6 ottobre 2004 Corso di Chimica Lezioni 5-6 1

Corso di Chimica 2004-2005

Lezioni 5-6

Luigi Cerrutiluigi.cerruti@unito.it

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Comunicazione di servizioInterattività fra allievi e docente: allenamento per l'esame

• Ogni sabato per tutta la durata del corso saranno messi rete esercizi di allenamento per l'esame, all'indirizzo:

• http://www.minerva.unito.it

• Gli esercizi saranno di due tipi: numerici e domande con risposte aperte

• Gli esercizi numerici saranno corretti in aula durante la settimana successiva

• Le risposte alle domande aperte vanno inviate al seguente indirizzo:• lcerruti00@yahoo.it

• Le risposte saranno rispedite al mittente opportunamente corrette

• Ovviamente il docente non terrà in nessun conto gli eventuali errori• Anzi, il docente sarà grato all'allievo che avrà così segnalato qualche

difficoltà nel meccanismo insegnamento/apprendimento

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Comunicazione di servizioInterattività fra allievi e docente: comprensione dei contenuti

• La comprensione della chimica richiede un modo di pensare abbastanza diverso da quello usuale per un fisico

• Dubbi e perplessità possono sorgere in ogni momento dedicato allo studio o a rivedere gli appunti

• Si possono mandare domande su punti specifici di quanto detto a lezione al seguente indirizzo:

• lcerruti00@yahoo.it

• Le risposte saranno rispedite al mittente opportunamente corrette

• Presumendo che i dubbi non siano 'individuali' le risposte saranno spedite anche a tutti gli studenti che avranno mandato un mail all'indirizzo citato

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La definizione di mole

La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12.

Le entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle.

La mole è una delle sette unità di misura fondamentali

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La definizione di mole

La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12.

Le entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle.

Si tenga conto che raggruppamenti atomici importantissimi come l'idrossile OH, il carbossile COOH, il solfonile SO3Hè non sono nè atomi, nè molecole nè ioni.

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La quantità di sostanza come grandezza fisica

"Il metro è la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di un secondo".

vs.

"La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12"

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La quantità di sostanza come grandezza fisica

"Il metro è la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di un secondo".

vs.

"La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12"

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La quantità di sostanza come grandezza fisica

Come la lunghezza di un cammino corrisponde ad una distanza fra due punti, e cioè ad una specifica grandezza fisica, con relativa unità di misura [ m ]

così

la quantità di sostanza di un sistema corrisponde ad una particolare capacità di reagire della sostanza, e cioè ad una specifica grandezza fisica, con relativa unità di misura [ mol ]

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La quantità di sostanza e le altre grandezze fisicheOssia: perché la chimica è difficile

Per accordo internazionale sette grandezze fisiche sono considerate dimensionalmente indipendenti:

grandezza fisica simbolo

• lunghezza l• massa m• tempo t• corrente elettrica I• temperatura T • quantità di sostanza n• intensità luminosa Iv

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La quantità di sostanza e le altre grandezze fisicheOssia: perché la chimica è difficile

Discipline diverse mettono successivamente in gioco le diverse grandezze fisiche:

grandezze fisiche disciplina

• l geometria• l, m cinematica• l, m, t meccanica• l, m, t, I elettricità e magnetismo• l, m, t, I, T termodinamica• l, m, t, I, T, n chimica

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Moli di elementi e di composti

Nella fila di bicchieri davanti: una mole di Cu, Pb, Hg, Fe

Nella fila di bicchieri dietro: una mole di zucchero, acqua, S8, S, NaCl

La formula dello zucchero è C12H22O11

La massa molare dello zucchero è 342 g mol-1

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La rete di reazioni che collega le sostanze semplici e composte

C + O2 CO2 (1)

H2 + ½ O2 H2O (2)

C + ½ O2 CO (3)

C + H2O CO + H2 (4)

CO + 2 H2 CH3OH (5)

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La rete di reazioni che collega le sostanze semplici e composte

C + O2 CO2 (1) combustione del carbonio

H2 + ½ O2 H2O (2) combustione dell'idrogeno

C + ½ O2 CO (3) combustione parziale del carbonio

C + H2O CO + H2 (4) produzione del 'gas d'acqua'

CO + 2 H2 CH3OH (5) reazione di Fischer-Tropsch

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La reazione di Fischer-Tropsch

CO + 2 H2 CH3OH (1)

2 CO + 4 H2 C2H4 + 2 H2O (2)

n CO + 2n H2 H-(CH2)n-OH + (n-1) H2O (1')

n CO + 2n H2 (CH2)n + n H2O (2')

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La costante di Avogadro

Osservazioni importanti:– Essendo una costante con dimensione mol-1 in nessun caso

può essere confusa con un 'numero'– La costante di Avogadro dipende dalla definizione di mole e

non viceversa– La costante di Avogadro indica il numero di entità

microscopiche contenute in una mole– E' opportuno ricordare che la quantità di sostanza è una

proprietà di un sistema di particelle microscopiche

La costante di Avogadro vale:

NA = 6,022 x 1023 mol-1

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Massa atomica relativa (mar)

E' il rapporto tra la massa di un atomo di un elemento naturale(spesso una miscela di isotopi ) e la dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12.

Il suo valore per ogni elemento “risulta facendo la media tra i valorimassimo e minimo, trovati sperimentalmente e di dimostrata altaprecisione, su tutti i materiali normali noti” (Definizione dellaIUPAC , International Union of Pure and Applied Chemistry)

La massa atomica relativa è detta anche peso atomico, in ogni caso questa grandezza è adimensionale.

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Massa atomica relativaIl caso del fosforo

Il fosforo è un elemento mononuclidico, è cioècostituito esclusivamente dal nuclide 31P.

La massa atomica relativa del fosforo è 30,973 76.

Ciò significa che la massa di un atomo di fosforo-31 è 30,973 76 volte maggiore della dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12.

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Massa atomica relativaIl caso del silicio

Il silicio è un elemento polinuclidico costituito inmaggioranza (92,21 %) dall’isotopo 28Si (27,976 93 amu) ma contenente il 4,70 % dell’isotopo 29Si (28,976 49 amu) e il 3,09 % dell’isotopo 30Si (29,97376 amu).

La massa atomica relativa del silicio è 28,086. Ciò significa che la massa di un atomo di silicio naturale (media tra quelle dei tre isotopi) è 28,086 volte maggiore della dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12.

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Condizioni standard per i gas

• E' utile definire le condizioni standard di uno stato di

riferimento per i gas.

• Si è assunta come temperatura standard 0 °C

• Si è assunta come pressione standard 1 atm

• Si ricordi che 0 °C corrispondono a 273,15 K

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Condizioni standard per i gasUn avviso preliminare

• E' necessario tener conto che le condizioni standard di

uno stato di riferimento per i gas sono diverse dalle

condizioni standard adottate in termodinamica

• In termodinamica la temperatura standard è 25 °C

• In termodinamica la pressione standard è sempre 1 atm

• Si ricordi che 25 °C corrispondono a 298,15 K

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Le grandezze molari

• Si definiscono molari tutte le grandezze riferite ad una mole di sostanza. Due esempi importanti sono i seguenti:

– massa molare: è la massa di una mole di sostanza, ed è espressa in g mol-1

– volume molare: è il volume di una mole di sostanza, ed è espresso in cm3 mol-1

• Nel caso dei gas il volume molare è espresso in L mol-1, e a TPS vale 22,4 L mol-1

T

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Masse molari degli elementi

• Il rame Cu ha m.a.r. 63,546

• La massa di una mole di Cu è 63,54 g

• La massa molare del Cu 63,54 g mol-1

• Domanda: quante moli di rame sono contenute in un campione del metallo che pesa 15,30 g?

• Risposta:

15,30 g / 63,54 g mol-1 = 0,24 mol

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Masse molari degli elementi

• L'ossigeno ha m.a.r. 15,9994

• La massa di una mole di O è 15,99 g

• La massa molare dell'ossigeno atomico è 15,99 g mol-1

• Domanda: quante moli di ossigeno O2 sono contenute in un campione del gas che nelle condizioni normali ha un volume di 12,45 L?

• Risposta:

12,45 L / 22,4 L mol-1 = 0,56 mol

• Attenzione: 0,56 mol di O2 corrispondono a 1,12 mol di O

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Diversi tipi di formula per i composti

• Per un composto molecolare la formula di riferimento è data

dalla formula molecolare

acqua H2O

• L'analisi chimica elementare permette di valutare il tipo di atomi

che partecipano al composto e il loro numero relativo. Questo

dato è espresso mediante la formula minima

• La formula di struttura di una sostanza indica le relazioni topologiche

fra gli atomi che costituiscono la molecola

• Nel caso di sostanze ioniche, in cui non esistono molecole con

composizione corrispondente a quella della sostanza in esame, ci si

riferisce spesso alla formula minima, ad es. NaCl

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Due formule di struttura

Acido salicilico Fastac

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Formule e massa molare relativa

Data una formula di qualsiasi tipo possiamo calcolare la massa molare relativa sommando le masse molari relative degli elementi indicati nella formula, moltiplicate per il numero di atomi dell'elemento presenti nella formula.

Dato il gruppo COOH, la massa molare relativa è

12 + 16 x 2 + 1 = 45

Data la formula NaCl, la massa molare relativa è

23 + 35,45 = 58,45

Ci si può riferire ai 'pesi atomici' e al 'peso formula', avendo ben presente che si tratta di numeri adimensionali

Ci si può riferire ai 'pesi atomici' e al 'peso formula', avendo ben presente che si tratta di numeri adimensionali

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Il rapporto fra quantità di sostanza in moli e massa in grammi

Convertire 1,5 mol di ossigeno atomico in g

m.a.r. (O) 16; massa molare (O) 16 g mol-1

1,5 mol • 16 g mol-1

= 24 g

Convertire 2,5 mol di ossigeno molecolare in g

m.m.r. (O2) 32; massa molare (O2) 32 g mol-1

2,5 mol • 32 g mol-1

= 80 g

Convertire 2,5 mol di cloruro di sodio (NaCl) in g

peso formula NaCl = 22,99 + 35,45 = 58,44

massa molare NaCl 58,44 g mol-1

2,5 mol • 58,44 g mol-1

= 146,1 g

Convertire 10 g di ammoniaca (NH3) in moli

m.m.r. (NH3) 17

massa molare 17 g mol-110 g /17 g mol-1 = 0,59 mol

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La formula minima

• La formula minima di un composto chimico rappresenta soltanto i rapporti numerici esistenti tra gli atomi nel composto; può coincidere con la vera formula o essere un suo sottomultiplo.

• Molti composti diversi possono avere la stessa

formula minima, così CH2O è la formula minima, della

formaldeide, dell'acido acetico, e del glucosio.

• La formula minima di un composto chimico è ottenuta

sperimentalmente mediante l'analisi elementare

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Eguale formula minima, diversa formula molecolare

• Sia data la formula minima CH2O

• Nella formaldeide la formula molecolare è CH2O

• Nell'acido acetico la formula molecolare è C2H4O2

• Nel glucosio la formula molecolare è C6H12O6