Esame Elementi di chimica e didattica della chimica - Prof Formica - Appunti presi alle lezioni

Elementi di chimica e didattica della chimica

La chimica studia come è fatta la materia; in particolare è la scienza che studia le sostanze, naturali o artificiali, sia dal punto di vista della loro composizione e struttura, sia da quello delle trasformazioni che portano alla loro formazione.

Sistema internazionale di Unità di Misura (SI)

Le grandezze che si possono misurare sono dette grandezze fisiche. Ci sono 7 grandezze fondamentali, ognuna delle quali ha una propria unità di misura e un proprio strumento di misura. Dalle grandezze fondamentali si ricavano grandezze derivate (es. area, volume, densità...) la cui unità di misura è data dalla combinazione delle unità di misura di quelle fondamentali. Le grandezze possono essere: - estensive, se dipendono dalle dimensioni del campione (lunghezza, massa, volume); - intensive, se non dipendono dalle dimensioni del campione (densità, peso specifico, temperatura di...)La densità (kg/m^3) di un corpo è il rapporto fra la sua massa e il suo volume: d = m/V^3. Il peso specifico (N/m^3) di un corpo è il rapporto fra il suo peso e il suo volume, ovvero corrisponde al prodotto della densità per l'accelerazione di gravità: P = P/V = m g/V = d g s. In generale, la massa (kg) è la misura della resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete e di moto. Sulla terra, il peso (N) di un corpo è pari alla forza con cui la sua massa viene attratta dalla Terra: P = m g (peso del corpo = massa del corpo x accelerazione di gravità, 9,8 m/s^2) [N]. Il peso è una forza, infatti è misurata in Newton ed è in funzione del posto dove si misura: ad esempio, sulla Luna il peso di un corpo è circa sei volte inferiore che sulla Terra, in quanto la forza di gravità diminuisce man mano che ci si allontana dal centro della Terra.

La densità dei solidi è maggiore della densità dei liquidi, che a sua volta è maggiore della densità dei gas; tuttavia, nel caso dell'acqua accade il contrario, infatti il ghiaccio (solido) galleggia sull'acqua (liquida) perché la sua densità è minore.

La materia e le sue caratteristiche

Un sistema è una porzione delimitata di materia.

Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono:

• solido
• liquido
• aeriforme (gas)

Le proprietà caratteristiche dei tre stati della materia dipendono dai cambiamenti di volume, pressione, forma e densità.

Solidi: hanno volume e forma propria, sono pressoché incomprimibili. Gli atomi non si muovono ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise, ordinate nello spazio.

Liquidi: non hanno forma propria, ma hanno volume proprio. Le particelle non sono disposte in posizione ordinata, sono a contatto ma hanno maggiore libertà di movimento, si muovono continuamente.

Gas: non hanno forma né volume proprio. Le particelle sono in continuo movimento e si muovono liberamente nello spazio.

né volume né forma propria; sono comprimibili. Le particelle sono libere di muoversi in tutto lo spazio a disposizione, con un moto totalmente disordinato.

Si definisce fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi. Un sistema può essere:

• omogeneo, se costituito da una sola fase;
• eterogeneo, se costituito da due o più fasi.

Un sistema può inoltre essere:

• puro, se formato da una singola sostanza; le sostanze pure hanno caratteristiche e composizione costanti (es. acqua distillata, perché costituita da sola H₂O);
• miscuglio, se formato da due o più sostanze pure; i miscugli hanno composizione chimica variabile (es. acqua potabile, perché costituita anche da sali). A sua volta il miscuglio può essere:

- omogeneo (soluzione): miscuglio di due o più sostanze fisicamente omogeneo (es. acqua e sale, vino ecc.); il

soluto.

liquido

Evaporazione: da stato liquido a stato di vapore

Sublimazione: da stato solido a stato di vapore

Condensazione: da stato di vapore a stato liquido

Solidificazione: da stato di liquido a stato solido

Brinamento: da stato di vapore a stato solido

Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.

Alla temperatura di fusione coesistono la fase liquida e la fase solida. Alla temperatura di ebollizione la fase liquida e la fase di vapore coesistono, e la tensione di vapore è uguale alla pressione esterna.

La tensione di vapore di un liquido, a una data temperatura, è la pressione che esercita un vapore in equilibrio con il proprio liquido puro ed è tanto più alta quanto maggiore è la temperatura.

