CHIMICA                                      appunti  

A  partire  che   l'atomo  diventa  una  scienza  si   inizia  a  parlare  di  chimica.   Il  chimico  si  occupa  delle  reazioni  chimiche  studiando  come  trasformare  una  sostanza  in  un'altra,  cambiando  i  legami  tra  gli  atomi  (la  disposizione);  ma  non  si  cambia  il  tipo  di  atomo  e  rimane  anche  uguale  la  quantità  degli  atomi!   Un   atomo   di   un   certo   tipo   rimane   sempre   uguale!   Tranne   che   in   una   fusione   nucleare.  L'atomo  è  incolore,  è  invisibile  ed  è  inodore.  

Dalton   nel   1805   ha   scoperto   l'atomo,   usando   anche   studi   di   altre   persone:   legge   della  conservazione   della   massa   (Lavoisier)   e   la   legge   dei   rapporti   costanti   (Proust).   La   legge   della  conservazione   della   massa   dice   che   durante   una   reazione   chimica   la   massa   non   cambia   (la  materia).  Ma  perché   questa   legge   è   venuta   così   tardi?   Perché   alcuni   sostenevano   che   la  massa  cambia  durante  una  reazione  chimica.  Loro  (altri  studiosi)  sostenevano:  

     Fatto  male:  

Allora   la   massa   non   rimane   uguale?   No   perché  l'esperimento   è   stato   fatto   male!   Non   tenevano  conto  della  massa  che  scompariva  nell'aria,  dunque  Lavoisier   rifece   l'esperimento   con   una   cupola   di  vetro   sopra   il   recipiente,   così   anche   la   massa   che  evaporava  poteva  essere  pesata!  

 

Un  altro  esperimento  che  è  stato  fatto:  

Anche   in   questo   esperimento   Lavoisier  utilizza   una   cupola   di   vetro   per   non   far  scappare   alcun   massa   nell'aria.   In   questo  modo  la  massa  rimase  uguale.  

Tutti   gli   esperimenti   che   fecero   gli   studiosi  per   contraddire   alla   legge   di   Lavoisier   sono  stati   fatti   male,   perciò   Lavoisier   aveva   fin  dall'inizio  ragione.  

   

 

 

La   massa   in   sé   è   materia,   dunque   la   legge   della   conservazione   della   massa   è   la   legge   della  conservazione  della  materia.  Questa  legge  è  stata  scoperta  molto  difficilmente,  uno  dei  motivi  era  che   Lavoisier   non   sapeva   bene   cosa   era   il   calore,   lui   era   convinto   che   fosse   una   massa  imponderabile   (che   non   si   può   pesare).   In   realtà   non   aveva   tutto   torto   perché   oggi   si   sa   che   il  calore  ha  una  massa  così  piccola  che  quasi  è  imponderabile.  

Finalmente   arriviamo   alla   seconda   legge   ponderabile   (esistono   tre   leggi   ponderabili   che   poi  permettevano   a   Dalton   di   sviluppare   il   primo   modello   atomico,   ma   la   terza   non   è   molto  importante):   la   legge   dei   rapporti   (o   proporzioni)   costanti,   scoperta   da   Proust   nel   1805.   Proust  studiava   il   passaggio  da  due  elementi   a  un   composto   (ad  esempio:   argento  +  ossigeno  =  ossido  d'argento).  Ricordiamo  velocemente  cosa  è  un  elemento:  una  sostanza   formata  da  atomi  uguali  (dello  stesso  tipo),  ma  Proust  questo  non   lo  sapeva  ancora  ma  comunque  gli  chiamava  elementi  perché  per  lui  erano  una  cosa  molto  semplice  (elementare).    

Esperimento  di  Proust:  

   

 

 

 

 

 

Cosa  ci  dice  questa  legge?    

Quando   due   elementi   reagiscono   per   formare   un   composto   lo   fanno   secondo   un   rapporto   di  massa   costante   e   caratteristico   (perché   ogni   elemento   che   si   fa   reagire   con   un   altro   ha   un  rapporto  diverso).   In  alcuni   casi   il   rapporto  deve  essere  di  2  e  mezzo,   cioè   che  una  massa  deve  essere  due  volte  e  mezzo  più  grande  dell'altra.  

Dalton   si  basa   su  queste  due   leggi   (anche   su  una   terza  ma  non  ha  molta   importanza  per   la   sua  scoperta)  e  costruisce  il  primo  modello  atomico.  Modello  atomico  di  Dalton:  

1. La  materia  allo  stato  fondamentale  è  costituita  da  particelle  ben  definite  dette  atomi:  pieni  e  indivisibili.    

2. Ci   sono  più   tipi   di   atomi,   ciascuno   costituisce  un   elemento.   Tutti   gli   atomi   di   uno   stesso  elemento   sono   uguali   per   massa   e   proprietà   e   sono   diversi   da   quelli   di   tutti   gli   altri  elementi  per  massa  e  proprietà.    

