Elementi di Chimica

Martina Contestabile Ingegneria Informatica - Comune A-L A.A 2020/21

ELEMENTI DI CHIMICA

Lunedì 22 Febbraio 2020

Che cos’è la chimica?

La chimica è la scienza della materia e delle sue trasformazioni.

Le origini della chimica provengono dall’alchimia, una fase pregressa, non si basava su un

metodo scientifico, ma sull’empirismo, che ha permesso lo sviluppo di tecniche estrattive

e lavorative.

Nella nostra concezione, c’è una distinzione fra naturale e chimico, ma ciò non è vero,

basta considerare i seguenti esempi:

Central

La chimica viene definita

Science, essa è la base di numerose

scienze. Anche nel mondo del lavoro,

si interagisce con tematiche e

problemi che non riguardano nello

specifico ciò in cui ci focalizziamo nei

nostri studi. Pagina 1

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In questo corso ci concentreremo sugli aspetti chimici di ciò che ci circonda, la “chimica

dentro le cose”. Più che i singoli elementi, prediligiamo uno studio pratico, che entra

dentro le cose.

La chimica solida e la chimica organica. I principi con cui funzionano si basano su

reazioni chimiche, nonostante non appaia concretamente

Legge di Moore

Il numero di transistor in un circuito integrato di un dispositivo raddoppia ogni due anni.

Ha portato ad una crescita molto rapida del numero di transistor all’interno di dispositivi

elettronici. Ha fatto si che la miniaturizzazione dei circuiti venisse sempre più aumentata.

Non c’è una distinzione fra natura e

chimica applicata alla tecnologia. La

natura, tra l’altro, ci ispira nelle strutture e

legami chimici da creare per ottenere ciò

che desideriamo.

Esempi sono le porte logiche molecolari,

etichette intelligenti. Pagina 2

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Ci sono tanti aspetti della chimica nelle

tecnologie, importante è anche

of Things,

nell’Internet creare sensori per

le rilevazioni, ad esempio dell’acqua,

oppure i supercalcolatori, i computer

quantistici…

Motivi validi per studiare Chimica

1. Capire meglio il mondo e l’ambiente in cui viviamo.

2. Ampliare gli orizzonti culturali.

3. Nella vita non si sa mai. Pagina 3

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Fondamenti di Chimica

Costituenti dell’atomo

Dalla metà dell’ottocento c’è stato un

incremento della scoperta degli elementi,

Stanislao

uno dei più importanti chimici fu

Cannizzaro, che riportò il maggior numero di

elementi.

Pochi elementi hanno abbondanza sulla

terra, la maggior parte sono presenti in

maniera marginale.

La teoria atomica risale a Democrito di

Abdera, atomo significava “ciò che non può

essere diviso”, era un concetto filosofico.

A seguire, la teoria atomica venne

approfondita da Dalton, Thomson,

Millikan e Rutherford.

Thomson fu il responsabile della scoperta

dell’elettrone, misurò il rapporto fra massa

−12

−5,686 ⋅ 10 Kg/C

e carica, che è .

Attraverso un tubo di vetro parzialmente

vuoto d’aria, un tubo a raggi catodici di

cui erano note le caratteristiche elettriche

e meccaniche. elettroni emessi da un

filamento incandescente vengono

accelerati nel cannone e penetrano fra le

d

armature (distanti ) di un condensatore

piano, carico ad una differenza di

V

potenziale che li devia prima che colpiscano lo schermo.

C

Tutto il tubo è sotto vuoto spinto per evitare gli urti con le molecole dell’aria.

Millikan (con i suoi studenti, tra cui Fletcher), determinò la massa dell’elettrone, che è

−31 −19

9,109 × 10 Kg 1,602 × 10 C

. La carica dell’elettrone, invece, è .

Nel 1897 il fisico e ingegnere britannico J. J. Thomson riuscì a misurare il rapporto carica/

massa di un elettrone nel 1897; 14 anni dopo R. A. Millikan ottenne il valore della carica

elettrica.Egli irradiò con raggi X delle finissime gocce di olio spruzzate da un atomizzatore

tra due piastre cariche.

I raggi X provocano l'espulsione di elettroni dagli atomi del gas dell'aria. Pagina 4

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Questi vengono captati dalle gocce d'olio

che acquistano così una, due o più

cariche elettriche negative.

