CHIMICA: è la scienza che studia la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia che ci circonda

In passato si credeva che tutta la materia fosse formata dall’insieme di quattro elementi: ARIA, TERRA, FUOCO ed ACQUA (Aristotele 350 a.c.)

La nascita della chimica moderna viene fatta risalire alla seconda metà del XVII secolo, con la pubblicazione da parte di Robert Boyle del libro “The sceptical chymist” (Il chimico scettico, 1661), in cui sosteneva che la materia fosse costituita da particelle e le sostanze da atomi diversi.

Già Democrito nel 400 a.c. sosteneva che la materia fosse costituita da corpi piccolissimi uniti in uno spazio vuoto

Nel V secolo d.c. si sviluppa l’ALCHIMIA; il cui obiettivo principale era quello di trasformare i vili metalli nel nobile oro.

Antoine Lavoisier nella seconda metà del 1700 enuncia il principio di conservazione della massa in una trasformazione chimica: “in una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti in un sistema chiuso”.

È la fine dell’ALCHIMIA, da ora in poi si parlerà solo di CHIMICA

In natura esistono 90 diversi atomi: ELEMENTI

Combinandosi…

COMPOSTIMilioni di composti diversi

energia +inquinamento +

Reazione chimica =- Formazione di nuovi composti

- emissione (o assorbimento) di energia

- inquinamento e sue conseguenze

DA DOVE VENGONO GLI ELEMENTI CHIMICI ?

NUCLEOSINTESI

- Big Bang: H, He, (Li)

- Stelle: He Fe (Co, Ni)

- Supernove Fe in poi

- Decadimento radioattivo

Le supernove rilasciano nello spazio gli elementi sintetizzati.

ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI CHIMICI NEL SISTEMA SOLARE

MATERIAOMOGENEA (aria, latte)

ETEROGENEA (acqua + olio)

SOSTANZA PURA(H2O, O2, Fe, S8, NaCl, Au)

MISCELA

MISCELA: gruppo di due o più sostanze che sono mescolate fisicamente

SOSTANZA PURA: costituita da una sola specie, o di atomo o di molecola

COMPOSTO(H2O, NaCl)

Molecolare (H2O)

Ionico (NaCl)

ELEMENTO(O2, Fe, S8, Au)

Atomico (Fe, Au)

Molecolare (O2, S8)

ELEMENTO: stato più semplice della materia, con proprietà fisiche e chimiche esclusive. Ècostituito da una sola specie di atomo.

COMPOSTO: materia costituita da due o più elementi chimicamentelegati tra loro.

H2OS8

Fe

NaCl

STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA LIVELLOMICROSCOPICO

(Chimici)

SOLIDO LIQUIDO GASDeterminaproprietà

LIVELLOMACROSCOPICO

COMPITO DELLA CHIMICA:STUDIARE LA TRASFORMAZIONE DELLA MATERIA

A QUALE SCOPO?1. SINTETIZZARE NUOVI MATERIALI (Utilizzando RISORSE NATURALI)2. OTTIMIZZARE UN PROCESSO CHIMICO (aumentando rese e velocità)3. MINIMIZZARE INQUINAMENTO

Per spiegare le proprietà MACROSCOPICHE della materia (osservabili ad occhio nudo), occorre considerare il livello MICROSCOPICO

(atomi, molecole ioni)

DI COSA E’ FATTA LA MATERIA?

DALTON: STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIADalton fu il primo chimico a formulare, nel 1803 una teoria atomica basatasulle intuizioni di Democrito vissuto 2500 anni fa. Tale teoria si fonda sui seguenti postulati:

1. La materia è costituita da particelle indivisibili: ATOMI

2. L’atomo è la più piccola parte di un ELEMENTO

3. Gli atomi di un elemento sono tutti uguali

4. Le reazioni chimiche avengono tra atomi interi

5. In una reazione chimica gli atomi degli elementi rimangono INALTERATI in NUMERO e QUALITÀ

Il punto 4 è diretta conseguenza della legge di Lavoisier sulla CONSERVAZIONE DELLA MASSA(cardine di tutta la chimica): in tutte le reazioni chimiche la massa si conserva, cioè la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti.