3. Durante   una   reazione   chimica   gli   atomi   restano   inalterati:   non   si   creano,   non   si  distruggono,   non   si   depongono,   non   si   trasformano   gli   uni   negli   altri.   Semplicemente  cambiano  la  loro  disposizione  relativa  per  formare  nuove  sostanze,  ma  sempre  secondo  dei  rapporti  ben  precisi  e  definiti.    

Ha  formato  questo  modello  atomico  grazie  agli  studi  di  Lavoisier,  sulla  conservazione  della  massa  (dove  si  conservano  in  realtà  gli  atomi!)  e  grazie  a  Proust  e  la  sua  legge  dei  rapporti  costanti  (dove  rimangono  sostanti  gli  atomi!).  

 

Spiegazione  della  legge  di  Proust  con  il  modello  atomico  di  Dalton  

La  quantità  dell'argento  e  dell'ossigeno  devono  essere  uguali  se  non  restano  degli  atomi  che  non  sono  stati  utilizzati  durante  la  reazione  chimica.  

 Al   tempo   di   Dalton   si   conoscevano  quasi   45   tipi   di   elementi   (atomi),  invece   oggi   sappiamo   che   son   90.  Gli  atomi   sono   legati   tra   di   loro   grazie   a  legami  chimici  e  durante  una  reazione  chimica   gli   atomi   cambiano   la   loro  disposizione   (non   si   cambiano   i  legami).    

Non   tutti   accettarono   il   modello   atomico   di   Dalton!  Dalton   propone   inoltre   dei   simboli   per   gli  singoli   elementi,  ma   come  gli   raffigurava   lui   non  aveva  molto   senso  e  non  erano  pratici   (non   si  riusciva   a   intuire   quale   simbolo   corrisponde   a   quale   atomo).   Inoltre   rappresentava   le   sostanze  composte   male,   lavorava   molto   con   la   simmetria.   Dalton   era   complicato   e   prematuro.   I   suoi  simboli   furono  dimenticati   e   sostituiti   con   quelli   classici   che   usiamo   ancora   oggi.   Perché  Dalton  usava  cerchi  per  rappresentare  gli  elementi?  Per  far  capire  alla  gente  che  gli  atomi  sono  rotondi.  Comunque  il  modo  più  semplice  per  rappresentare  gli  elementi  era  di  usare  le  lettere  (l'alfabeto).  La  prima  lettera  sempre  in  grande  e  la  seconda  in  piccolo  (tranne  se  è  un  composto,  in  quel  caso  tutte  le  due  lettere  sono  scritte  in  grande  e  si  lasciano  stare  le  lettere  minuscole).  Infine,  la  lingua  dalla   quale   derivano   le   sigle   degli   atomi   è   il   latino.  Adesso   alcuni   elementi   che   si   possono  confondere  facilmente:  

Idrogeno     H   Potassio   K  Iodio     I   Rame   Cu  Elio   He   Radio   Ra  Azoto   N   Antimonio   Sb  Sodio   Na   Tungsteno     W  Zolfo   S   Mercurio     Hg  Fosforo   P   Oro   Au  Fluoro   F        La  massa  degli  atomi  non  è  sempre  uguale.  Dunque  se  raddoppiamo  gli  atomi  non  è  detto  che  la  massa   raddoppi.   Anche   se   gli   atomi   non   si   possono   pesare,   non   hanno   una  massa   assoluta.   Ai  tempi   di   Dalton   si   usavano   solo   masse   relative   (ancora   oggi),   dunque   si   prendeva   come  riferimento  l’idrogeno  (che  era  1  uma/da/u)  e  poi  semplicemente  si  diceva  che  un  certo  atomo  è  (il  fluoro  ad  esempio)  19  volte  più  pesante  dell’idrogeno.  1   atomo  di   idrogeno  ha  massa  1  uma   (relativa).   Però  Dalton  non   sapeva   che  a   volte  non  aveva  ragione,   ad   esempio   con   l’acqua;   lui   sosteneva   che   l’ossigeno   pesa   8   volte   di   più   rispetto  all’idrogeno,  ma  in  realtà  pesa  16  di  più  (Dalton  questo  ovviamente  non  lo  sapeva).              

Masse  relative:  quante  volte  un  certo  atomo  pesa  di  più  rispetto  all’atomo  d’idrogeno  (esempio:  Carbonio     12   uma,   dunque   peserà   12   volte   di   più   rispetto   all’idrogeno).   Dalton   aveva   scelto  l’atomo  d’idrogeno  perché  era  quello  più  semplice.      Legge  di  Avogadro        Il  volume  di  un  gas  dipende  dalla  temperatura,  dalla  pressione  e  dal  numero  di  particelle,  ma  non  dipende  dal  tipo  di  gas.    Conseguenza:  volumi  uguali  di  gas  diversi  misurati  alle  stesse  condizioni  di  T  e  di  P  conterranno  lo  stesso  numero  di  particelle.      La  materia  si  può  presentare  allo  stato  solido,  liquido  e  gassoso.  Solidi:  hanno  una  forma  proprio  e  un  volume  proprio.    Liquidi:   non   hanno  una   forma  propria,   dipende   dal   recipiente  ma   anche   loro   hanno  un   volume  proprio.    Gas:  non  hanno  una  forma  propria  e  neanche  un  volume  proprio.  Tra  ogni  singola  particella  di  gas  ci   sono   spazi   vuoti   (c’è   niente).   Questo   spiega   anche   il   fatto   che   i   gas   sono   comprimibili   ed  espandibili.    Il  volume  di  un  liquido  è  1000  volte  più  piccolo  della  stessa  sostanza  allo  stato  gassoso.      Per  studiare  i  fattori  dei  volumi  dei  gas  si  usano  recipienti  a  volumi  variabili.    