Millikan misurò prima la velocità di caduta

nell'aria delle gocce cariche di viscosità

nota.

Successivamente misurò il voltaggio da

applicare, necessario per sospendere le

gocce tra le piastre.

Egli calcolò che la carica elettrica su

qualsiasi goccia era sempre un multiplo

intero di 1,6022 · 10-19 Coulomb e,

correttamente, concluse che questa

doveva essere la carica di un singolo

elettrone.

La carica acquistata dalla goccia d'olio può essere calcolata dalla tensione che deve

essere applicata tra la piastra del condensatore perché vi sia uguaglianza fra la forza

gravitazionale e forza elettrostatica.

Si riuscì successivamente anche a determinare la massa dell'elettrone.

Rutherford (e collaboratori, tra cui Geiger), si viene a conoscenza del nucleo atomico.

Bombardò una sottilissima lamina di oro con raggi alfa.

Le particelle alfa positive passavano nel 99% dei casi attraverso la lamina senza subire

deviazioni. In qualche caso venivano deviate con angoli superiori ai 90°e, in un caso su

8000, venivano respinte indietro.

In base a questi dati Rutherford ipotizzò che:

• Poiché le particelle alfa nella maggior parte dei casi oltrepassavano la lamina d'oro

senza subire deviazioni, significava che non incontravano alcun ostacolo sul

proprio cammino e che quindi, l'atomo doveva essere formato prevalentemente da

spazio vuoto.

• Poiché in qualche caso le particelle alfa venivano deviate e in rarissimi casi

venivano riflesse, l'intera carica positiva (protoni) dell'atomo doveva essere

concentrata in un "nocciolo" piccolissimo e centrale: il nucleo.

• Gli elettroni negativi dovevano muoversi lungo orbite circolari. Il diametro del

nucleo doveva essere centomila volte più piccolo del diametro dell'atomo.

modello planetario,

Questo modello atomico è detto poiché ricorda, in miniatura, il

Sistema Solare in cui il sole rappresenta il nucleo dell'atomo e i pianeti gli elettroni, che si

muovono, lungo le proprie orbite attorno al sole (nucleo dell'atomo).

I protoni e i neutroni occupano uno spazio molto piccolo nell’atomo, gli elettroni orbitano

attorno a protoni e neutroni.

Per scoprire la vera struttura atomica, attualmente esistono strumentazioni di laboratorio

altamente sofisticate, che aiutano a Pagina 5

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sempre

Nell’atomo deve esserci un bilanciamento di carica, il numero di protoni ed

uguale, instabile.

elettroni deve essere altrimenti l’atomo è

Applicando alla carica nello spettrometro un campo magnetico, si avrà una deviazione,

Forza di Lorenz,

causa che viene analizzata dal

detector. Nel caso del neon, la maggior parte

20 Ne

sono con carica positiva, circa il 90%, il

21 22

Ne Ne isotopi.

resto sono e , ovvero gli

Gli isotopi sono le varianti di un atomo, le cui

diversità consistono nel numero di neutroni.

Z

Isotopi: stesso numero atomico , ma diverso

A

numero di massa . Pagina 6

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Giovedì 25 Febbraio 2021

L’inventore della tavola periodica fu Dimitrij Mendeleev. Tuttavia, Cannizzaro presentò la

lista degli elementi esistenti, da qui nacque la necessità di ordinarli. Mendeleev lo fece

incaricato dallo Zar, ma non è l’unico che creò un’organizzazione. La sua intuizione fu

quella di ordinarli per massa atomica. Un’altra intuizione notevole fu quella di

capire che non erano stati scoperti ancora

tutti gli elementi. Infatti, la prima tavola

periodica aveva solo 63 elementi, quella

attuale 118. Quindi, egli laniò degli spazi

per gli elementi che sarebbero stati

scoperti. Pagina 8

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La tavola periodica degli elementi è un

riferimento importante per organizzare gli

elementi. Essa è divisa in colonne dette

gruppi, che sono 8 + gli elementi di

transizione il gruppo uno è quello degli

alcalini, il secondo degli alcalino terrosi, il

settimo degli alogeni e l’ottavo dei gas

nobili. Il gruppo degli elementi di

transizione contiene i metalli di

transizione.

