Introduzione chimica 1

Gli stati fisici della materia

Un sistema è una porzione delimitata di materia. Un bicchiere d'acqua è un esempio di sistema. La materia può esistere in tre stati fisici, detti stati di aggregazione della materia: stato solido, stato liquido, stato aeriforme.

Le proprietà dei tre stati di aggregazione

I tre stati di aggregazione della materia hanno proprietà caratteristiche:

• Solido: hanno volume proprio, forma propria, densità alta e effetto della pressione incomprimibile (a pressioni non elevate).
• Liquido: hanno volume proprio, assumono la forma del recipiente, densità media e effetto della pressione incomprimibili (a pressioni non elevate).
• Aeriforme: occupano tutto il volume disponibile, assumono la forma del recipiente, hanno bassa densità e l'effetto della pressione sono comprensibili.

I passaggi di stato

I passaggi di stato implicano la trasformazione della materia da uno stato fisico all'altro per variazioni di temperatura.

• Fusione: è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
• Evaporazione: è il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore.
• Sublimazione: è il passaggio diretto dallo stato solido allo stato di vapore.
• Brinamento: è il passaggio diretto dallo stato aeriforme allo stato solido.
• Condensazione: è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido.
• Solidificazione: è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido.

La concentrazione delle soluzioni

Le soluzioni con piccole quantità di soluto sono diluite. Le soluzioni con elevate quantità di soluto sono concentrate. La concentrazione di una soluzione è il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di solvente in cui il soluto è disciolto.

Le reazioni chimiche

Le reazioni chimiche sono trasformazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze originarie, dette reagenti, con formazione di nuove sostanze, dette prodotti. È solo attraverso l'analisi chimica che si determina con certezza se una trasformazione è chimica o fisica.

Le reazioni chimiche possono presentare alcuni fenomeni osservabili a occhio nudo come:

• La formazione di bollicine
• La variazione di colore
• La formazione o scomparsa di un solido
• La variazione di temperatura del sistema
• Il cambiamento di odore

Gli elementi e i composti

Si definisce elemento una sostanza pura che non può essere ulteriormente scomposta o trasformata mediante processi chimici. Nell'universo, la materia è costituita quasi esclusivamente da idrogeno ed elio (rispettivamente il 75% e il 25% circa della massa totale). Sulla crosta terrestre sono presenti in maggior percentuale 9 elementi. Tutti gli elementi conosciuti hanno un nome e un simbolo chimico.

Nel 1869, tutti gli elementi conosciuti sono stati classificati e ordinati dal chimico russo Dmitrij Ivanovic Mendeleev, sulla base delle loro proprietà fisiche e chimiche. Il risultato di questo lavoro, riveduto e aggiornato, è la tavola periodica degli elementi. A partire dalle proprietà chimico-fisiche riscontrate, si distinguono tre classi fondamentali di elementi:

• Metalli: occupano più della metà della tavola periodica. Poiché sono estremamente reattivi, in natura esistono sotto forma di composti, in genere con l'ossigeno o con lo zolfo. I metalli puri, di solito, sono lucenti e buoni conduttori di calore e corrente elettrica.
• Non metalli: sono caratterizzati da un'ampia varietà di colori e, a eccezione del carbonio, sono tutti i cattivi conduttori di calore e corrente elettrica.
• Semimetalli: hanno proprietà intermedie tra quelle dei metalli e dei non metalli: non sono né conduttori né isolanti e, per questo motivo, sono definiti semiconduttori. I semiconduttori più noti sono il germanio e il silicio.
• Gas nobili: molto stabili, ultimo livello energetico completo.

Si definisce composto ogni sostanza pura che può essere decomposta in sostanze pure più semplici mediante trasformazioni chimiche. I composti hanno una composizione ben definita e costante; l'acqua è formata dagli elementi idrogeno e ossigeno. Le percentuali di idrogeno e ossigeno presenti nell'acqua sono definite e costanti.

