Corso di chimica di base - Index Out Of Range | Francesco ... · Liceo Lugano 2. Corso base di...
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Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 1
Corso di chimica di base
• Libri di testo di riferimento:
James E. Brady, Fred Senese,
Chimica; La materia e le sue trasformazioni, ZanichelliCamponovo, Piccolo manuale tecnico, Edizioni Casagrande
• Sito web di riferimento: www.lilu2.ch/materie/chimica/De Vittori/portale di chimicaaccesso generale: nome utente= ospite / password= ospite
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Riferimenti
• Lezioni: unità 0 e unità 1;• Esercizi: unità 0 e unità 1;• Esercizi unità 0 propedeutici al pensiero
chimico;• Libro di testo: cerca nei capitoli 1, 2, 3;• Sito web: documento « Dall’aria ai prodotti
tecnici di base ».
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Due processi a confronto
Partendo dall’acqua liquida, con due tecniche diverse, è possibile ottenere materia allo stato aeriforme: in un caso si fornisce energia mediante riscaldamento (caso A), nell’altro caso si applica tensione elettrica (caso B).
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Processo A
Si osserva la produzione di grosse bolleall’interno del liquido (ebollizione). Cosa succede ponendo un vetro freddo sopra la superficie dell’acqua in ebollizione? E chiudendoil sistema?Come si definisce comunemente il prodottoaeriforme ottenuto dal processo di ebollizionedell’acqua?Il prodotto aeriforme possiede caratteristichefisiche diverse dal liquido (per es: densità, viscosità,…)?
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Processo A: conclusioni
Possiamo affermare che il prodottoaeriforme sia diverso dal liquido di partenza?Possiamo affermare che non si tratti più di acqua?………………………………………….?
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Processo B
Si osserva la produzione di bollicine aeriformialla superficie delle foglioline di platino (elettrodi)I volumi di aeriforme prodotti sulle due fogliolinesono uguali ? Il rapporto tra i volumi prodotti è costante e riproducibile?Vi è riscaldamento dell’acqua?E’ possibile pensare a due prodotti aeriformidiversi?E’ possibile pensare a prodotti aeriformi diversida quello del caso A?
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Processo B: la produzione
I due volumi aeriformi possono essereriuniti in un cilindro capovolto.Individua una differenza essenziale traquesto nuovo sistema aeriforme e il prodotto aeriforme del caso A.Esso può essere ritenuto un materialeidentico all’aeriforme del caso A?Esso può essere ritenuto ancora« acqua »?
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Processo B: i prodotti particolari
I due aeriformi prodotti vengono convogliati in due cilindri diversi; ci si avvicina ad essi con un fiammifero:si comportano allo stesso modo?si tratta di materiali uguali?hanno le stesse proprietà all’acqua?Il gas prodotto dall’acqua che dà il botto a contatto con l’acqua (se c’é una fiammella o unascintilla) è normalmente presente nell’aria?come vengono denominati i due prodotti?
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Il confronto tra i due processi: fenomenologia
Separazione di componenti dell’acqua
Reversibilità del processo
Scomposizione in materiali diversi
Modifica dello stato di aggregazione
Produzione di nuovi materiali
Modifica delle proprietà chimiche
Modifica delle proprietà fisiche
BA
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Tipi di processi: criteri e definizioniQuali aggettivi vengono utilizzati per definire i due processi ? Con quali criteri si possono distinguere?
miscelazioneDei materiali vengono uniti e mantengonole loro proproetà?
Incandescenza, dilatazione, strizione,..
Cambia solo lo stato fisico dei materiali?
Trasformazionechimica
Si formano nuovi materiali?
Passaggio distato
Cambia solo lo stato di aggregazione?