 Se   si   mette   un   peso   sul   coperchio   il  volume   del   gas   sottostante   diminuisce,  ma  aumenta  la  pressione.      

 -­‐  La  pressione  di  un  gas  dipende  dal  volume,  più  il  volume  diminuisce  più  la  pressione  sale.  -­‐  Mettendo  però  una  fiamma  sotto  il  cilindro  la  pressione  sale  e  anche  il  volume,  dunque  il  volume  dipende  anche  dalla  temperatura  (come  detto  all’inizio).    Quest’ultima  affermazione  (solo  la  seconda!)  vale  anche  per  i  solidi  (esempio:  spazio  tra  i  binari)  e  liquidi  (esempio:  termometro),  naturalmente  le  deformazioni  dei  volumi  è  molto  più  nota  nei  gas.      Riprendendo...    Il   volume   di   un   gas   non   dipende   dal   tipo   di   gas  ma   dipende   dalle   condizioni   (T   e   P).   Sapendo  questo   era   facilissimo   costruire   una   tabella   delle   masse   relative,   naturalmente   solo   per   i   gas.  Perché   se   prendo   un   litro   di   un   gas   ed   un   altro   litro   di   un   altro   tipo   di   gas   e   poi   gli   peso   so  

immediatamente   quante   volte   le  particelle   del   secondo   gas   pesano  di  più  delle  particelle  del  primo  gas  (sempre   preso   come   riferimento  l’idrogeno),   essendo   i   volumi  uguali   e   anche   il   numero   di  particelle;   a   volte   però   questa  regola  non  sarà  giusta.      Legge  dei  volumi    

 Riprendendo...    Se   raddoppiamo   il   numero   di   particelle   di   un   gas   si   raddoppia   automaticamente   anche   il   suo  volume.  Adesso  un  calcolo  fondamentale:      Come  calcolare  la  massa  molecolare  di  una  sostanza  (composto)?    -­‐  Unità  di  misura  della  massa  molecolare:  u  (o  u.m.a.,  cioè  unità  di  massa  atomica)    

MMx  =  massa  molecolare  della  sostanza  x,  misurata  in  u.  MAy  =  massa  atomica  dell’elemento  y.    

 -­‐  Calcolo         Per  capire  meglio  il  calcolo  facciamo  un  esempio:         MMC4H4N2  =  4  x  MAC  +  4  x  MAH  +  2  x  MAN  =  4  x  12,0  +  4  x  1,01  +  2  x  14,0  =  80,0  u.         Adesso  sappiamo  che  la  sostanza  pesa  circa  80  volte  di  più  rispetto  all’idrogeno.    

NB:  per  approssimare  la  MA  di  un  elemento  bisogna  ricordare  che  per  fare  il  calcolo  servono  sempre  solo  3  cifre,  cioè  l’intero  numero  non  deve  contenere  più  di  3  cifre.    

 Bilanciamento  di  una  reazione      -­‐  Premessa    Per  bilanciare  una  reazione  non  esistono  regole  precise,  ma  una  cosa  deve  essere  chiara:  il  numero  di  atomi  di  un  elemento  dalla  parte  dei  reagenti  dev’essere  uguale  al  numero  di  atomi  dello  stesso  elemento  dalla  parte  dei  prodotti.      -­‐  Esempio                reagenti              prodotti            

es.:  2  at.  di  O              3  at.  di  0       (numero  differente  di  atomi  d’ossigeno)    

Reazione  non  bilanciata:   CH4  +  O2    CO2  +  H2O             Si  legge:    

“il   metano   reagisce   con   l’ossigeno   a   dare   anidride   carbonica   e  acqua”.    

        es.:  4  at.  di  O                              4  at.  di  O     (stesso  numero  di  atomi  d’ossigeno)  Reazione  bilanciata:     1CH4  +  2O2    1CO2  +  2H2O           Si  legge:  

“per  ogni  molecola  di  metano   reagiranno  due  molecole  di   ossigeno  dando  una  molecola  di  CO2  e  due  di  H2O”.    NB:  è  un  puro  caso  che  le  molecole  del  reagente  e  del  prodotto  sono  in  rapporto  fra  loro.  

-­‐  Conclusioni    Se   contiamo   i   numeri   di   atomi   di   un   elemento   nella   reazione   non   bilanciata   notiamo   che   sono  differenti,  però  nella  reazione  bilanciata  il  numero  di  atomi  di  un  elemento  sono  uguali.