Teoria chimica

La chimica è una scienza che ha per scopo lo studio della materia e le sue trasformazioni.

La materia è tutto ciò che ci circonda e che dunque occupa uno spazio, essa può essere costituita da

sostanze di origine naturale o sintetica.

Le proprietà fisiche sono le proprietà che una sostanza possiede quando non interagisce o non si

trasforma in altre sostanze (ad esempio quando il ghiaccio si scioglie e diventa acqua).

Le proprietà chimiche, invece, sono le proprietà che una sostanza presenta quando interagisce con

altre sostanze o si trasforma in altre sostanze (ad esempio quando l’idrogeno e l’ossigeno si uniscono

per formare l’acqua).

La materia presenta in natura tre stati di aggregazione: solido, liquido e aeriforme. Quando la materia

si presenta nello stato solido possiede una forma, un volume ed una massa definiti, inoltre non è

comprimibile. Quando la materia si presenta nello stato liquido possiede un volume ed una massa

definiti, mentre assume la forma del recipiente che la contiene, inoltre è poco comprimibile. Quando la

materia si presenta nello stato aeriforme possiede una massa definita ma si diffonde in tutto il volume

a disposizione, inoltre è altamente comprimibile.

Una porzione di materia è definita corpo; un corpo può essere di due tipi: un corpo puro (ovvero

composto da una sola sostanza) o una miscela (ovvero composto da più sostanze).

Le sostanze a loro volta possono essere di due tipi: sostanza semplice (ovvero composta da elementi

dello stesso tipo, ad esempio , , ) o sostanza composta (ovvero composta da due o più elementi

diversi, ad esempio , ).

Le miscele a loro volta possono essere di due tipi: miscele omogenee (ovvero comprendono sostanze

di una stessa fase cioè in un solo stato di aggregazione) o miscele eterogenee (ovvero comprendono

sostanze di due o più fasi, ad esempio acqua e sabbia).

L’atomo è la più piccola particella che costituisce la materia ed il suo nucleo ne caratterizza la sua

intera massa.

Il numero di massa fornisce indicazione sul numero di protoni e neutroni presenti nel nucleo,

essendo esso la somma degli stessi. Il numero atomico fornisce, invece, indicazione sul numero di

protoni (e pertanto sul numero di elettroni) presenti nel nucleo.

Gli isotopi sono atomi che possiedono lo stesso numero atomico ma presentano differenti numeri di

massa, pertanto hanno lo stesso numero di protoni ma un numero differente di protoni.

Teoria atomica

Le leggi ponderali della chimica sono leggi che hanno portato a definire teorie e a verificarle

sperimentalmente, esse hanno poi portato alla creazione della teoria atomica.

Prima legge ponderale La prima legge ponderale, chiamata anche legge di Lavoisier, dice che se una

sostanza si trasforma in una sostanza , la massa di è uguale alla massa di .

Per comprendere meglio si fa riferimento alle reazioni chimiche: una reazione chimica è una

trasformazione di elementi o composti (chiamati reagenti) per dare luogo a nuovi elementi o

composti (chiamati prodotti di reazione).

Lavoisier sosteneva che in ogni reazione chimica la massa totale dei reagenti doveva essere uguale

alla massa totale dei prodotti di reazione, quindi in una reazione chimica c’è solo trasformazione di

materia senza dispersione.

Seconda legge ponderale. Essa, chiamata anche legge delle proporzioni definite o legge di PROUST,

afferma che in un dato composto, gli elementi che lo costituiscono sono sempre presenti secondo

rapporti in peso costanti.

Ad esempio se si prende un campione di acqua, H O, si noterà che vi è presente l’11,2 % di H e l’88,8

2 2

, .

% di O, pertanto il rapporto Un rapporto diverso porterebbe ad un eccesso di uno dei

,

due reagenti.

Postulati di Dalton. Sulla base delle leggi ponderali, Dalton formulò tre postulati:

1. Il primo postulato afferma che la materia è composta da atomi indivisibili.

2. Il secondo postulato afferma che atomi di elementi diversi possiedono masse diverse.

3. Il terzo postulato afferma che gli atomi si combinano tra loro secondo rapporti definiti e

costanti espressi da numeri interi piccoli.

Da questi postulati vi è la risposta alla legge dell’invarianza della massa in una reazione chimica

formulata nella prima legge ponderale, poiché se ogni reazione chimica non è altro che una

ricombinazione degli stessi atomi messi a reagire allora la massa rimane costante e pertanto la massa

totale rimane invariata.

