Riassunto esame Chimica Generale

Possibili domande teoriche I parte “Fondamenti di chimica e chimica organica”

Prof.ssa Raffaini

Lezione 1: introduzione

Suddivisione della materia (in base allo stato di aggregazione ed in base alla composizione)

Materia:

• Sostanze pure → elementi o composti
• Miscele (fisicamente separabili in sostanze pure) → materia omogenea o materia eterogenea

Sostanza pura

Sostanza pura = non è scindibile ulteriormente attraverso mezzi fisici.

Sistema omogeneo → composizione definita e costante che tale rimane anche sotto sollecitazioni esterne.

Possiede una formula chimica.

Si divide in:

• Elementi: costituiti da atomi dello stesso tipo =
• Composti: costituiti ad atomi diversi uniti in rapporti fissi (H2O)

Cosa s’intende per elemento?

Elemento = porzione di materia costituita da atomi dello stesso tipo (= numero atomico Z).

• Non scindibile per via chimica
• Non ottenibile per via chimica
• Nelle reazioni chimiche vengono coinvolti gli elettroni periferici
• Nelle reazioni nucleari vengono coinvolti i nuclei atomici

Cosa s’intende per allotropia (di I e II specie)

Forme allotropiche: diverse forme dello stesso elemento → differiscono in proprietà fisiche e chimiche.

Allotropia di 1° specie: stesso elemento ma diverso il modo con cui sono concatenati gli atomi → diversi legami chimici tra gli atomi → es: carbonio diamante e grafite.

Allotropia di 2° specie: stesso elemento ma diversa struttura/architettura molecolare → stessi legami chimici tra gli atomi → es: carbonio grafite, fullereni, nanotubi.

Cosa s’intende per composto

Composto = porzione di materia costituita da atomi di diverso tipo omogenea → proprietà specifiche e composizione chimica costanti.

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Cosa s’intende per polimorfismo

Polimorfismo = fenomeno che si manifesta allo stato solido di alcuni composti.

Polimorfi = diverse forme cristalline dello stesso composto.

Differiscono solo in alcune proprietà fisiche.

Es: biossido di titanio.

Miscela: omogenea ed eterogenea

Miscela = insieme di sostanze pure (elementi e/o composti) che si possono fisicamente separare.

Miscela omogenea → composizione uniforme in qualunque punto della massa:

• Composizione chimica variabile in modo continuo entro un certo campo
• Gassosa = aria, liquida = ottenibile tramite distillazione, solida = ottone

Miscela eterogenea → ha composizione diversa a seconda dei punti della massa:

• Si possono distinguere diverse fasi (porzioni omogenee limitate e definite)

Mix eter. liquido-liquido (1 stato, 2 fasi): immiscibilità.

Mix eter. liquido-solido (2 stati, 2 fasi): filtrazione.

Atomo e ioni

Ioni = atomi con carica elettrica.

• Cationi: perdono elettroni
• Anioni: acquistano elettroni

Molecola

Molecola = numero finito di atomi legati da legami chimici covalenti.

Cosa indica una formula chimica? Una formula molecolare? Una formula minima?

Formula chimica molecolare: quanti e quali atomi sono presenti nelle molecole.

Formula minima: quali elementi sono presenti nelle molecole ed il loro rapporto minimo (è una proporzione).

Cosa indica la formula chimica / formula bruta in un composto ionico?

Formula bruta: quali elementi sono presenti nei composti ionici e il loro rapporto (proporzione); rispetta il principio di elettroneutralità.

Cosa s’intende per nuclide?

Nuclide = singola specie nucleare dotata di proprio numero atomico e numero di massa.

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Cosa indica il numero atomico Z? Cosa indica il numero di massa?

Numero atomico Z = numero protoni = numero elettroni.

Numero di massa A = numero protoni + numero neutroni.

Cosa s’intende per isotopo? Riportare un esempio

Isotopi = nuclidi con stesso numero atomico, ≠ numero di massa (≠ numero di neutroni).

12 uma = 1/12 massa isotopo C = 1,66*10^-24 g.

Es: O A=16, Z=8.

Cosa si intende per difetto di massa

Difetto di massa = (A*1,7*10^-24 g*6,02*10²³ uma) – A = A*PA - A.

Differenza tra (n_P + n_N) * |m (=m_P =m_N =1,7*10^-24 g)| e il numero di massa A uma.

È proporzionale all’energia di legame tra i costituenti dell’atomo; tale energia rappresenta la quantità necessaria che occorre fornire per far avvenire la reazione di decomposizione del nucleo.

Cosa s’intende per nuclide stabile, instabile e radioattività?

Maggiore è |energia di legame|, maggiore è la stabilità del nucleo considerato.

Nuclidi stabili → rimangono inalterati per un tempo così lungo da rendere impossibile l’accertamento delle loro eventuali trasformazioni.

Nuclidi instabili → vanno incontro a decadimento radioattivo (Z cambia):

• Per emissioni α
• Per emissioni β^- (1n->1p): A costante, Z aumenta di 1
• Per emissioni β⁺ (1p->1n): A costante, Z diminuisce di 1

Decadimento radioattivo = processo mediante il quale un nuclide si trasforma spontaneamente in un altro nuclide, liberando energia sottoforma di calore, radiazioni e particelle diverse.

Radioattività = emissione di particelle da parte di nuclidi instabili.

PA, PM. Concetto di mole e numero di Avogadro

PA [/] = peso atomico = massa atomica espressa in uma.

PM [/] = peso molecolare = massa molecolare espressa in uma.

n [mol] = quantità di sostanza pari al PA o PM; corrisponde a un numero fisso di atomi o molecole.

N_AV [mol^-1] = numero di Avogadro 6,022*10²³.

Massa molare

M [g/mol] = massa molare = massa in g di una mole di sostanza.

m(g) = n(mol)*M(g/mol).

Cosa è un reagente limitante e la resa di una reazione

Reagente limitante = reagente il cui esaurimento impedisce alla reazione di proseguire fino al completamento (si trova dopo aver bilanciato la reazione considerando il più piccolo dei rapporti n(mol)/coeff. stech.).

Resa di una reazione η = rapporto (grammi ottenibili) / (grammi ottenuti).

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Lezione 2: stato gassoso

Cosa è l’energia interna di un sistema

Energia interna U = E_pot + E_cin.

È una funzione di stato: ΔU = U_f - U_i.

Caratteristiche dei gas ideali

• Particelle puntiformi → volume molecolare trascurabile
• Moto caotico
• Urti perfettamente elastici → assenza di dissipazioni
• Non esercitano forze di attrazione o repulsione → senza interazioni
• Hanno solo energia cinetica E_cin = (½)mV² =(3/2K)T → direttamente proporzionale a T assoluta

Indipendente dalla natura del gas, da P e da V.

K = costante di Boltzmann.

Equazione di stato dei gas ideali

PV = nRT.

Variabili di stato: P [atm], V [l], n [mol], T [K].

R = 0,082 [L*atm*mol^-1*K^-1] = 8,31 [J*mol^-1*K^-1].

Trasformazione isoterma, isocora, isobara, principio di Avogadro e volume molare

Isoterma = T costante → legge di Boyle.

PV = costante, grafico (P,V) = ramo di iperbole.

P1*V1=P2*V2.

Isobara = P costante → legge di Charles.

V/T = costante, grafico (T,V) = bisettrice.

(V1/T1)=(V2/T2).

Isocora = V costante → legge di Gay Lussac.

P/T = costante, grafico (T,P) = bisettrice.

(P1/T1)=(P2/T2).

Principio di Avogadro → V/n = costante, grafico (n,V) = bisettrice.

(V1/n1)=(V2/n2).

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In condizioni standard (T=0°C, P=1atm) questo volume, detto volume molare V_m, è = 22,414 l per tutti i gas ideali.

Miscele di gas ideali: legge di Dalton

P_TOT*V = n_TOT*R*T.

Dove P_TOT = Σpi con i ∈ [1, n.ro gas presenti nella miscela].

Dove n_TOT = Σni con i ∈ [1, n.ro gas presenti nella miscela].

Frazione molare, pressione parziale, volume parziale

Frazione molecolare xi = ni/n_TOT.

Σxi =1 con i ∈ [1,n.ro gas presenti nella miscela].

Pressione parziale del gas i-esimo pi=xi* P_TOT.

Volume parziale del gas i-esimo Vi=xi*V.

Gas reali: caratteristiche generali

• Volume e interazioni molecolari non trascurabili
• Approssimabili ai gas ideali quando P e T sono tali da trascurare il covolume e le interazioni tra le molecole
• P basse → gas rarefatti
• T alte → elevate energie cinetiche

Cos’è la pressione critica e la temperatura critica?

I gas reali possono subire liquefazione (da gassoso a liquido):

• Per raffreddamento: mantenendo P costante al di sotto della temperatura critica T, un gas reale passa dallo stato (g)->(i)
• Per compressione: mantenendo T costante al di sotto della pressione critica P, un gas reale passa dallo stato (g)->(i)

Lezione 3: termochimica

In generale

Cosa studia la termodinamica chimica

Termodinamica studia se una reazione può compiersi spontaneamente per raggiungere uno stato di equilibrio.

Cosa studia la termochimica

Termochimica studia le proprietà macroscopiche della materia: pone in relazione V, T, P, n negli scambi di energia che avvengono tra un sistema e il suo intorno.

Reazioni esotermiche ed endotermiche

• Esotermica: cessione di calore dal sistema verso l’ambiente
• Endotermica: assorbimento di calore da parte del sistema

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I principio della termodinamica

= conservazione dell’energia tra sistema e intorno ΔU = 0.

q = calore [1cal=4,184J]; q<0 ceduto dal sistema, q>0 fornito al sistema.

w = lavoro [J]; w<0 compiuto dal sistema, w>0 compiuto sul sistema.

w = -P*ΔV, lavoro contro pressione P esterna.

ΔU = q + w.

V non costante (w≠0) → ΔU = q – P*ΔV → q = ΔU + P*ΔV.

V costante (w=0) → ΔU = q_v = calore scambiato a Volume costante.

Cosa sono i calori di reazione, le entalpie di reazione e da cosa dipendono

Entalpia H = U + PV.

P non costante → ΔH = ΔU +P*ΔV + V*ΔP.

P costante → ΔH = ΔU +P*ΔV = q_P = calore scambiato a Pressione costante.

Entalpie di reazione = calori di reazione quando una reazione avviene a P costante; esse dipendono da:

• Quantità di reagenti
• Stato fisico (solido, liquido, gassoso) dei reagenti e dei prodotti
• Condizioni di Temperatura e Pressione H(P,T) = funzione di stato

Cosa indica un ΔH°_reaz?

Entalpia di reazione ΔH°_reaz = H_fin – H_iniz = H_prod – H_reag.

Reazione esotermica → ΔH<0.

Reazione endotermica → ΔH>0.

ΔH_reaz è riferito a una generica P costante.

ΔH°_reaz (°= standard) è riferito a P costante =1atm.

Cosa si intende per stato standard?

Stato standard = forma più stabile di una sostanza a P=1atm e T considerata.

Stato std (s): solidi puri = forma cristallina stabile.

Stato std (l):

• Liquido puro se solvente
• Soluzione ideale (molto diluita) se soluto

Stato std (g): gas puri = gas ideali (rarefatti).

Cosa è una reazione di formazione e cosa indica un ΔH°_formaz?

In una reazione di formazione ΔH°_reaz = ΔH°_formaz.

ΔH°_formaz = entalpia standard di formazione: calore in gioco nella formazione di 1mol di composto partendo dagli elementi tutti allo stato standard quando P è costante.

Es: ΔH°_f [CH₄(g)] è il calore in gioco quando si forma 1mol di CH₄ a partire da C e H nel loro stato standard C(s,graf) e H₂(g).

NB: elementi allo stato standard hanno ΔH°_formaz = 0.

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Legge di Hess

Legge di Hess: in un processo a più stadi, ΔH°_reaz complessivo è la somma delle singole entalpie di reazione ΔH dei singoli stadi.

Reazione condotta a P costante: aA(std) + bB(std) → cC(std) + dD(std).

ΔH°_reaz = cΔH°_formaz,C + dΔH°_formaz,D - aΔH°_formaz,A - bΔH°_formaz,B.

Cosa è una funzione di stato. Portare un esempio.

Funzioni di stato = grandezza fisica il cui valore dipende solamente dalle condizioni assunte da un sistema all'inizio e alla fine di una trasformazione termodinamica.

Energia interna U = U().

Entalpia H = H(P,T).

Reazioni di combustione di idrocarburi: cosa è il ΔH°_comb? Quali sono i prodotti?

In una reazione di combustione ΔH°_reaz = ΔH°_comb.

ΔH°_comb =