L’ATOMO SECONDO DALTON (1803):sferetta indivisibile di materia neutra

Nella seconda metà del 1800 William Crookes scopre i raggi catodici

Nel vuoto spinto del tubo catodico le particelle negative viaggiano ad alta velocità verso l'anodo e possono oltrepassarlo percorrendo creando un “ombra” sullo schermo retrostante sensibilizzato.

Nel 1886 Eugene Goldstein particelle che viaggiano in direzione opposta ai raggi catodici. È la prima evidenza de’’esistenza di particelle cariche positivamente

Scoperta dell’elettrone: il modello di Joseph John Thomson (1897)Thomson osservò che in un tubo sotto vuoto, con all’estremità due elettrodi collegati ad un generatore, si forma una scarica elettrica proveniente dal catodo. Questi raggi catodici deviavano se sottoposti ad un campo magnetico esterno, quindi devono essere costituiti da particelle cariche. Inoltre, sottoposti ad un campo elettrico esterno, deviano verso il polo positivo, e quindi le cariche devono essere negative.Poiché i raggi non dipendevano dalla natura del catodo Thomson comprese che queste particelle negative erano proprie di ogni atomo. Queste particelle prendono il nome di ELETTRONI.

N° PROTONI = N° ELETTRONI = ATOMO NEUTRO

Modello dell’atomo di Thompson: PLUM PUDDING MODEL (1904)

Gli elettroni “galleggiano” in una nuvola di cariche positive, i protoni.

Robert Millikan nel 1909 determina la carica dell’elettrone

qe = 1,602 • 10−19 C

Nel 1911 Ernest Rutherford esegue l’esperimento che porta il suo nome. A lui viene attribuita la scoperta del protone

“Era l’evento più incredibile mi fosse mai capitato nel corso della mia vita. Era quasi tanto incredibile quanto l’avere sparato un proiettile di 15 pollici contro un foglio di carta velina ed essere stati colpiti dal proiettile rimbalzato sulla carta”.

Se fosse valida la teoria di Thomson tutte le particelle α avrebbero dovuto attraversare gli atomi di oro (Tm) e nessuna avrebbe potuto “rimbalzare”all’indietro. Rutherford demolisce la teoria di Thomson ed introduce il concetto di ATOMO NUCLEARE (Rm).

Ciò significa che l’atomo debba essere un’entitàpressochè vuota, in cui quasi tutta la massa èconcentrata nel nucleo ed, a distanze più o meno elevate rispetto al raggio del nucleo, si trovano gli elettroni.

N° PROTONI = N° ELETTRONI = ATOMO NEUTRO

Qualche dato…

Elettrone:Carica: 1.6 • 10-19 C (-1); massa: 9.11 • 10-28 Kg

Protone:Carica: 1.6 • 10-19 C (+1); massa: 1.67 • 10-24 Kg

Massa Protone = 1836 volte la massa Elettrone

9.11 • 10-28 Kg1.67 • 10-24 Kg

= 1836

COM’È FATTO L’ATOMO?1 - L’atomo è una struttura VUOTA (nucleo centrale contenente i

protoni ed i neutroni circondato da e- che ruotano intorno.2 - La materia occupa una regione limitatissima dello spazio

disponibile (se l’atomo fosse grande come lo stadio San Siro, il nucleo, che contine la massa effettiva, sarebbe rappresentabile con una ciliegia al centro del campo).rnucleo = 10-15m dnucleo = 1011 - 1014 g/cm3

Se la d media della Terra fosse 1012 g/cm3 sarebbe 2.5Km…ratomo = 10-10m- raggio atomo è 100.000 volte maggiore del raggio nucleo- se il nucleo fosse grande come un punto su un foglio peserebbe 100 tonnellate!!!