Criterio
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Interpretazione microscopica dei due processi
La descrizione fatta dei due processi si basa su aspetti osservabili cioèmacroscopiciUna spiegazione delle osservazionimacroscopiche richiede un’interpretazioneteorica basata su modelli non osservabili: si ricorre a descrizioni basate su supposizioni non direttamente dimostrabili;
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Interpretazione microscopica dei due processi
Un esempio di supposizione non direttamente dimostrabile (ipotesi):..possiamo ipotizzare che l’acqua siacomposta da particelle non osservabili(molecole)….Hai motivi a favore di quest’ipotesi?Hai motivi contrari?Può servire una simile ipotesi?
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Interpretazione microscopica del processo di elettrolisi dell’acqua
- +
?
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Interpretazione microscopica del processo di elettrolisi dell’acqua
Con il modello ipotizzato é possibilespiegare il rapporto costante tra i volumi di gas prodotti?Occorrono nuove ipotesi?
IdrogenoOssigeno
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Interpretazione microscopica del processo di elettrolisi dell’acqua
Pesando i due volumi di gas prodotticontemporaneamente si ottiene un rapporto:
MO : MH = ? : ?si può ipotizzare un rapporto in massa trale particelle O e le particelle H?
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Ipotesi di struttura microscopica dellamateria
Come si potrebbe ipotizzare la composizione delle particelle dell’acqua?
La coerenza dell’ipotresi con tutte le osservazioni disponibili ci permette ditramutare l’ipotesi in postulato: vedi i postulati della Teoria di Dalton
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Riferimenti
• Lezioni: unità 2;• Esercizi: unità 2; • Libro di testo: cerca nel capitolo 4.
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Conseguenze delle ipotesi proposte
Qual è la differenza essenziale tra un materiale come l’acqua e materiali quali l’idrogeno e l’ossigeno (che non possono più essere scomposti in altri materiali)?
Cosa implica a livello microscopico un processo cheproduce nuovi materiali (processo chimico)?
Quale differenza essenziale esiste tra un processochimico e un cambiamento di fase (come l’evaporazione)?
Il rapporto proposto per le masse delle molecole O e H trova un riscontro tra i dati della Tavola Periodica deglielementi per O e H?
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Conseguenze delle ipotesi proposte
Vogliamo combinare due materiali (ferroe zolfo) per ottenere un nuovomateriale:
• Di che processo si deve trattare?• Cosa dobbiamo aspettarci?
– Proprietà del prodotto
– Rapporto di combinazione tra ferro e zolfo
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Conseguenze delle ipotesi proposte
Come si possono applicare i principi propostialla reazione tra ferro e zolfo?
• Occorre considerare il rapporto quantitativo tra i due reagenti per stabilire la formula del prodotto
• Occorre formulare la reazione con una« equazione chimica » (formule di reagenti e prodotti)
• Occorre considerare le osservazioni di A. Lavoisier: « la materia non si crea e non si distrugge ma solo si trasforma » (cioè la massa totale rimane invariata)
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Conseguenze delle ipotesi proposte
Come si possono applicare i principiproposti alla distinzione tra processofisico e processo chimico?Interpretiamo i processi in base a particelle chesi separano, si uniscono, si ricombinano …..
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Le proprietà di idrogeno e ossigeno
Quale dei due gas si comporta da combustibile e quale da comburente?Come si può dimostrare che l’ossigeno èpresente anche nell’aria?Qual è l’origine dell’energia che si sviluppanella reazione tra i due gas?Che relazione esiste tra processoelettrolitico e processo di combustione?
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Le proprietà di idrogeno e ossigeno
Qual è il flusso dell’energia nel processoglobale: acqua-> idrogeno + ossigeno -> acquaChe similitudine si può proporre con un processo meccanico, per esempio il sollevamento di un corpo?
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Riferimenti
• Lezioni: unità 3;• Esercizi: unità 3;• Libro di testo: cerca nei capitoli 2, 5 e 15.
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La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno
Una « bolla » di idrogenocircondata d’aria (di cuil’ossigeno è il 20%)
Una « bolla » di idrogeno e ossigeno miscelati
Due superfici porose, un elettrolita e un circuito elettrico
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La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno
• Cambia la quantità di energia liberata neitre casi?