I postulati di Dalton spiegano anche la seconda legge ponderale poiché se la massa degli atomi varia

da elemento a elemento, ma rimane costante per lo stesso elemento, allora ogni composto è

caratterizzato da un rapporto ponderale fisso tra gli elementi costituenti.

Terza legge ponderale. La terza legge ponderale, chiamata anche legge delle proporzioni multiple,

afferma che quando due elementi si combinano in rapporti in peso diversi per creare diversi composti

allora le quantità in peso dell’elemento che si combina con una quantità fissa dell’altro stanno fra loro

secondo numeri interi piccoli.

Legge di Gay-Lussac La legge di Gay-Lussac sostiene che le relazioni e le leggi ponderali possono

.

essere utilizzate anche per i rapporti dei volumi gassosi, pertanto la legge di Dalton è applicabile

anche ai gas.

Quando due gas, misurati nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, reagiscono tra loro per

formare una serie di composti, i volumi di una specie che reagiscono con un volume fisso dell’altra,

stanno fra loro secondo numeri interi generalmente piccoli. Se, inoltre, il prodotto della reazione è pur

esso gassoso anche il rapporto fra il suo volume e quello di ciascuna specie gassosa reagente è dato da

numeri interi semplici.

Secondo questa legge, sommando un’ unità di volume di un elemento (ad esempio idrogeno) con

un’altra unità di volume di un altro elemento (ad esempio cloro), si ottiene un prodotto composto da

due unità di volume. Ragionando in termini di atomi, gli atomi di idrogeno sommati agli atomi di

cloro forniscono un prodotto composto da 2 atomi. Vi era però un problema, se infatti, come sostiene

Dalton, gli atomi sono indivisibili dalla materia come si possono ottenere 2 atomi da atomi?

Secondo i postulati di Dalton, atomi di idrogeno sommati agli atomi di cloro devono fornire un

prodotto con atomi.

Legge di Avogadro. La soluzione si ebbe nel 1811 grazie ad Avogadro, il quale introdusse la molecola e

riformulò la legge di Gay Lussac.

Avogadro sostiene che volumi uguali di gas differenti, nelle stesse condizioni di temperatura e

pressione, contengono lo stesso numero di molecole.

La molecola è la più piccola quantità di sostanza capace di esistenza indipendente.

Le particelle di elementi gassosi possono essere poliatomiche, ovvero possono essere costituite da

atomi uguali. H + Cl HCl Dalton

 

H + Cl 2HCl Avogadro

 

2 2

Legge di Cannizzaro. Poiché nella molecola di un dato composto un elemento può entrare solo con un

numero ben definito di atomi, le quantità in peso di un elemento contenute in una quantità del

composto pari al suo peso molecolare o sono uguali al suo peso atomico o sono dei multipli interi di

questo.

Dal 1962 si è deciso di adottare come standard l’isotopo 12 del carbonio e si è scelta come u.m.a. la

dodicesima parte dell’isotopo stesso.

La mole è la quantità di sostanza che contiene tante particelle (atomi, ioni o molecole) quanti sono gli

atomi contenuti in 12g dell’isotopo 12 del carbonio.

Il peso molecolare è la somma dei pesi atomici degli elementi presenti nella formula del composto.

Composizione percentuale di un composto chimico. Conoscendo la formula chimica di un composto si

può determinare la percentuale in peso di ciascun elemento in esso contenuto dal momento che la

somma delle masse molari degli elementi che lo costituiscono moltiplicata per il deponente con cui

l’elemento compare nella formula è uguale alla massa di una mole di composto.

Esempio.

Calcolare la percentuale in peso degli elementi della piridina.

= 5PA + 5PA + PA = 5∙12 + 5∙1 + 14 = 79 g/mol

C H N

5 PA : = x : 100

C ∙ 12 ∙1 6 %

% 9

∙1 6 %

% 9

1 6 6 18 %

%

Come dalla conoscenza di una formula chimica è possibile risalire alla composizione percentuale

viceversa, dalla composizione percentuale è possibile ricavare la formula minima (o formula grezza)

della sostanza.

.

Esempio

Ricavare la formula molecolare.

C = 63,12

%

H = 8,85

%

O = 28,03

%

Il peso molecolare del composto è pari a 124,2 g/mol.

6 ,12

% ,2 6 1

12

8,8

% 8,8 1

1

28,

% 1, 2 1

16

1,752 = 1

8,8

1, 2

,2 6

1, 2 C H O

Quindi la formula grezza è .

3 5

PM = 3∙12 + 5 + 16 = 57 g/mol

C3H5O

12 ,2 2 C H O

Quindi la formula molecolare è .

