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Università di Napoli Federico II

CHIMICA

Prof. A. CostantiniProf. G. Luciani

Corso di Chimica

Materiale DidatticoMateriale Didattico

Testi:- Martin S. Silberberg, Chimica, McGraw-Hill- Oxtoby, Gillis, Campion, Chimica Moderna Edises- M. Giomini, E. Balestrieri, M. Giustini,

Fondamenti di Stechiometria, Edises- A. Buri, D. Caferra, A. Marotta, Chimica Problemi Numerici,

Liguori Editore

Sul Sito Docente: www.docenti.unina.it/a.costantini www.docenti.unina.it/g.luciani

Dispense del Corso Esercizi di Ricapitolazione

L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioniCorso di Chimica

Accuratezza: 3 m

Armi intelligenti

Tessuti intelligenti

Corso di Chimica

Tessuti IntelligentiTessuti Intelligenti

Tessuti Antiproiettile

Capaci di rilevare l’avvicinamento di un proiettile e indurire per impedirne la penetrazione

Tessuti Cosmetici la nostra pelle viene lentamente rinfrescata e rivitalizzata

Tessuti Sensibili all’Ambiente

In grado di regolare la temperatura Corporea


Determinazione delle proprietà

MATERIALIDisponibili in natura Utilizzo

Selezione

Trasformazioni

Modifica delle

proprietà


Le prime trasformazioni consistevano in: cambio di forma e/o assemblaggio di componenti

Gli oggetti conservano la loro costituzione (composizione)

Solo successivamente le trasformazioni hanno portato all’ottenimento di nuovi materiali :-Metalli e leghe metalliche- Materiali plastici (Polimeri sintetici)- Materiali Compositi- Materiali Ibridi

Corso di Chimica

I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia

NanoDynamics Inc., Buffalo (NY)Palle da golf progettate per evitare spostamenti di peso durante la rotazioneIl costo è confrontabile con quello delle palline ordinarie.

Pirelli Winter Sottozero

Migliore resistenza e stabilità

Materiali con prestazioni migliorate

Le palle da tennis “double core” rimangono gonfie più a lungo

Racchette da tennis più resistenti e + leggere

Corso di Chimica


Corso di Chimica

Tessuti senza pieghe, senza macchie, impermeabili, traspiranti


Corso di Chimica

I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della TecnologiaMateriali Intelligenti

Sono chiari, e scuriscono quando la luce solare raggiunge una certa intensità evitando problemi di abbagliamento

Materiali in grado di rispondere a stimoli differenti ed adattare la sua risposta all’esigenza.

Vetri Fotocromici

Imballaggi Attivi

Lo spot cambia colore in relazione alla generazione di aromi della maturazione

Corso di Chimica

Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia

1m2 di superficie terrestre esposta riceve mediamente 6 KW-h di energia solare al giorno.

Se riuscissimo ad accumulare in modo efficiente l’energia solare basterebbe una superficie di SOLI 5 m2 per soddisfare il fabbisogno giornaliero di una famiglia.

Applicazioni Fotovoltaiche

Corso di Chimica

Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia

Celle Fotovoltaiche : I RequisitiCelle Fotovoltaiche : I Requisiti

• Efficienza• Costo Contenuto• Ridotto impatto ambientale

Le celle foto-voltaiche attualmente prodotte sono costose, mentre il loro rendimento è basso. Le celle di silicio cristallino hanno un rendimento di circa il 15%: trasformano in elettricità solo un sesto dell'energia dei raggi solari. Il costo per installare 1 kiloWatt di potenza elettrica fotovoltaica è di circa 8.000 €. Quello per installare 1 kW idroelettrico o termoelettrico è poco più di 1.000 €.

Corso di Chimica

Celle FotovoltaicheCelle FotovoltaicheCelle solari: in materiale flessibile

Celle solari parzialmente trasparenti, come parti integranti di realizzazioni architettoniche.

Pannelli adesivi fotovoltaici per la copertura di superfici;Coperture plastiche fotovoltaiche per la realizzazione di serre e

ambienti autonomi energeticamente;Realizzazione di vernici fotovoltaiche per la copertura di

superfici mobili;

Corso di Chimica

Prototipi di illuminazione diffusaPrototipi di illuminazione diffusa Gli stessi dispositivi fotovoltaici possono essere utilizzati per

l’illuminazione: luce diffusa su ampie superfici grazie a film sottili polimerici regolabili in colore e intensità con pile autoricaricabili

Il nuovo schermo TV della Sony fatto con OLED

Corso di Chimica

InformaticaInformatica

Peso: ca. 30 t N. elementi: 19000 tubes Consumo: 200 kW

ENIAC: il I computer (1944)

Peso: ca. 5 kgN. elementi: 55 millions di transistor (pentium 4)Consumo: ca. 100 WDimensione degli elementi (min): ca. 100 nm

Computer moderni (2004)

Miniaturizzazione

Corso di Chimica

Informatica: Il FuturoInformatica: Il Futuro

Ci si appresta a lanciare entro il 2015 un nano-processore per PC (con grandezza pari a 22 nanometri contro i 44/65 nanometri attuali). Queste dimensioni consentiranno di contenere oltre 400 milioni di transistor in un chip capace di girare ad una frequenza di 10 gigahertz.

Impariamo dalla NaturaImpariamo dalla Natura

Il computer biologico: DNA

In grado di conservare ed elaborare molte informazioni complesse in soli 20 nm !

Corso di Chimica

MedicinaMedicina

Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti argento per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti tradizionali.

Protesi e dispositivi artificiali in grado di migliorare o sostituire funzionalità ai tessuti viventi

Il presente

Corso di Chimica

Medicina: Il futuroMedicina: Il futuroFarmaci Intelligenti

I nanorobot potranno rallentare il processo di invecchiamento ed essere programmati per eseguire delicati interventi chirurgici – migliaia di volte più precisi del più affilato bisturi - senza lasciare cicatrici.

Proiettili intelligenti in grado di:

Riconoscere le cellule malate

Evidenziarle

Eliminarle

Nanorobot

Corso di Chimica

Medicina: Il futuroMedicina: Il futuro

Globuli Rossi Artificiali

Materiali intelligenti in grado di sfruttare la capacità rigenerativa dei tessuti, promuovendo proliferazione e differenziazione cellulare

L’uomo, la materia e le trasformazioniL’uomo, la materia e le trasformazioniCorso di Chimica

L’esigenza: Utilizzare la materia, sottoponendola a trasformazioni, per migliorare la qualità della vita

Progettazione

Empirica: Ottenimento del materiale per l’applicazione richiesta senza comprensione e controllo delle proprietà

Ingegnerizzazione: Si basa sulla comprensione e il controllo delle proprietà ai fini di ottimizzarle per l’applicazione richiesta.

Comprensionedelle proprietà

Individuazione dei fattori che le determinano

Corso di Chimica

Focalizziamo il Problema:Focalizziamo il Problema:Da cosa dipendono le proprietà e le trasformazioni della materia ?

Composizione: indica ciò di cui è fatto il campione di materia (entità costitutive)

Struttura: organizzazione delle entità costitutive nello spazio tridimensionale

Grafite Diamante

Diamante Rame

Corso di Chimica

Proprietà e StrutturaProprietà e Struttura

Corso di Chimica

Comprensione e Controllo delle Comprensione e Controllo delle Proprietà Proprietà

Proprietà e Trasformazioni della Materia

Composizione e Struttura

Corso di Chimica

Chimica: definizioneChimica: definizione

Disciplina scientifico-sperimentale che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia.

Corso di Chimica

La materiaLa materia

La materia è tutto ciò che si trova nell'universo ed è dotato di massa propria e occupa spazio.

Stati di aggregazione della materia

Forme in cui la materia può presentarsi: Solido, liquido, gassoso.

Stato di aggreazione

Volume Forma Compressibilità

Solido Ha volume proprio Ha forma propria Incompressibile

Liquido Ha volume proprio Non ha forma propria, ma assume quella del recipiente che lo contiene

Incompressibile

Gas Non ha volume proprio. Si conforma al volume del recipiente che lo contiene

Non ha forma propria, ma assume quella del recipiente che lo contiene

Compressibile

Corso di Chimica

Proprietà della materiaProprietà della materia Proprietà fisiche: Caratteristiche che possono essere

osservate o misurate senza alterare l’identità chimica (composizione) del materiale

EsempiEsempi

Densità

Punto di fusione

Compressibilità

Colore

Odore

Durezza

Corso di Chimica

Proprietà della materiaProprietà della materia

Proprietà chimiche: Caratteristiche che possono essere osservate o misurate SOLO alterando l’identità chimica (composizione) del materiale

Il carbonato di calcio, contenuto in un pezzo intonaco, reagisce con una soluzione acquosa di acido cloridrico formando delle bollicine di anidride carbonica.

CaCO3 + 2HCl CaCl2+CO2+H2O

EsempiEsempi

L’idrogeno può reagire con l’ossigeno (brucia) producendo acqua.

Trasformazione (Reazione) Chimica

2 H2 + O2 2 H2O

Corso di Chimica

(a) La brina che si forma sulle piante nelle notti fredde e umide

(b) Una pianta che nasce e si sviluppa da un seme innaffiato e fertilizzato

(c) L’esplosione della dinamite che si trasforma in una miscela gassosa

(d) L’evaporazione del sudore dopo aver fatto jogging

(e) L’annerimento di una forchetta all’aria

FENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICIFENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICI

PROBLEMA: Decidete se i processi seguenti sono chimici o fisici

Corso di Chimica

Proprietà della materiaProprietà della materia

–Proprietà estensive: dipendono dalla quantità di materia del campione (es. volume, lunghezza ).

–Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di materia del campione (es. temperatura, densità ).

Corso di Chimica

Osservazione del fenomeno

Raccolta di dati sperimentali

Formulazione della legge

Sperimentazione

L’ipotesi e’ verificata?

Si

No

Realizzazione di altri esperimenti

Formulazione di una teoria

Formulazione di ipotesi

Il Metodo ScientificoIl Metodo Scientifico

Corso di Chimica

Definizione di modello in campo scientifico

Per modello si intende la rappresentazione semplificata e pertanto idealizzata del fenomeno

Si fonda su una serie di ipotesi o postulati che identificano le caratteristiche salienti del fenomeno e pertanto ne consentono la spiegazione

Il modello formulato non deve essere considerato una riproduzione in miniatura di una realtà macroscopica ( es. un modellino di nave ), bensì uno strumento concettuale di cui ci si serve per interpretare il comportamento delle cose.

Corso di Chimica

La Teoria AtomicaLa Teoria Atomica

John Dalton (1766-1844) formulò la teoria atomica sulla base delle seguenti osservazioni sperimentali (leggi):

• Legge di conservazione della massa

• Legge delle proporzioni definite

Corso di Chimica

Le leggi fondamentali Le leggi fondamentali

In un sistema chiuso, durante una qualsiasi trasformazione la massa si conserva

Legge delle Proporzioni definite (Proust)Legge delle Proporzioni definite (Proust)

La % in peso degli elementi in un composto è definita e costante e non dipende dall’origine del composto.

Es. Acqua

Massa Composto

Massa Ossigeno

Massa Idrogeno

% massa Ossigeno

% massa Idrogeno

18.0 g 16.0 g 2.0 g 88.9 11.1

200.0 g 177.8 g 22.2 g 88.9 11.1

Legge di conservazione della MassaLegge di conservazione della Massa

Corso di Chimica

La Teoria Atomica di DaltonLa Teoria Atomica di Dalton

Dalton fu il primo a proporre una teoria atomica, basata sui seguenti postulati:

1) La materia è costituita da particelle elementari, indivisibili, chiamate atomi.

2) Gli atomi della stessa specie chimica sono tutti uguali tra di loro.