• Cambia la forma di energia ottenuta nei trecasi? Quali sono queste forme?
• In quale caso si può ottenere la maggiorquantità di lavoro meccanico?
• In quale caso si ottiene la maggiorquantità di entropia?
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Da cosa dipende la velocità di un processochimico?
• In quale caso la velocità della reazione èmassima?
• Quali fattori determinano la velocità dellareazione?
• Come vengono applicati questi principi alla sintesi dell’ammoniaca, dell’acido solforico e dell’acido nitrico (videate 31-33)?
• Come vengono applicati questi principi al cracking delle frazioni petrolifere pesanti(videata 34)?
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Da cosa dipende la resa di un processochimico?
In un sistema chiuso i reagentinon si convertono mai completamente nei prodotti; a seconda delle condizioni (in particolare p e T) si crea unasituazione di equilibrio trareagenti e prodotti nella qualele loro quantità diventanocostanti nel tempo se le condizioni non variano.
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Riferimenti
• Lezioni: unità 4;• Esercizi: unità 4; • Libro di testo: cerca nei capitoli 2 e 5.
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I fenomeni elettrici
• In che forma appaiono i fenomeni elettrici?
• Come si possono generare?
• In che condizioni si esplicano?
• Qual è l’origine dell’aggettivo elettrico?
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Il concetto di forza elettrica
• Da cosa riconosciamo le forze in generale?
• Quali sono gli effetti osservabili nel caso specifico?
• Da cosa dipendono questi effetti?
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Lo stato elettrizzato
• Quando parliamo di stato elettrizzato?
• Quanti stati elettrizzati diversi si possono produrre?
• Da quale situazione iniziale si producono gli stati elettrizzati?
• Come si possono annullare?
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Il concetto di carica elettrica
• Come possiamo interpretare lo stato elettrizzato?
• Quanti tipi di carica elettrica possiamo e dobbiamo ipotizzare?
• Come possiamo descrivere la formazione di stati elettrizzati a partire da corpi neutri?
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Il concetto di carica elettrica
• Pensando al nostro modello particellare della materia come possiamo interpretare la formazione dello stato elettrizzato?
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Il concetto di corrente elettrica
• Come possiamo spiegare l’elettrizzazione dell’elettrometro tramite la bacchetta elettrizzata?
• Come possiamo spiegare lo “scaricamento”dell’elettrometro mediante il nostro corpo?
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Il concetto di corrente elettrica
• Come possiamo spiegare il progressivo riscaldamento del filamento?
• Come possiamo spiegare e descrivere l’illuminazione della lampadina?
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La forza elettrica può produrre lavoro?
• Esiste nel sistema panno-bacchetta una capacità di compiere un lavoro?
• Qual è l’origine di tale capacità?
• Da cosa dipende tale capacità?
• Cosa accadrebbe secollegassimo il panno con la bacchetta mediante un conduttore?
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Il concetto di potenziale elettrico
• Cosa occorre fare per muovere unacarica nel conduttore?
• Puoi trovare un modello semplice per spiegare il movimento delle cariche nel conduttore?
• Qual è l’unità di misura della carica elettrica?
• Come si esprime il potenziale elettrico o tensione elettrica?
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La conducibilità elettrica dei gas
• Cosa fu possibile capire dagli esperimenti di Faraday?
• Qual è la differenza essenziale tra luce e raggio catodico?
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La scarica elettrica nei gas
Pompa a vuoto
Tubo „pienod‘aria“
Elettrodi: catodo
(polo - ), anodo (polo
+)
Differenzadi
potenzialetra gli
elettrodi
Alimentatore adalta tensione
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•• AncheAnche se la se la differenzadifferenza di potenziale di potenziale tratra gligli elettrodielettrodi èè di 6000 Volt, di 6000 Volt, nelnel tubotubonon non passapassa correntecorrente elettricaelettrica..