Moderna teoria atomica

Gas, liquidi e solidi sono costituiti da microscopiche particelle in perenne agitazione: gli atomi.

Da Lavoisier a Dalton

Nel 1803 John Dalton ipotizza che la materia sia costituita da atomi, i quali possono legarsi fra loro per formare molecole. L'ipotesi si basa sull'analisi di tre leggi fondamentali della chimica, dette leggi ponderali:

• La legge di conservazione della massa;
• La legge delle proporzioni definite;
• La legge delle proporzioni multiple.

Lavoisier, in base a osservazioni compiute e attività sperimentali, enuncia la legge di conservazione della massa: in una reazione chimica la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti. Proust, sulla base dei risultati ottenuti da numerosi esperimenti, enuncia la legge delle proporzioni definite o della composizione costante: gli elementi che costituiscono un composto sono presenti secondo rapporti in massa definiti e costanti. Proust verifica sperimentalmente che il carbonato di rame contiene rame, ossigeno e carbonio nelle stesse proporzioni, indipendentemente da quale sia la sua origine (naturale o preparato in laboratorio). La legge delle proporzioni definite permette di distinguere in modo chiaro i composti dai miscugli di elementi. La composizione di un miscuglio può variare, mentre quella di un composto è costante. Dalton, grazie agli studi sui gas, formula la legge delle proporzioni multiple: quando un elemento si combina con la stessa massa di un secondo elemento per formare composti diversi, le masse del primo elemento stanno fra loro in rapporto semplici, esprimibili mediante numeri interi piccoli.

Il modello atomico di Dalton

La prima teoria atomica proposta da Dalton si basa sui seguenti punti:

1. La materia è fatta di atomi, che sono indivisibili e indistruttibili.
2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno la stessa massa.
3. Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi mediante una reazione chimica.
4. Gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di altri elementi.
5. Gli atomi non possono essere né creati né distrutti, ma si trasferiscono interi da un composto all'altro.

Il modello atomico di Dalton spiega perfettamente le leggi ponderali.

Le particelle elementari: atomi, molecole e ioni

La materia è formata da sostanze pure suddivise in elementi e composti. Gli elementi sono costituiti da atomi che hanno identiche proprietà chimiche. Ogni elemento è costituito da una sola specie di atomi. Le proprietà fisiche di un elemento sono il risultato dell'unione dei tantissimi atomi che costituiscono un oggetto punto sono dette proprietà microscopiche della materia. Le proprietà chimiche dipendono dalle caratteristiche del singolo atomo (proprietà microscopiche).

La molecola: è un raggruppamento di due o più atomi che possiede proprietà chimiche caratteristiche. Alcuni elementi sono costituiti da molecole diatomiche. Gli altri elementi come zolfo e fosforo sono costituiti da molecole poliatomiche. Ogni molecola è rappresentata da una formula chimica che ne specifica la composizione, indica cioè da quali elementi è costituita e quanti atomi di ciascun elemento contiene. Il numero di atomi di ciascun elemento è indicato dal indice numerico.

Le sostanze formate da ioni sono composti ionici. Si definiscono ioni gli atomi o i gruppi di atomi con una o più cariche elettriche positive o negative. Gli ioni carichi positivamente sono chiamati cationi, quelli carichi negativamente sono detti anioni. In un composto ionico, come il cloruro di sodio, non vi sono molecole, ma schiere di ioni disposti in un rapporto ben preciso.

Le particelle dell’atomo

Le particelle fondamentali dell'atomo:

• Elettrone (e-): Massa pari a 9,109 × 10^-31 kg; carica elettrica negativa pari a -1,602 × 10^-19 C.
• Protone (p+): Massa pari a 1,673 × 10^-27 kg; carica elettrica positiva pari a +1,602 × 10^-19 C.
• Neutrone (n): Massa pari a 1,675 × 10^-27 kg; privo di carica elettrica.