Gli elementi chimici sono ordinati in

numero atomico crescente. Gli elementi

della stessa colonna (gruppo) hanno

configurazione elettronica esterna simile e ciò comporta la somiglianza delle proprietà

chimiche e delle proprietà fisiche di questi elementi.

non

L’idrogeno, nonostante sia nel gruppo uno, fa parte dei metalli alcalini, è un non-

metallo costituito da un solo elettrone.

La periodicità della tavola degli elementi è quindi dovuta alla struttura elettronica più

esterna degli elementi. Gli elettroni presenti nell'ultimo livello di energia sono chiamati

elettroni di valenza. Pagina 9

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La mole è la quantità di sostanza che

contiene un numero di Avogadro di

particelle elementari, atomi o molecole. Quindi: per prelevare una mole di qualsiasi

sostanza, basterà pesarne una quantità in grammi numericamente uguale alla massa

atomica o alla massa molecolare. In tal modo saremo sempre certi che con tale quantità

numero di

preleveremo sempre un

Avogadro di atomi o di molecole.

Poiché l'unità di massa atomica scelta è il

Dalton, unità di massa atomica, che

corrisponde alla dodicesima parte

dell'atomo di 12C, occorre dare per la

mole una definizione più rigorosa, che è

quella adottata nella comunità scientifica:

la mole è la quantità di sostanza che

contiene tante entità elementari, atomi o

molecole, quanti sono gli atomi presenti in

12 g di carbonio 12C.

La mole per il chimico è quindi l'unità di

misura fondamentale; essa, infatti,

permette di determinare il numero delle

particelle contenute in una determinata quantità di sostanza.

La massa in grammi di una mole prende il nome di massa molare, misurata in g/mol, e il

suo simbolo è M.

La mole ci consente il passaggio dalla sfera microscopica a quella macroscopica,

riusciamo a trovare la massa della molecola considerata.

23

6,022 ⋅ 10

sempre

Una mole di qualsiasi sostanza ha atomi. Pagina 10

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Nel caso ci sia un pedice, la massa atomica va moltiplicata per quel pedice!

La massa atomica del composto è la somma delle masse atomiche del singolo elemento,

ciascuno considerato con il proprio pedice. Pagina 11

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Crescendo di informazioni sulla

molecola che devo studiare

Quando si ha stessa formula molecolare,

come nell’alcol etilico e nell’etere

dimetilico, si ha un caso di isomeria, solo

la formula di struttura ci aiuta a capire le

proprietà chimico-fisiche dei composti

Lunedì 1 Marzo 2021

Pagina 12

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Reazioni (equazioni) chimiche: scrittura e bilanciamento

Un confronto tra le masse non indica il rapporto con cui i reagenti si combinano per dare i

H O H O

prodotti. Ad esempio, 4,032g di e 31,99g di reagiscono per formare 36,22g di

2 2 2

la massa si conserva (Legge di Lavoisier) se convertiamo

Questi dati confermano solo che

queste masse in moli.

H O H O H

2mol di e 1mol di reagiscono per formare 2mol di e, quindi, 2 molecole di

2 2 2 2

O H O

e 1 molecola di formano 2 molecole di .

2 2

Nel momento in cui scrivo, devo

considerare che il coefficiente

stechiometrico indica allo stesso tempo il

numero di atomi e le moli, permettendoci

di vedere che la reazione è bilanciata.

Ho una reazione con ossigeno biatomico,

che poi si spezzerà. Bisogna tener conto

della realtà chimica, quindi considerando

⇒

la chimica della reazione moltiplico per

1 2Mg + O → 2MgO

, altrimenti avrei .

2

2 Pagina 13

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Avvertenze generali e consigli pratici

solo mai

Le reazioni si bilanciano modificando i coefficienti davanti alle formule e

cambiando i pedici!

Nel bilanciare una reazione è meglio cominciare con un elemento che compare in

un’unica specie (o nel numero minore) su ogni lato della reazione.

Quando uno dei reagenti o dei prodotti esiste come elemento libero bisogna bilanciare

questo elemento per ultimo.

In alcune reazioni certi gruppi di atomi (ad esempio ioni poliatomici) restano immutati. In

tal caso, si possono bilanciare questi gruppi come unità.