=>=>
•• DuranteDurante unun temporale temporale quandoquando scoccascoccaunun fulminefulmine, la , la differenzadifferenza di potenziale di potenziale cheche permettepermette la la scaricascarica elettricaelettrica èèdelldell‘‘ordineordine di di 100100‘‘000000 Volt e Volt e pipiùù..
La scarica nell‘aria
Non sono presenti cariche elettriche libere di muoversi da un polo all‘altro.
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Scarica e luminescenza nei gas
La differenza di potenziale
crolla bruscamente
Il gas all‘interno del tubo emette luce
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Il trasporto di corrente nei gas
• Nel tubo circola una corrente elettrica che trasportaenergia.
• L‘energia trasportata viene ceduta alle molecole di ossigeno e azoto ancora presenti nel tubo che la emettono nuovamente come radiazione luminosa (non siosserva un riscaldamento del tubo)
• Gli ioni o altre particelle cariche presenti nel tubo siformano solo grazie alla elevata tensione elettricainiziale e non rimangono libere a lungo.
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Tubo catodico (tubo di Geissler e Crookes)
Anodo (polo +)
Catodo (polo-)
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Inversione dei poli nel tubo catodico
Non siosservanessunraggiocatodico
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Deviazione del raggio catodico con uncampo elettrico
Polo negativo
Polo positivo
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Proprietà dei raggi catodici
• Hanno carica negativa poiché partono dal catodo (-) e sono diretti verso l’anodo (+).
• Hanno natura corpuscolare (sono costituiti da particelle) poichéfanno ruotare un mulinello posto sul loro cammino.
• Possono essere generati indipendentemente dal gas inserito nel tubo di Crookes. Le particelle costituenti questi raggi sono perciò presenti in qualunque tipo di atomo.
In base a questo e ad altri esperimenti, J. Thomson nel 1897 riuscì a dimostrare che i raggi catodici sono in realtà:
“Un fascio di particelle tutte uguali, molto piccole , dotate di carica elettrica negativa che si muovono ad altissima veloc ità.”
A tali particelle fu dato il nome di elettroni.
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Elettroni come componenti carichi dell’atomo
• Gli esperimenti con il tubo catodico dimostrano che l’atomo non è un corpo monolitico ma che deve essere strutturato
• I componenti della struttura dell’atomo sono carichi elettricamente (elettroni negativi e resto positivo)
• Dotando il tubo di Crookes anche di una camera per l’accelerazione delle particelle positive, diventapossibile evidenziare le particelle positive (ioni) generate dal campo elettrico quando si ottiene il fasciodi elettroni: l’atomo inizialmente neutro perde elettronie diventa uno ione positivo!
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Un primo modello di atomo elettrico
• Come è possibile immaginarsi l’atomo nel modo più semplice attraverso gli esperimenti con i tubi catodici?
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Un primo modello di atomo elettrico
Quali sono i caratteri di una particella (molecola) monoatomica?
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Misure sugli elettroni
• Come è possibile analizzare proprietà quali carica elettrica e massa utilizzando il principio del tubo catodico?
+
+
E
B
v
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La misura del rapporto carica/massa (e/m) per l’elettrone
Tramite un magnete si produce un campo magnetico uniforme perpendicolare alla velocità del flusso che curva la traiettoria deglielettroniQuesto effetto può essere bilanciato dal campo elettrico di forza Q: si produce una traiettoria circolare degli elettroni di raggio r.
Il rapporto e/m si ottiene da:
2* Br
Q
m
e =
Br
vr
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Elettroni: componenti dell’atomo con carica e massa
(J.J. Thomson 1898)• L’esperimento di
Thomson (tubo catodico) cosa ci permette di osservare?
• Quale valore ha misurato Thomson?
• Il valore misurato dipende dal gas e dai materiali del tubo catodico?
• Qual è l’interpretazione data da Thomson?
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Il modello atomico 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.
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La misura della carica dell’elettrone(R. Millikan, 1909)
Le cariche elettriche portate dalle goccioline d'olio che rimanevano sospese a mezz’aria fra gli elettrodi carichi, pur essendo di diverso valore, tuttavia erano sempre multiple della stessa grandezza. Mai avveniva che una gocciolina portasse su di sé una carica elettrica negativa inferiore al valore di 1,60·10-19 coulomb .Questa è dunque la carica piùpiccola che deve equivalere alla carica dell’elettroneFu inoltre possibile determinare Fu inoltre possibile determinare la massa dellla massa dell’’ elettrone che elettrone che risultò essere: risultò essere: mmee = 9.1096 10= 9.1096 10--3131 kgkg
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Il tubo catodico diventa spettrometro di massa
In uno spettrometro di massa atomi liberi vengono ionizzati, nel caso piu' comuneper interazione con un fascio di elettroni . Analizzando un materiale puro semplice, la comparsa degli ioni al detettore indica che il campo elettrico applicato(potenziale) è stato sufficiente a ionizzare l’atomo dell’elemento.
Il punto in cui viene raggiuntoil rivelatore dipende dalla carica e dalla massa dello ione, quindidalla massa dell’atomo da qualeè stato prodotto.
Da Parry et al., “Chimica, Fondamenti sperimentali”, Zanichelli
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Il tubo catodico diventa spettrometro di massaAston e Thomson (1910) scoprono con lo spettrometro di massa che un singoloelemento chimico è quasi sempre costituito da diverse speci atomiche chedifferiscono tra loro per la loro massa: ogni specie atomica appartenente ad un elmento chimico caratterizzata per una particolare massa si dice isotpo o nuclide dell’elemento.Nell’elemento Neon sono presenti tre isotopi con masse relative 20, 21 e 22.Questi tre isotopi si dicono anche nuclidi del Neon in quanto la massa è da riferireal nucleo positivo dell’atomo (gli elettroni sono tutti uguali e presenti in ugualnumero)
Le masse nuclidiche 20, 21 e 22 sono approssimate e riferite ad un isotopo del carbonio al quale viene dato il valore 12.000. Aston riuscirà a misurarle con grande precisione.I valori 20, 21 e 22 del Neon sono detti numeri di massa dei singoli isotopi.L’analisi con lo spettrometro di massa permette poi di stabilire qual èl’abbondanza di ogni isotopo nell’elemento (vedi esempio per lo Xenon allavideata 66).
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• Si può misurare il potenziale elettrico necessarioper ionizzare l’atomo di un elemento
• Si può misurare la massa degli ioni, quindi la massa di ogni singolo nuclide di un elemento
• Si può stabilire la composzione isotopica di un elemento
• Si può indagare la struttura di molecolepluriatomiche
• Si possono identificare composti
L’impiego dello spettrometro di massa
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Lavoro elettrico per una reazione chimica
• Da cosa riconosciamo la circolazione di cariche elettriche?
• Come viene ottenuta questa circolazione?
• Qual è il ruolo dell’alimentatore elettrico?
• Cosa avviene agli elettrodi?
• Cosa deve avvenire nella soluzione azzurra?
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Lavoro elettrico per una reazione chimica
• Come si esprime la quantitàdi carica elettrica che circola nel circuito?
• Come si esprime il lavoro elettrico svolto dal processo?
• C’è una relazione tra carica elettrica e massa depositata all’elettrodo?
• Come possiamo descrivere la “conducibilità elettrica”della soluzione?
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Lavoro elettrico per una reazione chimica
• Quale dei due prodotti della reazione è un metallo?
• A quale elettrodo si deposita il metallo?
• Quale carica assume la particella del metallo nella soluzione?
• Quali sono e dove si trovano i materiali puri semplici metallici nella Tavola Periodica degli elementi?
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Lavoro elettrico per una reazione chimica
• Il rapporto tra le masse di cloro e rame ottenute è di 1.12.
• Con quale equazione chimica si può descrivere il processo elettrolitico?
• C’è una relazione tra masse prodotte (rapporto!) e le masse atomiche dei due elementi?
• Come possiamo determinare le cariche delle particelle in soluzione?
• Le cariche tipiche assunte daglielmenti in forma ionica sono ritrovabili nella tavola periodica dellibro di testo?
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Particelle cariche in soluzione
• Una soluzione acquosa di zucchero non conduce: che differenza fisica deve esistere tra una soluzione di sale e una di zucchero?
• Come descrivere le particelle in una soluzione di sale e in una di zucchero?
• Come denominare le particelle nella soluzione di sale e in quella di zucchero
• Quale modello per descrivere la solubilizzazionedel sale e dello zucchero?
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Particelle cariche in soluzione e in un gas
Quali analogie e quali differenzeci sono tra la soluzione salina e il gas nel tubo catodico?
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Riferimenti
• Lezioni: unità 5;• Esercizi: unità 5;• Libro di testo: cerca nei capitoli 6, 9, 12 e
13.
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Lavoro elettrico da una reazione chimica
• Nel caso della scomposizione dell’acqua (videata 4) e della soluzione salina (videata 74)
l’energia elettrica viene assorbita per ottenere la reazione chimica (processo elettrolitico)
• E’ possibile invece ottenere energia elettrica da una reazione chimica spontanea (processo elettrochimico)
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Lavoro elettrico da una reazione chimica
E’ possibile ottenere energia elettrica dalla reazione spontanea di idrogeno e ossigeno!
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Lavoro elettrico da una reazione chimica
La tensione generata tra i due elettrodi carichi uno diidrogeno e l’altro di ossigeno si traduce in una corrente elettrica che attraverso un motore fornisce lavoro meccanico: cella a combustibile (elettrochimica)
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Lavoro elettrico da una reazione chimica
La tensione generata tra i due elettrodi dal rame metallico (in un bicchiere o semicella) e dallo ione argento (nell’altra semicella) si traduce in una corrente elettrica che produce lavoro meccanico: si ha una cella elettrochimica.
La tensione viene misurata con un voltmetro ed espressa in V.
La tensione esprime il lavoro che la cella svolge su un’unità dicarica elettrica di 1 C (1 V = 1 J/C)
Sul libro di testo trovi una tabella con i potenziali standard di riduzione che permettono di stabilire il senso spontaneo di una reazione e di calcolare il potenziale di una cella in condizioni standard (pag. 562)
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Lavoro elettrico da una reazione chimica
Che differenze sostanziali esistono tra le celle elettrolitiche e le celle elettrochimiche?
Trovi nella vita quotidiana esempi di celle elettrochimiche?
Fino a quando può fornire lavoro una cella elettrochimica?
E’ possibile ricaricare una cella elettrochimica esausta?
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Lo scambio di elettroni: ossidazione e riduzione
• Le soluzioni acquose dei sali contengono ioni? Come si dimostra?
• I sali allo stato fuso contengono ioni? Come si dimostra?• I sali allo stato solido contengono ioni?• Cosa avviene quando un sale (solido) viene sciolto in
acqua?• Cosa avviene quando un metallo viene portato a reazione
con un non metallo producendo un sale?• Quale modello microscopico possiamo elaborare per la
struttura di un sale? • Con quali tecniche si indaga sulla struttura di composti
quali sali e ossidi metallici?
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Lo scambio di elettroni: ossidazione e riduzione
Reazione di un metallo (Me) con ossigeno (O) significa:•ossidazione come reazione con ossigeno•formazione di composti ionici Mex+O2-
•ossidazione come perdita di elettroni daparte del metallo (videate 68-70)
•riduzione come acquisto di elettroni (da parte dell’ossigeno)
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Lo scambio di elettroni: ossidazione e riduzione
Concetti importanti da definire:• Ossidazione• Riduzione• Agente ossidante• Agente riducente• Processo di ossido-riduzione
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Un riducente industriale: il carbone per la produzione di ferro dal suo ossido
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Produzione di alluminio: riduzione per via elettrolitica del suo ossido
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I composti di un metallo e un non metallo
Tipico di elementi metallici: perdita di elettroni-> ioni +
Tipico di elementi non metallici: acquisto di elettroni -> ioni –
Unione di ioni + e ioni -: reticolo ionico
2Na (s) + Cl2 (g) 2NaCl (s)
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I reticoli ionici
Il cristallo risulta un’unica enorme molecola polinucleare. I nuclei degli ioni sono organizzati in base all’attrazione elettrica tra cariche (ioni) di segno opposto in un reticolo tridimensionale
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La geometria dei reticoli ioniciGrazie alle misure macroscopiche eseguite su i cristalli (angoli e lati) e all’analisi cristallografica (in particolare raggi X) sono state chiarite 14 geometrie cristalline corrispondenti a figure geometriche che si ripetono nel cristallo (celle elementari). Esse si possono ritrovare sia in reticoli ionici che in reticoli atomici e molecolari.
