate

Determinazione dell’ordine di reazione in base alla legge cinetica integrata

Tempo di dimezzamento di una reazione

L’effetto della temperatura sulla velocità di reazione

Teoria delle collisioni

Influenza della struttura molecolare sulla velocità di reazione

Teoria dello stato di transizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . pag. 120

- Visualizzazione dello stato di transizione

- Visualizzazione della trasformazione con diagrammi dell’energia di reazione

Meccanismi di reazione

Reazioni elementari e molecolarità

Legge cinetica per un meccanismo multistep

Catalisi: accelerazione di una reazione chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . pag. 122

- Catalisi omogenea

- Catalisi eterogenea

Gli enzimi

Equilibrio chimico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 124

.

- Il quoziente di reazione e la costante di equilibrio

- Scrittura del quoziente di reazione

- Variazioni della forma del quoziente di reazione

- Unità di misura di Q e K

- Forma di Q per una reazione complessiva

- Forma di Q per una reazione diretta e una reazione inversa

- La forma di Q per una reazione con coefficienti moltiplicati per un fattore comune

- Forma di Q per una reazione a cui partecipano liquidi e solidi puri

- Espressione degli equilibri con termini di pressione: relazione tra Kc e Kp

- Direzione di una reazione: confronto di Q e K

Il principio di Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 129

.

- Cambiamento delle concentrazioni di reagenti e prodotti

- Effetto di volume e pressione

- Effetto della temperatura

- Effetto dei catalizzatori

Esercizi. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 132

. .

Teoria del legame di valenza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag. 133

.

La teoria del legame di valenza (teoria VB) e l’ibridazione degli orbitali. . . . . . . . . pag. 133

- I temi centrali della teoria VB

Orbitali ibridi. . . . . . .. . . . ... . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . .