Riassunto esame di Chimica generale ed inorganica con elementi di organica, Prof. Pappalardo, Libro consigliato Fondamenti di chimica, Lanfredi, Tiripicchio

Le sostanze

Le sostanze si dividono in sostanze pure e miscugli. Ogni sostanza pura ha delle precise caratteristiche chimico-fisiche che ne permettono il riconoscimento. La densità degli elementi metallici varia a seconda della disposizione degli atomi nello spazio. La formula chimica è il modo con cui viene descritta la composizione delle sostanze, in essa vi sono gli elementi e il rapporto di combinazione.

I miscugli

I miscugli si dividono in:

• Miscugli omogenei, formati da due sostanze che si trovano nella stessa fase (stato di aggregazione);
• Miscugli eterogenei, formati da due sostanze che non si trovano nella stessa fase in cui si distinguono i due componenti.

Le soluzioni sono miscugli omogenei. Attraverso degli esperimenti i miscugli si possono trasformare in sostanze pure.

Metodi di separazione

Filtrazione: per separare una soluzione formata da cloruro di sodio e sabbia si può filtrare la soluzione.

Distillazione: dopo aver posto la soluzione di cloruro di sodio in un pallone di vetro e averlo riscaldato ponendo all’estremo un tubo di vetro, le particelle del liquido vengono riscaldate per vincere la forza di coesione che tiene uniti i due componenti. Le particelle che fuoriescono sotto forma di vapore innalzano il mercurio presente all’interno del termometro e incontrano l’acqua fredda condensando e fuoriuscendo dal recipiente. La distillazione può essere usata per separare una miscela di liquidi.

Distillazione frazionata: durante questo processo il termometro assume il valore della temperatura di ebollizione delle singole sostanze. Quando viene distillato un miscuglio, la temperatura aumenta fino alla fine del processo, variando attraverso le temperature di ebollizione dei due liquidi. L’elemento con la temperatura di ebollizione minore fuoriesce per primo. La miscela ricavata viene raccolta in recipienti diversi per separare le sostanze. La distillazione frazionata permette di separare le sostanze in base al loro punto di ebollizione. Tuttavia, una separazione netta può essere ottenuta ripetendo il processo.

Quando vi è un rapporto del solido in base al liquido dove il solvente non è in grado di sciogliere il solido, la soluzione è satura. La solubilità dipende dal tipo, dalla quantità e dalla temperatura del composto.

Cristallizzazione: composti differenti si possono separare facendo precipitare il composto, ciò avviene mediante un abbassamento della temperatura favorendo una diminuzione dell’energia cinetica delle particelle, portando alla formazione dei cristalli.

Cristallizzazione frazionata: questo processo avviene quando si separa un composto poco solubile, generando un composto solubile e quindi applicando il processo di cristallizzazione.

Cromatografia: disegnato un punto con la matita su una striscia di carta su cui viene versata una miscela di sostanze organiche, si nota che immergendo il foglio nel solvente esso trasporta le sostanze presenti su di esso in modo differente in base all’affinità tra soluto e solvente. Più la sostanza è affine, più il solvente è veloce. Alla fine vi sono due colori che indicano le sostanze separate dalla cromatografia.

Trasformazioni fisiche e chimiche

Le trasformazioni fisiche sono reversibili. Le sostanze sottoposte a trasformazioni fisiche restano inalterate, non vi è alcun cambiamento nella loro natura chimica. Durante la trasformazione non vi è cessione o assorbimento di calore da parte del sistema. Cromatografia, distillazione e cristallizzazione sono trasformazioni fisiche.

Le trasformazioni chimiche non sono reversibili. Le sostanze sottoposte a trasformazioni chimiche cambiano la loro natura chimica. Tra i prodotti della trasformazione chimica vi è il calore.

Leggi fondamentali della chimica

• Legge di conservazione della massa (enunciato generale): nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma.
• Legge di conservazione della massa (enunciato chimico): in una reazione chimica la somma delle masse dei reagenti deve essere uguale alla massa del prodotto.
• Legge delle proporzioni definite: in un determinato composto il rapporto di combinazione in peso tra due elementi è definito e costante.
• Legge delle proporzioni multiple: i rapporti di combinazione di un elemento x con un elemento y hanno un determinato rapporto di combinazione descritto da numeri piccoli ed interi.
• Principio di Avogadro: presi due gas diversi e due volumi uguali, mantenuti a stessa temperatura e pressione, il numero di particelle contenute all’interno dei gas è lo stesso.