La temperatura di ebollizione di un liquido è la temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia la pressione esterna: maggiore è la pressione,

più è difficile l’ebollizione del liquido (a 2000 mt, essendo la pressione atmosferica più alta, l’acqua non bolle a 100°C ma ne servono molti di più; si potrebbe risolvere il problema con la pentola a pressione).

Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire (o a sottrarre) calore; il calore scambiato durante un passaggio di stato si chiama calore latente. Il calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione; il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per far evaporare completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione.

Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi sostanza pura è molto maggiore del calore latente di fusione, in quanto è più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido.

Che indebolire le forze di coesione di un solido. I principali metodi di separazione di miscugli e sostanze:

• Filtrazione: metodo per separare, per mezzo di filtri, i materiali solidi da un miscuglio liquido o gassoso.
• Centrifugazione: metodo per separare miscugli eterogenei di liquidi e/o solidi aventi densità diversa.
• Estrazione: metodo per separare i componenti di un miscuglio per mezzo di un solvente.
• Cromatografia: metodo per separare i componenti di un miscuglio che si spostano con velocità diverse su un supporto (fase fissa), trascinati da un solvente (fase mobile).
• Distillazione (miscugli omogenei liquidi) si basa sulla diversa volatilità dei componenti di miscele liquide; minore è la temperatura di evaporazione, maggiore è la volatilità.

La struttura della materia:

ATOMO: l'atomo è la più piccola particella elementare che rimane inalterata in una reazione chimica; il suo raggio è di circa 1 Å (10^-10 cm).

È costituito da:

• una parte centrale, detta nucleo, costituita da particelle subatomiche dette nucleoni di raggio 10 Å, ovvero neutroni e protoni. Queste sono particelle che hanno più o meno la stessa massa, cioè sono formate da una quantità di materia quasi uguale; tuttavia mentre il protone ha carica elettrica positiva (+1), il neutrone ha carica neutra (0);
• una parte esterna dove si collocano gli elettroni, che sono implicati nelle reazioni chimiche (le uniche reazioni che interessano anche il nucleo sono le reazioni nucleari). Questi si muovono in modo rapido intorno al nucleo ed hanno carica elettrica negativa (-1); hanno una massa così piccola che ne servono 1836 per uguagliare la massa di un protone, per questo quasi tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo. Gli elettroni vengono visti come una densità di carica negativa attorno al nucleo: più ci si allontana da esso più la densità diminuisce.

diminuisce; sono disposti in orbitali. L'atomo è neutro, stabile, nonostante presenti al suo interno particelle sia positive che negative; in condizioni normali il numero degli elettroni è sempre uguale a quello dei protoni, per cui a un certo numero di cariche positive corrisponde un egual numero di cariche negative. Pur essendo tutti formati dalle stesse particelle, gli atomi non sono tutti uguali tra loro: alcuni sono più piccoli, altri più grandi; la grandezza di un atomo dipende dal numero di protoni del suo nucleo. In natura gli atomi sono 92: l'atomo più piccolo ha il nucleo composto da un solo protone, mentre l'atomo più grande ne ha 92; ci sono poi altri atomi creati artificialmente che ne hanno di più. Esistono parametri numerici che servono a identificare un atomo: i parametri atomici. - numero atomico (Z): numero di protoni presenti nel nucleo; al variare di questo varia l'atomo. Nella tavola periodicagli atomi sono posizionati secondo il numero atomico crescente. Essendo l'atomo neutro, a condizioni normali il numero atomico indica anche il numero degli elettroni; - numero di massa (A): numero di neutroni e numero di protoni presenti nel nucleo; - numero di elettroni: nell'atomo neutro il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni. Le sostanze elementari o elementi sono costituite da atomi aventi tutti lo stesso numero atomico Z. Ciascun elemento ha un nome e un simbolo chimico (Idrogeno H, elio He, Ossigeno O, Azoto N, Ferro Fe...). Gli elementi (naturali ed artificiali) sono elencati nel Sistema Periodico degli Elementi in ordine di numero atomico crescente. Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali: il numero di protoni/elettroni (Z) non può variare; tuttavia il numero dei neutroni sì. Esistono infatti atomi dello stesso elemento (stesso Z) che hanno diverso numero di massa; questi vengono detti isotopi. Gli isotopi di uno stessoGli elementi hanno le stesse proprietà chimiche.