6 10 2

Elettroni.

Gli elettroni sono le particelle fondamentali, poiché è a loro che si attribuisce la responsabilità delle

reazioni chimiche ed inoltre essi sono coinvolti nei legami chimici che si realizzano con l’aiuto degli

elettroni più esterni dell’atomo. I nucleoni, invece, non vengono influenzati da temperatura e

pressione ed inoltre non prendono parte nelle reazioni chimiche; in realtà, essi sono coinvolti nella

sintesi di nuovi elementi (ad esempio nella formazione di isotopi stabili o radioattivi); ad essi è inoltre

attribuita l’abbondanza e la sintesi di tutti gli elementi presenti in natura.

La scoperta dell’elettrone si deve a Thomson, il quale condusse una serie di esperimenti facendo

passare attraverso un tubo di vetro, contenente un gas rarefatto (ad alta temperatura e a bassa

pressione), delle cariche elettriche, collegando alle estremità due elettrodi ad una tensione di

1 . . Attraverso poi un foro effettuato sull’anodo, egli si accorse della fuoriuscita di un fascio di

raggi (detti raggi CATODICI). Questi raggi attraversavano poi un campo elettrico, generato da due

piastre, e finivano per urtare una parete coperta da un composto fluorescente, producendo una

luminosità. Modulando poi l’intensità del campo, i raggi subivano delle deviazioni: in particolare i

raggi che deviavano verso la piastra negativa trasportavano particelle cariche positivamente

(chiamate particelle ALFA), quelli che deviavano verso la piastra positiva trasportavano invece

particelle cariche negativamente (chiamate ELETTRONI). Un'altra parte di questi raggi non subivano

invece alcuna deviazione ed erano costituiti da raggi ad altissima energia (chiamati raggi GAMMA).

Egli propose dunque un primo modello

dell’atomo, secondo il quale esso era sferico, di

dimensioni nell’ordine dei nanometri; con le

cariche positive distribuite uniformemente e

con gli elettroni disposti casualmente; il nucleo

era inoltre neutro.

Lo scienziato Ernest Rutherford e i suoi collaboratori, dopo aver determinato la natura delle particelle

alfa (atomi di elio privi di due elettroni), le utilizzarono per bombardare gli atomi di oro di una

sottilissima lamina. Dopo l’urto con gli atomi di oro, le particelle alfa venivano raccolte da un apposito

capace di evidenziare la loro presenza. I risultati dell’esperimento furono i seguenti:

o gran parte delle particelle alfa attraversava la lamina senza subire alcuna deviazione;

o alcune particelle venivano deviate di angoli più o meno grandi rispetto alla direzione inziale;

o pochissime rimbalzavano indietro, erano cioè riflesse dalla lamina; quelle che rimbalzavano

indietro lo facevano con grande violenza. Rutherford propose per l’atomo il seguente

modello:

o l’atomo è composto da un nucleo

centrale in cui sono concentrata la

carica positiva e la massa dell’atomo;

o i leggerissimi elettroni occupano lo

spazio vuoto attorno al nucleo e

ruotano;

Le poche particelle alfa che arrivano molto vicino al nucleo sono respinte violentemente dalla sua

carica positiva, come se fosse un muro impenetrabile, e tornano indietro. Quasi tutte le altre sono

soltanto deflesse, o proseguono indisturbate, perché lontano dal nucleo la forza repulsiva è minore ed

attenuata dalla presenza deli elettroni.

Per i princìpi dell’epoca però questo modello era difficilmente sostenibile. Secondo il modello, infatti,

se l’elettrone fosse fermo ad una certa distanza dal nucleo, nulla gli impedirebbe di precipitare; se,

invece, egli dovesse ruotare si dovrebbe avere una forza centrifuga che riesca a bilanciare quella di

attrazione del nucleo. Però, secondo i principi dell’epoca, una particella carica che si muoveva avrebbe

dovuto emettere energia, diminuendo il moto e poi collassando, tutto ciò era in contrasto con la

stabilità dell’atomo.

Teoria quantistica. La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che viaggia nel vuoto alla

velocità della luce generando campi elettrici e magnetici alternati. Essa è caratterizzata da alcune

grandezze:

 Lunghezza d’onda (λ): distanza tra due

creste e viene espressa in unità di

lunghezza (µm, nm);

 Frequenza (ν): numero di vibrazioni per

lunghezza d’onda; viene espressa in

unità di tempo ( );

 Ampiezza ( ): intensità di un’onda e

viene espressa in .