L'atomo

Dalton ideò la prima teoria atomica secondo cui l’atomo era la particella più piccola, esso è la particella che caratterizza gli elementi. Gli atomi si combinano tra loro, seguendo le leggi della chimica, per formare i composti. All’interno dell’atomo sono state stabilite delle particelle subatomiche.

La teoria atomica di Thomson

Thomson prese un tubo di vetro con due pareti circolari perpendicolari al tubo, all’interno di quest’ultimo erano presenti delle particelle di gas a bassa pressione che non rendono il tubo completamente vuoto. Thomson coprì le due estremità del tubo con una sostanza che diveniva fluorescente qualora fosse stata urtata da particelle con determinata energia. Inoltre, all’interno del tubo Thomson posizionò degli elettroni per creare un campo magnetico, intanto sugli schermi compaiono dei punti luminosi. Da questo esperimento Thomson capì che l’atomo è una particella neutra che posta in un campo elettrico si divide in particelle sia negative che positive.

Allora Thomson rieffettuò lo stesso esperimento usando altri gas appartenenti al gruppo 0, notando che, nonostante il gas variasse, il comportamento delle particelle era sempre lo stesso. Da ciò Thomson capì che tutti gli atomi hanno delle particelle più piccole. Thomson aggiunse così degli elettrodi perpendicolari ai precedenti ed ortogonali al tubo catodico. Con questa aggiunta Thomson notò che le particelle positive si spostavano in basso nella zona negativa mentre le particelle negative si spostavano in alto verso la zona positiva. Inoltre, le particelle negative subivano una deviazione rispetto alle particelle positive. Thomson giustificò questo accadimento con la spiegazione che definiva la massa delle particelle negative minore di quella delle particelle positive. Inoltre, la deviazione delle particelle era sempre la stessa ad ogni variazione del gas, così con questo esperimento Thomson scoprì l’elettrone. Thomson immaginò un atomo con una massa omogenea carica positivamente in cui sono contenute delle particelle negative che bilanciano le cariche positive. Il modello ideato da Thomson è chiamato modello a panettone. Il modello di Thomson venne superato dai successivi esperimenti che determinarono una diversa struttura atomica.

La teoria atomica di Rutherford

Rutherford prese una sorgente di energia che emanava delle particelle α che bombardavano una lamina d’oro; per colpire la lamina le particelle devono passare attraverso dei collimatori (schermi) che ne selezionano quelle ortogonali alla lamina e che quindi possono oltrepassarla. Intorno alla lamina viene così posta una lastra fotografica che registra lo spettro delle particelle che la oltrepassano. In base allo spettro che questi ultimi lasciavano sulla lamina, Rutherford era in grado di capire la composizione degli atomi. Se la teoria di Thomson fosse stata giusta le particelle sarebbero dovute tornare indietro, invece alcune particelle oltrepassavano la lamina mentre altre venivano deviate o rimbalzavano sulla lamina.

Secondo Rutherford la massa dell’atomo era concentrata in una parte di spazio molto piccola, inoltre la gran parte dell’atomo era composta da spazio vuoto. La carica positiva dell’atomo era equilibrata da elettroni in movimento caotico, così vennero effettuati altri esperimenti per ricercare le particelle subatomiche. Si capì che nell’atomo erano contenuti protoni e neutroni. In un atomo neutro il numero di protoni ed elettroni, chiamato numero atomico, sono uguali (n° atomico = n° protoni + n° elettroni). Il numero atomico classifica gli atomi. I neutroni sono particelle neutre che contribuiscono a variare il peso dell’atomo senza variare le proprietà dell’elemento. Il numero di massa corrisponde alla somma tra il numero di protoni e il numero di elettroni (n° massa = n° protoni + n° neutroni). Secondo Rutherford l’elettrone si muoverebbe sulla sua orbita in equilibrio tra la forza elettrica di attrazione del nucleo e la forza centrifuga derivante dalla sua velocità. Una particella elettrica in movimento perde energia elettromagnetica, l’elettrone che perde energia si avvicina sempre di più al nucleo fino a caderci sopra, tuttavia ciò nella realtà non avviene. Così il modello di Rutherford non è corretto.