Ogni atomo contiene un nucleo, cioè una zona molto piccola e densa in cui sono confinati i protoni e neutroni; a tali particelle si dà il nome di nucleoni. Acceleratori e collisori di particelle hanno consentito di dimostrare che neutroni e protoni non sono affatto particelle elementari, ma sono composte a loro volta da altri componenti, chiamati quark.

Modelli atomici di Thomson e Rutherford

Thomson propone per l'atomo un modello continuo: la carica positiva occupa, come una nube, tutto il volume dell'atomo, mentre gli elettroni sono dispersi in modo regolare, come l'uvetta nell'impasto di un panettone. È possibile studiare la struttura degli atomi bombardandoli con particelle radioattive.

Gli studi condotti da Ernest Rutherford permettono di determinare la natura delle particelle alfa, nuclei positivi di elio, utilizzate per bombardare gli atomi di un sottilissimo foglio d'oro. Dopo l'urto, le particelle alfa sono raccolte da uno schermo in grado di evidenziarne la presenza. I risultati dell'esperimento mostrano che:

• Gran parte delle particelle alfa attraversa la lamina senza subire deviazioni.
• Alcune particelle sono deviate di angoli più o meno grandi rispetto alla direzione iniziale;
• Una piccolissima frazione viene respinta all'indietro con violenza.

Rutherford propone quindi un nuovo modello atomico:

• L'atomo è composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate tutta la carica positiva e la massa dell'atomo;
• Gli elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo;
• Il diametro del nucleo deve essere centomila volte più piccolo (10^-15 m) del diametro dell'atomo (10^-10 m);
• Gli elettroni carichi negativamente sono un numero tale da bilanciare esattamente la carica positiva del nucleo.

Il numero atomico identifica gli elementi. Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico (Z). Se l'atomo è neutro questo numero è uguale a quello degli elettroni. Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n) contenuti nel nucleo. Il nucleo di un atomo di cui si conoscono Z e A è chiamato nuclide.

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento aventi le stesse proprietà chimiche ma masse diverse perché contengono un diverso numero di neutroni. Gli isotopi hanno diverse proprietà fisiche. La massa atomica relativa presente sulla tavola periodica è una massa media che tiene conto sia della percentuale di ciascun isotopo nella miscela sia della sua massa. La media calcolata in questo modo si dice media ponderata. Per calcolare la massa atomica media si moltiplica la massa di ciascun isotopo per la sua abbondanza percentuale, si sommano i vari prodotti e si divide per 100. Lo strumento utilizzato per determinare le masse atomiche è lo spettrometro di massa.

Nella tavola periodica, gli elementi con numero atomico maggiore di 92 sono chiamati elementi transuranici. Non sono presenti in natura se non in tracce minime, e sono prodotti artificialmente tramite reazioni nucleari. Alla fine del 2015 la IUPAC ha confermato l'esistenza di quattro nuovi elementi, (tot z = 118).

I legami chimici

Il modo in cui un atomo reagisce chimicamente, cioè tende a legarsi ad altri atomi, è determinato dal numero e dalla disposizione dei suoi elettroni. Gli elettroni più esterni sono gli elettroni di valenza, nello strato di valenza. Il legame chimico permette agli atomi di unirsi per formare molecole, con quelli di segno opposto che esercitano un'attrazione reciproca.

Nel 1916 Lewis enuncia la regola dell'ottetto: un atomo è particolarmente stabile quando ha 8 elettroni nello strato di valenza. Gli atomi, quando formano un legame chimico, cercano di raggiungere la configurazione elettronica esterna più stabile. Il legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni.

La simbologia usata per rappresentare la struttura delle molecole:

• Un trattino significa che sussiste un legame semplice;
• Due trattini che vi è un doppio legame;
• Tre trattini che vi è un triplo legame.

Il legame ionico si stabilisce attraverso il trasferimento di uno o più elettroni da un atomo a un altro; gli atomi diventati ioni rimangono uniti tramite una forza di tipo elettrostatico.