3 - L’atomo è elettricamente neutro:N° PROTONI = N° ELETTRONI

NUCLEO: mai interessato nelle reazioni chimiche

ELETTRONI: ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche entrano in gioco nella formazione dei legami fra atomi uguali (elementi: O2, N2, Cl2) e/o diversi (composti: H2O, NH3, CO2) dei vari elementi.

Le energie in gioco nelle reazioni chimiche (in cui sono coinvolti solo gli elettroni con la rottura e formazione di nuovi legami) sono milioni di volte inferiori alle energie in gioco nelle reazioni nucleari (in cui sono coinvolte solo le particelle del nucleo).

Per rompere un legame occorre fornire energia

Nella formazione di un legame si sviluppa energia

L’ATOMO DEL CHIMICO

GLI ELEMENTI CHIMICI – LA TAVOLA PERIODICA

Il chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev si accorse di una certa somiglianza nelle proprietà chimiche di alcuni elementi e li ordinò in una tabella (1871). Gli elementi con proprietà chimiche simili erano ordinati lungo le colonne. Le caselle vuote sarebbero poi state occupate da elementi scoperti successivamente!!!

Nasce la

TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

ELEMENTI CHIMICI

XElemento generico

A

Z

NUMERO DI MASSA

NUMERO ATOMICO

NUMERO DI MASSA = n° protoni + n° neutroni nel nucleo

NUMERO ATOMICO = n° di protoni nel nucleo, DETERMINA L’ELEMENTO

C126 C14

6 U23592 U238

92

ISOTOPI = atomi con uguale N° atomico Z ma diverso N° di massa A

Le PROPRIETÀ CHIMICHE di un atomo DIPENDONO SOLO DA Zperché rappresentando il numero di protoni, ed essendo l’atomo neutro, questo numero coincide con il numero di e- che entrano in gioco nelle reazioni chimiche e quindi determinano le proprietàchimiche di un atomo.

ELEMENTI CHIMICI

XElemento generico

A

Z

NUMERO DI MASSA

NUMERO ATOMICO

C126 C14

6 U23592 U238

92

Parleremo quindi di:

Carbonio 12

Carbonio 14

Uranio 235

Uranio 238

COME SI PESANO GLI ATOMI ?La Massa Atomica Assoluta (MMA) è scomoda da usare perche i valori sono piccolissimi

MMA C = 1.99 • 10-23g MMA Bi = 3.47 • 10-23g MMA H = 1.67 • 10-24g12

6

1

1

209

83

Si utilizza allora uno standard e si parla di unità di massa atomica (uma)

MASSA ATOMICA RELATIVAIl Sistema Internazionale (SI) ha scelto la dodicesima parte dell’atomo di 12C

Massa assoluta = 1/12 12C = 1 uma =1.99 • 10-23g

12= 1.66 • 10-24g / uma

Massa atomica relativa (uma) =Massa assoluta (g)1.66 • 10-24g/uma

Quindi non avremo più a che fare con numeri estremamente piccoli

Bi = 209.98 uma

H = 1.0079 uma

C = 12.0107 uma

C = 12.0107 uma

Perché non 12 ???

Perché non 1 ???

Sulla TAVOLA PERIODICA è riportata la MASSA ATOMICA MEDIA, mediapesata degli isotopi di quell’elemento.

H = 1.0079 uma

C12

6

C13

6

C14

6

12.00000 uma13.00335 uma14.00324 uma

1.109 %98.89 %

<0.001 % (trascurabile)

Massa atomica media C = 12.00000 x + 13.00335 x = 12.011

Esempio: isotopi massa atomica abbondanza %

98.89 100

1.109100

Attenzione: massa, non peso!!! La massa è indipendente dalle forze gravitazionali

MASSA ATOMICA, MOLECOLARE E FORMULA

Gli ELEMENTI possono essere costituiti da singoli atomi o da MOLECOLE di atomi uguali (esempio: O2, C)

I COMPOSTI sono formati da atomi di elementi diversi e, a seconda del tipodi legame fra questi atomi si parla di COMPOSTO MOLECOLARE (legame covalente) o COMPOSTO IONICO (legame ionico).