Proprietà delle onde

Periodo T: intervallo di tempo in cui l’onda compie un’oscillazione completa.

Frequenza v: numero di oscillazioni complete che l’onda compie in un secondo, l’unità di misura è l’Hertz (1 Hz = 1 circolo al secondo); inoltre frequenza e periodo sono l’inverso dell’altro (v = 1/T e T = 1/v).

Onde meccaniche: hanno bisogno di un mezzo per propagarsi.

Onde elettromagnetiche: non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi e si propagano anche nel vuoto; le onde elettromagnetiche hanno tutte la stessa velocità. Essendo quindi c = λv per tutte le onde elettromagnetiche, la frequenza e la lunghezza d’onda sono tra loro inversamente proporzionali. (c = velocità della luce = 3 ∙ 10⁸, v = frequenza e λ = lunghezza d’onda).

Radiazione elettromagnetica: onda che si propaga alla velocità della luce.

Caratteristiche di un'onda

• λ (lunghezza d’onda): distanza fra due massimi e due minimi;
• v (frequenza): numero di onde che passano in un punto in un secondo;
• A (ampiezza): altezza del massimo indicando l’intensità.

L’insieme delle radiazioni elettromagnetiche e diverse da λ costituisce lo spettro elettromagnetico. La luce visibile è parte dello spettro percepibile con l’occhio umano.

Lo spettroscopio

È lo strumento usato per separare la luce nei suoi colori (lunghezze d’onda) componenti. Nel caso più semplice esso è formato da una stretta fenditura attraverso la quale entra la luce, un elemento disperdente (prisma) e un rilevatore (lastra fotografica).

Spettro

È un diagramma che riporta l’intensità della radiazione in funzione della sua lunghezza d’onda (o frequenza) e può essere di assorbimento o di emissione. La spettroscopia: intorno alla metà dell’Ottocento Kirchoff inizia l’analisi spettroscopica. Gas e vapori riscaldati producono uno spettro di emissione a righe, mentre gas e vapori freddi producono spettri di assorbimento a righe, questi due tipi di spettri, ad emissione e a righe, sono complementari. Le righe hanno una posizione (lunghezza d’onda) caratteristica della sostanza. L’emissione di luce è prodotta dal movimento degli elettroni “eccitati” in conseguenza del calore. Tuttavia, la fisica dell’Ottocento non è in grado di spiegare gli spettri a righe.

La teoria quantistica

Nel Novecento Max Planck propone la quantizzazione dell’energia: l’energia non si trasferisce in modo continuo, ma per quantità discrete chiamate quanti; per le radiazioni elettromagnetiche l’energia dei vari quanti dipende dalla lunghezza della radiazione associata.

• Teoria sulla quantizzazione dell’energia: l’energia, come la materia, non può essere suddivisa all’infinito, ma fino ad una certa quantità minima: il quanto.
• Quanto: la più piccola porzione che può essere ottenuta dal processo di suddivisione dell’energia.
• Legge di Planck: in tutti i processi fisici l’energia può essere emessa o assorbita solo in quanti o in multipli di essi. E = hv Dove: h = costante di Planck, v = frequenza.

Nel 1905 Einstein utilizzò la teoria quantistica per spiegare l’effetto fotoelettrico; a qualsiasi onda luminosa è associato un quanto, la cui energia dipende dalla frequenza, secondo la legge di Planck. Un quanto di sufficiente energia, che colpisce un elettrone del metallo, lo mette in movimento come avviene in un urto tra le palle di un biliardo.

Dualismo onda-particella

Un’onda elettromagnetica può essere in certi casi presente come una particella (fotone), la luce ha quindi una doppia natura ondulatoria e corpuscolare. Gli spettri atomici: ogni elemento ha un suo spettro atomico a righe che lo caratterizza; nel 1885 Balmer trovò una semplice formula empirica per calcolare la posizione delle righe spettrali degli spettri di emissione dell’idrogeno.