La molecola dell'acqua

I legami tra gli atomi di idrogeno e quello di ossigeno sono covalenti polari. La distribuzione asimmetrica della carica elettrica e la geometria della molecola rendono l'acqua nel suo insieme una molecola polare, o dipolo. La presenza di cariche parziali positive sugli atomi di idrogeno e negative sull'ossigeno fa sì che le molecole si orientino in modo da rendere più efficaci le attrazioni elettrostatiche. Quando le molecole d'acqua sono sufficientemente vicine, si origina un legame a idrogeno.

La presenza del legame a idrogeno influenza fortemente le caratteristiche dell'acqua allo stato solido e allo stato liquido. Allo stato solido le molecole occupano posizioni geometriche molto precise, in un'impalcatura tridimensionale stabile chiamata reticolo cristallino. La disposizione delle molecole dell'acqua allo stato liquido è altamente disordinata. La densità dell'acqua aumenta al diminuire della temperatura fino a circa 4 °C. A questo valore l'acqua è allo stato liquido e alla sua massima densità (1g/cm³). L'acqua allo stato solido occupa un volume maggiore di quando si trova allo stato liquido e ha una minore densità. L'acqua ha un elevato calore specifico (4,18 J/g°C).

La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a lasciarsi attrarre verso l'interno. In un liquido, le molecole della superficie sono attratte solo dalle molecole sottostanti e da quelle poste lateralmente, pertanto tendono ad assumere la forma sferica, che consente loro, a parità di volume, di avere la minore area superficiale. In un ambiente acquoso, gli ioni che si originano dalla dissociazione o dalla ionizzazione vengono circondati dalle molecole d'acqua, formando ioni idrati o solvatati.

Le soluzioni in cui sono presenti ioni come soluti conducono corrente elettrica: soluzioni elettrolitiche. Le sostanze in grado di liberare ioni in soluzione vengono dette elettroliti. I solventi si distinguono in:

• Solventi polari: che solubilizzano composti polari.
• Solventi apolari: che sciolgono le sostanze formate da molecole non polari.

Una regola base della solubilità è che il simile scioglie il simile. Una soluzione in cui la concentrazione degli ioni H⁺ è maggiore di quella degli ioni OH^- è una soluzione acida (e viceversa). Una soluzione in cui le concentrazioni degli ioni H⁺ e OH^- sono uguali è una soluzione neutra. L'acqua è sempre neutra. Per indicare il grado di acidità di una soluzione acquosa si utilizza una scala convenzionale di valori numerici da 0 a 14 detta scala di pH.

• Se pH = 7 la soluzione è neutra.
• Se pH minore di 7 la soluzione è acida.
• Se pH maggiore di 7 la soluzione è basica.

Moli

Per determinare la massa atomica si ricorre alla sua misura relativa, cioè per confronto con quella di un atomo di riferimento. Solitamente sono stati utilizzati, come riferimento, prima l'atomo di idrogeno, poi quello di ossigeno e, dal 1961, quello di carbonio. Il campione di riferimento per la determinazione della massa atomica relativa è l'atomo di carbonio nella sua forma, o isotopo, più diffusa in natura, indicata come ¹²C. Oggi le masse relative dei singoli atomi possono essere determinate con una precisione elevata, mediante la spettrometria di massa. Al carbonio-12 è stata convenzionalmente assegnata una massa atomica pari a 12.

In base alla IUPAC, la massa atomica relativa di qualsiasi elemento è definita come il rapporto fra la massa di un solo atomo di quell'elemento e la dodicesima parte della massa dell'isotopo ¹²C del carbonio, l'unità di massa atomica (u). Le masse atomiche di tutti gli elementi riportati sulla tavola periodica sono, quindi, numeri adimensionali. Per conoscere la massa reale di un solo atomo di un certo elemento, è sufficiente moltiplicare il numero puro, presente nella tavola periodica, per il valore dell'unità di massa atomica u espresso in grammi (1,661×10^-24g). La massa molecolare relativa è la somma delle masse atomiche relative.