ATOMI MASSA ATOMICA (uma)

MOLECOLE MASSA MOLECOLARE (uma)

COMPOSTI IONICI MASSA FORMULA (uma)

La massa molecolare e la massa formula si determinano sommando le masse atomiche degli elementi che costituiscono le molecole e i composti ionici.

Esempi: O2 = 2 x 16 uma = 32 umaH2O = (2 x 1 uma) + 16 uma = 18 umaNaCl = 23 uma + 35.5 uma = 58.5 uma

LA MOLEPesare una molecola nella vita comune è impossibile, per questo è stata introdotta la MOLE:

MOLE = massa atomica espressa in grammi

Quindi: 1 mole di C = 12 g di C (approssimando i valori)1 mole di H2 = 2 g di H21 mole di H2O = 18 g di H2O

Una mole contiene lo STESSO NUMERO DI PARICELLE ELEMENTARI(atomi, molecole, ioni, elettroni), quindi LA MOLE È L’UNITA’ DICONTEGGIO DEL CHIMICO

N° di partcielle in una MOLE = 6.022 x 1023 (N) = N° di AVOGADRO

Quindi: 1 mole di C (= 12 g/mole di C) contiene N atomi di C1 mole di H2 (= 2 g/mole di H2) contiene N molecole di H21 mole di H2O (= 18 g/mole di H2O) contiene N molecole di H2O1 mole di He contiene 2 moli di e-

1 mo,e di NaCl contiene 2 moli di ioni

N è un numero incredibilmente grande!!! ~ centomila miliardi di miliardi

Se vincessi alla lotteria una mole di euro (= 6.02 • 1023 €), spendendo10 miliardi di € al secondo dalla nascita, al 90° compleanno mi rimarrebbe un capitale pari al 99.995% della vincita!!!

Non ci credete? Facciamo i conti:

Numero di secondi in 90 anni: 90 (anni) x 365 (giorni/anno) x 24 (h/giorno) x 3600 (s/h) = 2.84 • 109 s€ spesi in 90 anni: 10.0 • 109 (€/s) x 2.84 • 109 (s) = 2.84 • 1019 €

% € spesi sulla vincita: = x 100 ~ 0.005 %

0.005 % della somma vinta alla lotteria!!!!!!!!

2.84 • 1019 (€)6.02 • 1023 (€)

LA MOLE

Determiniamo N:

N =Massa molare (g/mol)Massa assoluta (g)

n° particellemole di particelle=

Ricordando che 1 uma = 1.66 • 10-24 g si ha:N = n° atomi di 12C in 1 mole (12 g) = 12 (g/mol) / [12 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (atomi/mol)N = n° molecole di H2 in 1 mole (2 g) = 2 (g/mol) / [2 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (molecole/mol)N = n° molecole di H2O in 1 mole (18 g) = 18 (g/mol) / [18 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (molecole/mol)

N =1

1.66 • 10-24

1uma== 6.022 • 1023

1 mole di oggetti significa sempre 6.022 • 1023 oggetti.

1 mole di H2O = 18 g di H2O

La MOLE nei calcoli stechiometrici:

Reazione chimica: H2 + O2 H2O Espressione qualitativa

Micro: 1 molecola di O2 + 2 molecole H2 2 molecole di H2OMacro: N molecole di O2 + 2 x N molecole H2 N molecole di H2OMoli: 1 mole di O2 + 2 moli H2 2 moli di H2OMassa: 32 g O2 + 4 g H2 36 g H2O

LEGGE DICONSERVAZIONE DELLA MASSA

Per la Legge di conservazione della massa, che gli atomi restano inalterati in numero e qualità. Quindi: 1° membro = 2° membro

Va bilanciata: 2H2 + O2 2H2O

COEFFICIENTE STECHIOMETRICO