3) Gli atomi sono indivisibili e indistruttibili. In una trasformazione chimica essi si combinano tra di loro secondo un rapporto ben definito e costante, espresso da numeri interi

Corso di Chimica

L’Atomo: Entità MicroscopicaL’Atomo: Entità Microscopica

Gli atomi sono stati assimilati a particelle sferiche a partire dalla Teoria Atomica (Modello)

Soltanto due secoli dopo, grazie al progresso tecnologico è stato possibile confermare tale ipotesi.

Gli ordini di grandezza:

Raggio ≅ 10-10 m = 1 Å

Massa ≅ 10-24 g

Le entità costitutive, sono formate da un numero discreto di atomi, che in qualche caso può anche essere pari a 1

ENTITA’ MICROSCOPICHE

Corso di Chimica

Livello Livello macroscopicomacroscopico

Proprietà e trasformazioni di oggetti grandi e visibili

Livello Livello microscopicomicroscopico

Tipologia delle entità costitutive e loro organizzazione (composizione e struttura), modifica dell’organizzazione degli atomi costituenti (trasformazione chimica)

Simboli Chimici+

relazioni matematiche

Cristalli di quarzo (SiO2). La struttura si può rappresentare in funzione di unità tetraedriche SiO4 collegate tramite atomi di ossigeno

L’obiettivo dei ChimiciL’obiettivo dei Chimici

Corso di Chimica

Classificazione della MateriaMateria

Proprietà chimico-fisiche uniformi?

OmogeneaEterogenea

NO SI

Sistema eterogeneoAcqua + Ghiaccio

Corso di Chimica

Classificazione della materia

Fase: Ogni porzione percettibile di materia chimicamente e fisicamente omogenea.

Sistema eterogeneo Sistema eterogeneo Due o più fasi

Sistema Omogeneo Sistema Omogeneo Una fase

Corso di Chimica

Classificazione dei Sistemi Omogenei

Sistema Omogeneo

Soluzione

Separabile con metodi fisici ?SI NO

Separabile con metodi chimici ?SI NO

Composto Elemento

Sostanza

Perché una sostanza non è separabile con metodi fisici?

Corso di Chimica

Miscele Sistemi di due o più sostanze pure che si ottengono tramite un processo fisico (Mescolamento o Solubilizzazione)

Possono essere separate nelle sostanze costituenti attraverso metodi fisici

Le sostanze componenti conservano la propria identità chimica

Corso di Chimica

Metodi di separazione delle miscele

Sfruttano le diverse proprietà fisiche dei componenti.

Sedimentazione

Filtrazione (pressione atmosferica o sotto vuoto).

Decantazione

Miscele EterogeneeMiscele Eterogenee

Miscele OmogeneeMiscele Omogenee Distillazione: Sfrutta la differenza di volatilità delle sostanze che compongono la miscela

Corso di Chimica

Composti e Elementi

ElementiElementiSostanze pure costituite da un solo tipo di atomiEsempi: Rame (Cu), idrogeno (H2), ossigeno (O2)

CompostiCompostiSostanze pure ottenute tramite una trasformazione chimica di due o più elementi chimici

Esempio: Acqua (H2O)

Gli elementi costituenti si combinano sempre secondo un rapporto definito e costante (Legge delle proporzione definite)

Profonda modifica delle proprietà

I composti hanno composizione definita

Formula Punto Ebollizione (°C)

Densità (g/dm3)

Proprietà Chimiche

Idrogeno H2 -253 0.90 Infiammabile Ossigeno O2 -183 1.14 Comburente

Acqua H2O 100 1000 Non infiammabile

Corso di Chimica

Atomi Elementi e Composti

NOL’entità microscopica è

costituita da atomi della stessa natura

chimica ?

SI

Composto ElementoTrasformazione Chimica

Elemento

Trasformazione Chimica

SOSTANZA

In un composto gli atomi di elementi diversi non sono fisicamente vicini, ma interagiscono profondamente

Sconvolgimento delle Proprietà

Corso di Chimica

Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole

Atomo: La più piccola particella di un elemento che ne conservi

le proprietà chimiche.

Elemento: sostanza costituita da un’unica specie di atomi

Corso di Chimica

L’Atomo

Le particelle subatomiche principali

Corso di Chimica

La Struttura dell’AtomoIl Modello di Thomson

Il modello atomico di Thomson (detto plum pudding) fu uno dei primi a giustificare la stabilità e la neutralità dell’atomo, data la presenza in egual numero di particelle positive e negative sparse nell’atomo stesso.

Corso di Chimica

LA STRUTTURA DELL’ATOMOLA STRUTTURA DELL’ATOMOEsperimento di Rutherford di diffusione delle

particelle α e scoperta del nucleo atomico

Corso di Chimica

La Confutazione di RutherfordLa Confutazione di Rutherford

Secondo il modello di Thomson, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare indisturbate la lamina d’oro e raggiungere il rivelatore (fig.1). Rutherford, tuttavia, osservò che una piccola parte dei raggi veniva deviata o addirittura totalmente riflessa. (fig.2)

Fig. 1

Fig. 2

Corso di Chimica

Caratteristiche generali dell’atomoCaratteristiche generali dell’atomo

Corso di Chimica

Rappresentazione dell’atomoRappresentazione dell’atomo

Corso di Chimica

Numero Atomico e di MassaNumero Atomico e di Massa

Numero atomico: Numero dei protoni contenuti nel nucleo atomico: è il parametro che identifica un elemento. Si indica con la lettera Z.

Numero di massa: Numero totale dei nucleoni (protoni più neutroni) presenti nel nucleo di un dato atomo: è il parametro che identifica i vari isotopi di uno stesso elemento. Si indica con la lettera A (oppure M).

Corso di Chimica

Le Dimensioni degli AtomiLe Dimensioni degli Atomi

Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m.

Il nucleo ha un diametro di circa 10-14 m.

Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli

oggetti si contrarrebbero di 104 volte conservando la stessa

massa.

L’Everest diventerebbe una montagna alta 80 cm.

Corso di Chimica

IsotopiIsotopi

Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono un numero di neutroni differente. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero atomico (Z) ma differente numero di massa (A). Esempio: 12C, 13C e 14C sono tutti e tre isotopi del carbonio.

Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse proprietà chimiche.

Corso di Chimica

Unità di Massa AtomicaUnità di Massa Atomica

Unità di Massa Atomica (UMA) =1/12 della massa dell’isotopo 12C

1 UMA = 1.6605402x10-27 kg

Corso di Chimica

Molecola: Specie poliatomica, isolabile sperimentalmente, che costituisce la più piccola particella responsabile delle proprietà chimiche delle sostanze molecolari.

Ione: Atomo o specie poliatomica che possiedono una carica elettrica. Si formano quando la specie chimica perde od acquista elettroni rispetto a quelli che bilanciano la carica nucleare.

Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole

Corso di Chimica

Sistema SISistema SI• Lunghezza: Metro – Simbolo: m.

• Massa: Chilogrammo – Simbolo: kg

• Tempo: secondo – Simbolo: s

• Corrente Elettrica: Ampere – Simbolo: A

• Temperatura: Kelvin – Simbolo: K

• Quantità di materia: mole – Simbolo: mol

• Intensità Luminosa: candela – Simbolo:cd

http://www.didattica.org/tabelle/si.htm

Corso di Chimica

Multipli delle Unità SIMultipli delle Unità SI

Prefisso Moltiplicatore

Simbolo

Yotta 1024 Y

Zetta 1021 Z

Exa 1018 E

Peta 1015 P

Tera 1012 T

Giga 109 G

Mega 106 M

Kilo 103 K

Etto 102 H

Deca 101 da

Corso di Chimica

Multipli delle Unità SIMultipli delle Unità SI

Prefisso Moltiplicatore

Simbolo

Yocto 10-24 y

Zepto 10-21 z

Atto 10-18 a

Femto 10-15 f

Pico 10-12 p

Nano 10-9 n

Micro 10-6 µMilli 10-3 M

Centi 10-2 C

Deci 10-1 d

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