Chimica generale e inorganica

Prof. Simone Ciofi Baffoni

Dipartimento di Chimica &Centro di Ricerca di Risonanze Magnetiche (CERM)

Via L. Sacconi 6 50019 Sesto Fiorentino

TELEFONO: 055-4574192

E-mail: ciofi@cerm.unifi.it

www.cerm.unifi.it

Lezioni del Gruppo A (A-L): aula A Dip. di Scienze FisiologicheViale Morgagni 63

I. Bertini, C. Luchinat, F. Mani

CHIMICA, Seconda EdizioneCasa Editrice Ambrosiana

I. Bertini, C. Luchinat, F. Mani

STECHIOMETRIA, Un avvio allo studio della chimica

Casa Editrice Ambrosiana

Testi consigliati

La materia

La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio

Teoria atomica della materia

•La materia è costituita da atomi

•Gli atomi di un elemento sono diversi da quelli di un altro elemento

•Gli atomi si combinano secondo rapporti definiti per formare composti

•La combinazione degli atomi in un composto può cambiare solo quando avviene una reazione chimica

•Una reazione chimica cambia il rapporto con cui gli atomi si combinano, ma non altera la natura degli atomi

AtomiGli atomi sono costituiti da particelle subatomiche dette elettroni, protoni e neutroni.

Protoni e neutroni formano un minuscolo, denso corpo centrale detto nucleo dell’atomo.

Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio intorno al nucleo.

Particelle subatomicheParticella

(simbolo)

Carica assoluta

Carica relativa

Massa assoluta

Massa relativa

protone

(p)

+1.6021773 x 10-19 C

+1 1.6726 x

10-24 g

1.0073

elettrone

(e)

-1.6021773 x 10-19 C

-1 9.109390 x 10-28 g

0.0005486

neutrone

(n)

0 0 1.6749 x

10-24 g

1.0087

Poiché la carica elettrica che un singolo atomo o aggregato di atomi può possedere risulta sempre uguale in valore assoluto a quella dell’elettrone o pari ad un suo multiplo, la carica dell’elettrone è presa come unità di carica elettrica Quindi l’elettrone ha carica relativa -1

Quark nel protone e nel neutrone

Protoni e neutroni contengono 3 quark ciascuno:

• Un protone è composto da

2 quark “Up” e un quark “Down”.

• Un neutrone è composto

da 1 quark “Up” e 2 quark “Down”.

Struttura dell’atomo

•Gli atomi sono costituiti da un nucleo positivo e da elettroni negativi.

•Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å.

•Il raggio di un atomo è dell'ordine di 1 Å.

Ångstrom simbolo Å

1 Ångstrom corrisponde a 10-10 m

Molto usato in chimica perché è dell’ordine di grandezza di un atomo

Gli elementi naturali e artificiali

Tutta la materia può essere ricondotta a 90 elementi o specie atomiche diverse, più 22 elementi prodotti artificialmente

In Natura si trovano 90 specie atomiche differenti, dette elementi naturali

Il primo elemento artificiale sintetizzato in laboratorio fu il tecnezio nel 1937

Gli altri elementi artificiali sono il promezio e i così detti elementi transuranici, cioè gli elementi dal 93 al 112

Nuclidi

Un nuclide è un atomo caratterizzato dal numero atomico Z (numero di protoni) e dal numero di massa A (numero di neutroni e di protoni).

Il nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni.

Il numero Z caratterizza la specie atomica.

XA

Z

C12

6H

1

1 O16

8

Isotopi

C13

6C

14

6

Nuclidi con lo stesso Z ma differente A possono esistere e si chiamano isotopi.

Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale. Solo 21 elementi sono costituiti da un solo nuclide.

81 specie atomiche hanno almeno un nuclide stabile.Tutti gli isotopi di in elemento hanno le stesse proprietà chimiche

C12

6

Isotopi naturali di alcuni elementi 

Nuclide Massa relativa % di nuclidi

1H 1,007825 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 1006Li 6,015126 7,427Li 7,01605 92,589Be 9,012186 ~ 100

10Be 10,013535 tracce10B 10,012939 19,611B 11,009305 80,411C 11,011433 tracce12C 12, 98,8913C 13,003354 1,1114C 14,003142 tracce

Ioni

Un elemento e’ caratterizato dal suo numero atomico.

Nell’atomo neutro il numero di elettroni è uguale a quello di protoni.

Atomi che hanno ceduto o aquistato elettroni rispetto all’atomo neutro si dicono ioni:

Catione +

Anione -

Sostanze elementari

Sono costituite da atomi della stessa specie (stesso numero atomico).

Possono essere formate da:•Singoli atomi•Molecole = aggregati discreti di atomi ,cioè unità distinte e separate le une dalle altre ciascuna delle quali è formata da due o piu’ atomi legati fra loro•Insieme continuo di atomi

He

diamantegrafite

CompostiSono costituiti da atomi di specie diverse.

Possono essere formati da:

•Molecole

•Concatenazioni di atomi

•Ioni

PVC

proteina

DNA

Cloruro di sodio Na+/Cl-

Gli atomi si combinano secondo rapporti definiti per formare composti

Formula chimica: deve indicare come minimo quali sono gli elementi che costituiscono la sostanza e in quale rapporto gli atomi di questi elementi si trovano.

Questi rapporti fra numeri interi si trovano scritti nelle formule come deponenti a destra del simbolo dell’elemento a cui si riferiscono.

H2O HCl CO2 O2 CO

Formula minima e formula molecolare

• La formula che arriviamo a scrivere per un composto è detta formula minima. (stechiometrica o elementare): si ricava dall’analisi elementare della sostanza. Per tutte le sostanze è possibilie scrivere una formula minima.

•Quando una sostanza elementare o un composto è costituito da molecole, la formula che indica il numero di atomi di ciascun elemento nella molecola è chiamata formula molecolare.

Formula molecolareLa formula molecolare fornisce piu’ informazioni della formula minima:

Non si limita a definire le proporzioni tra gli elementi di un composto, ma specifica il numero esatto di atomi di ciascun elemento facente parte di una molecola del composto.

Es. Sostanze elementari P4, S8, I2

Sostanze composte NH3, CO2, HNO3

Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete ma da una concatenazione continua di atomi e pertanto esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl2, Fe, C, SiO2

Formula minima e formula molecolare

Fe Ne HCl NaCl

Le formule delle sostanzeFORMULA IONICA: i composti possono essere costituiti da atomi o gruppi di atomi con una carica elettrica risultante. L’insieme di questi gruppi in un composto deve essere tale che la carica risultante totale sia nulla. E’ il caso dei composti salini

H8O4N2S (NH4)2SO4

Per es. la sostanza con formula minima NaSO4 è in realtà costituita da ioni Na+ e ioni S2O8

2- nel rapporto 2:1 e quindi la sua formula corretta è Na2S2O8

Queste due formule rappresentano la stessa sostanza. Solo una delle due è correttaQuale e perché?

Le formule delle sostanze

FORMULA DI STRUTTURA: Rappresentazione la concatenazione dei legami fra gli atomi e la disposizione degli atomi nello spazio in una molecola

CO2, CH4, HNO3

Reazione chimica•La combinazione degli atomi in un composto può cambiare solo quando avviene una reazione chimica

•Una reazione chimica cambia il rapporto con cui gli atomi si combinano, ma non altera la natura degli atomi

C + O2 CO2

Formalismo

aA + bB cC + dDreagenti prodotti

Un’equazione chimica rappresenta il più fedelmente possibile il processo reale e quindi la natura delle specie che vi prendono parte.

Si devono quindi utilizzare le formule (molecolari o minime) che rappresentano le varie sostanze.

Equazione chimica

aA + bB cC + dDreagenti prodotti

Conservazione della massa: la massa totale dei reagenti e dei prodotti non varia durante la reazione.

Si deve avere lo stesso numero di atomi per ogni elemento, anche se in composti differenti, in ambedue i membri dell’equazione.

Bilanciamento di reazioni

C + O2 CO2

N2 + 3H2 2NH3

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Coefficiente stechiometrico

N2 + 3H2 2NH3

1/2 N2 + 3/2 H2 NH3

Il coefficiente stechiometrico di ciascuna specie che compare nella reazione è il numero di molecole o atomi di quella specie, nella reazione così come è stata bilanciata.

Massa atomica relativa dei nuclidi

La massa di un nuclide è troppo piccola rispetto all’unità di misure del kg.

Viene quindi definita in rapporto a quella di un nuclide di riferimento.

Per convenzione la massa del nuclide 12C è stata definita come esattamente = a 12.

1/12 della sua massa è l’unità di riferimento = u.m.a. in fisica, dalton (Da) in biologia.

E’ una nuova unità di misura della massa

1 u.m.a = 1 Da = 1,66053782(83) x 10-27 kg

Per esempio

La massa atomica del nuclide 13C = 13,003354 è quindi un numero puro che esprime quante volte la massa del nuclide 13C contiene 1/12 della massa del nuclide 12C

Perche’ la massa del 12C è stata scelta uguale proprio a 12 e non

1, oppure 10 oppure 100?

Le masse relative di n, e p e per i singoli nuclidi sono riferite a 1/12 della massa del 12C.

In questo modo, il protone, il neutrone hanno massa relativa vicina ad 1.

La massa dei vari nuclidi è vicina al numero di massa A.

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento

rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.

Esercizio: Quale é il peso atomico dell’idrogeno?

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento

rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.

Nuclide Massa relativa % di nuclidi

1H 1,007825 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 100

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento

rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.

Il peso atomico dell'idrogeno è:

1,007825 × 0,9985 + 2,014102 × 0,0015 = 1,007976

Nuclide Massa relativa % di nuclidi

1H 1,007825 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 100

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento

rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.Il peso atomico del carbonio è:

12 × 0,9889 + 13 × 0,0111 = 12,0111

Nuclide Massa relativa % di nuclidi

11C 11,011433 tracce12C 12, 98,8913C 13,003354 1,1114C 14,003142 tracce

Tavola periodica

Peso molecolare: somma dei pesi atomici di tutti gli elementi contenuti in una molecola di una sostanza elementare o di un composto

1. I2: 126.9x2= 253.8

2. H2SO4: (1.00798 x 2) + 32.064 + (15.999 x 4) = 98.076

Quando una sostanza non è formata da molecole discrete ma da un insieme infinito di atomi o ioni, si parla di peso

formula

1. NaCl: 22.9898 + 35.453 = 58.443

2. K2Cr2O7: (39.10 x 2) + (51.996 x 2) + (15.999 x 7) = 294.2

Peso atomico, peso molecolare, peso formula sono in realtà delle masse.