Lo spettro di emissione di un elemento chimico è l’insieme delle frequenze della radiazione

elettromagnetica emessa dagli elettroni dei suoi atomi quando questi compiono una transizione da

uno stato ad energia maggiore verso uno stato ad energia minore. Per ogni transizione tra stati,

l’energia del fotone, chiamata quanto, emesso è uguale alla differenza di energia dei due stati secondo

l’equazione: ν

[ ]

è la costante di Plank ed è pari a 6,6∙1 -7 [ ]

1 1 [ ] 1

che mette in correlazione l’energia della transizione con la frequenza del fotone di luce emesso. Dal

momento che in ogni elemento chimico vi sono numerose transizioni possibili, l’insieme dei fotoni di

diverse frequenze emessi dall’elemento ne costituisce lo spettro. Lo spettro di emissione di ciascun

elemento è unico.

Lo spettro di assorbimento di un elemento mostra la frazione di radiazione elettromagnetica incidente

assorbita in un certo intervallo di frequenze. E’, in un certo senso, l’opposto dello spettro di emissione.

Ogni elemento ha proprie linee di assorbimento corrispondenti a specifiche lunghezze d’onda e

relative alle differenze tra i livelli energetici dei suoi orbitali atomici.

La radiazione elettromagnetica, a seconda della

frequenza e della lunghezza d’onda, si classifica

in: raggi gamma, raggi , raggi ultravioletti,

raggi infrarossi, etc. Se l’energia emessa viene fatta collidere contro

un prisma, la radiazione viene scomposta nelle

sue componenti; dallo spettro di emissione che In particolare si osserva che spostandosi più

si genera, si osserva che la radiazione emessa vicino al nucleo, l’energia diventa sempre più

da un corpo non è continua ma discontinua. A negativa poiché si assume pari a zero l’energia

seconda dell’eccitazione, le radiazioni dello posseduta dall’elettrone posto a distanza

spettro di emissione possono cadere infinita dal nucleo.

nell’infrarosso, nel visibile o nell’ultravioletto. Il minimo di energia si ha quando 1 (stato

Per comprendere meglio la struttura della fondamentale dell’atomo di idrogeno); gli altri

materia, ebbero particolare importanza gli stati possibili sono detti stati eccitati.

studi di Planck ed Einstein nel primo Il risultato ottenuto da Bohr non era tuttavia in

Novecento, che portarono alla TEORIA grado di spiegare le caratteristiche di atomi

QUANTISTICA. polielettronici ovvero la variazione dell’energia

N. Bohr nel 1913 utilizzò le idee di Planck. La in sistemi più complessi.

Equazione di Einstein.

sua teoria è basata sui seguenti postulati:

1. agli elettroni che ruotano attorno al

nucleo sono permessi solo alcuni stati La materia ha un comportamento duale, ha un

(detti stazionari) a ciascuno dei quali carattere ondulatorio oltre che corpuscolare,

corrisponde un valore definito di ovvero composta da più particelle elementari

energia; indivisibili.

2. quando un elettrone si trova in uno

stato stazionario non emette energia;

quando invece un elettrone viene

eccitato ad uno stato stazionario di

contenuto energetico superiore allora

esso risulta instabile e dopo breve

tempo ritorna allo stato iniziale .

Legge di De Broglie Se una radiazione

(fondamentale) emettendo un quanto di elettromagnetica, la quale possiede un

radiazione elettromagnetica di energia comportamento ondulatorio, mostra un

pari alla differenza di energia tra i due carattere corpuscolare allora anche le

stati; particelle elementari indivisibili (come ad

3. in ogni stato stazionario l’elettrone si esempio gli elettroni) che la compongono

muove su un orbita circolare intorno al devono avere un comportamento ondulatorio.

nucleo; A una particella di massa che si muove alla

4. gli stati permessi agli elettroni sono velocità è quindi associata un’onda, chiamata

caratterizzati dalla quantizzazione del onda di materia, la cui lunghezza è data dalla

momento della quantità di moto. relazione:

Il 4° postulato di Bohr, cui deve soddisfare

un’orbita stazionaria, è così definito: Si ricava da Heisenberg che per le particelle di

2 piccola massa non possiamo ricavare né la

o è il momento angolare posizione né la velocità, introduce pertanto il

dell’elettrone; concetto di probabilità.

o è un numero intero (detto numero

quantico) e variabile da 1 a ; 2

o 2 è il valore minimo del momento

angolare; = incertezza nella posizione

o è la costante di Planck. = incertezza nella velocità

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