Esempi:

C H O → CO H O

1. (g) + (g) (g) + (g)

8 18 2 2 2

25 O

C H → 8CO 9H O

(g) + (g) (g) + (g)

8 18 2 2

2

2

2C H 25O → 16CO 18H O

(g) + (g) (g) + (g)

8 18 2 2 2

Pb(NO ) Kl → Pbl K NO

2. (aq) + (aq) (s) + (aq)

3 2 2 3

Pb(NO ) 2Kl → Pbl 2K NO

(aq) + (aq) (s) + (aq)

3 2 2 3

Na CO HCl → NaCl CO H O

3. (s) + (l) (aq) + (g) + (l)

2 3 2 2

Na CO 2HCl → 2NaCl CO H O

(s) + (l) (aq) + (g) + (l)

2 3 2 2 Pagina 14

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Reagente limitante e reagente in eccesso

Spesso i reagenti non vengono mescolati in un

rapporto esatto richiesto dalla stechiometria

della reazione. Ci saranno quindi reagenti

limitanti e in eccesso.

Esempio: antimonio e iodio riscaldati insieme

formano lo ioduro di antimonio (III)

2Sb 3I → 2SbI

(s) + (s) (s).

2 3 Sb

Supponiamo di mescolare 15 moli di con

I

15 moli di . Per avere l’equivalenza le moli di

2 3

I Sb

dovrebbero essere i delle moli di .

2 2

→ I

Reagente limitante (reagisce

2

completamente) → Sb

Reagente in eccesso (10 moli di Sb

reagiscono, restano in eccesso 5 moli).

La quantità di prodotto viene determinata dalla

quantità di reagente limitante tenendo conto

2

nSbI nI

dei coefficienti stechiometrici: = =

3 2

3

10 moli. Con il termine resa, in chimica

vengono indicate diverse figure di

merito che fanno riferimento alla

quantità di prodotto che si è riusciti

ad ottenere da una reazione chimica.

Ci sono prodotti principali, ma anche

una serie di prodotti collaterali

Si definisce resa assoluta (o resa

n

effettiva) il rapporto tra la quantità

p

di prodotto ottenuto dallo svolgimento

di una reazione chimica e la quantità

di reagente inizialmente contenuto

resa

nell'ambiente di reazione. La

teorica è la quantità di prodotto

l

teoricamente ottenibile se tutto il reagente limitante si trasformasse durante la reazione

n

l

v

chimica. La resa teorica è pari a , dove:

p v

l

v v

A. e sono i coefficienti stechiometrici relativi al prodotto (P) e al reagente

p l

limitante (L), ottenibili dall'equazione della reazione.

n

B. è la quantità di reagente limitante.

l

n

Trattandosi di un valore di massa, la resa teorica può essere espressa in grammi.

l Pagina 15

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Le soluzioni

La soluzione è un sistema omogeneo costituito da almeno due componenti. Il

componente maggioritario è chiamato solvente, mentre quelli minoritari sono chiamati

soluti.

Per caratterizzare una soluzione occorre specificare, oltre ai componenti, anche le loro

abbondanze relative. In genere, si usano grandezze intensive. Una delle più impiegate è la

concentrazione, che può essere espressa in vari modi:

Molarità

I. (M) = moli di soluto / 1 dm3 di soluzione (1L).

Molalità

II. (m) = moli di soluto / 1 kg di solvente.

n

1

x

Frazione molare

III. ( ) = .

1 (n + n )

1 2

Massa percentuale

IV. =(massa soluto/massa soluzione)·100. Pagina 16

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Lunedì 8 Marzo 2021

Pagina 17

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Concetti fondamentali sulle ossidoriduzioni

Le specie chimiche che cedono elettroni si ossidano e quelle che li accettano si riducono:

2+ 2−

2Mg + O → 2(Mg )(O )

2

il magnesio si ossida, l’ossigeno si riduce

Il processo di ossidoriduzione può essere suddiviso in semi- reazioni di ossidazione e di

riduzione.

Il numero di elettroni ceduti da una specie deve equivalere al numero di elettroni

acquistati dall’altra specie.

La specie che ossida (ossidante) si riduce.

La specie che riduce (riducente) si ossida.

Il numero (stato) di ossidazione è la carica che l’atomo di una molecola (o composto

ionico) avrebbe se gli elettroni non fossero condivisi, ma completamente trasferiti.

BaSO + C → BaS + CO

4

+2+6-8 0 +2-2 +2-2

−

S : +6 → + 8e → − 2

−

C : 0 → − 2e → − 2

Bisogna bilanciare