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Riferimenti
• Lezioni: unità 6;• Esercizi: unità 6;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5 e 14.
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La reazione di alcuni metalli con l’acqua
• Qual è l’aspetto fisico dei metalli Li, K, Na, cosìcome li vedi nella bottiglia?
• Sono metalli duri o molli?• Cosa significa durezza?• Qual è l’aspetto delle superfici appena tagliate di
questi metalli?• Come cambia l’aspetto delle superfici nel
tempo?• Come vengono conservati questi metalli e
perchè?
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La reazione di alcuni metalli con l’acqua
• Come reagiscono Li, K, Na, con l’acqua? • Cosa accomuna i tre metalli nel loro
comportamento di fronte all’acqua?• In cosa si differenziano reagendo con
l’acqua?
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La reazione di alcuni metalli con l’acqua
• Quali sono i prodotti delle reazioni? • Come possiamo scoprire la natura del gas
prodotto?• Quali caratteristiche si scoprono per la
soluzione nella quale “è sparito” il metallo?
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La reazione di alcuni metalli con l’acqua
Proviamo a descrive le reazioni con equazioni chimiche:Li (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)Na (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)K (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)
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La reazione di alcuni metalli con l’acqua
Come si comporta il metallo calcio?
Ca (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)
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Origine dell’alcalinità e dell’acidità di unasoluzione
Fenolftaleina e tornasole ci indicano l’alcalinitàdi una soluzione. Come?Come può essere neutralizzata l’alcalinità di una soluzione?Come possiamo indagare la natura (contenuto che la caratterizza) di una soluzione alcalina e di una soluzione acida?
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La formazione dei sali
I sali possono essere prodotti:• Per reazione in soluzione tra ioni positivi
(metallici) e ioni negativi semplici o poliatomici:– Zn2+ (aq) + 2 Cl- (aq) ZnCl2 (s)– Ca2+(aq) + SO4
2-(aq) CaSO4(s)
• Per reazione diretta tra un metallo e un non metallo:– Fe (s) + S(s) FeS(s)
• Per reazione tra una base e un acido:– Ca(OH)2 + H2SO4 CaSO4(s) + H2O
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 97
Riferimenti
• Lezioni: unità 7;• Esercizi: unità 7;• Libro di testo: cerca nei capitoli 2, 5, 6, 14,
e nell’Appendice 1.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 98
La reazione di un metallo con un acido
Ad eccezione di Pt, Au, Ag e Cu (detti metalli nobili), i metalli reagiscono con gliacidi (come l’acidocloridrico) sciogliendosi in soluzione e generandoidrogeno gassoso. Si ottengono soluzioni checonducono l’elettricità.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 99
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: l’equazione chimica
I granelli di zinco metallico sviluppanoeffervescenza e si consumano progressivamentesecondo un’equazione chimica che possiamoricavare in base al concetto di ossido-riduzione:
Zn(s) + ... HCl (aq) .. …(aq) + H2(g)
Il fatto che la soluzione che si ottiene sia conduttrice ci permette di ipotizzare un’ossidazione dello zonco a ione metallico (la carica delloione zinco si trova nella tavola periodica come stato di ossidazione!
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 100
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: consumo e produzione
Il rapporto in massa tra zinco in reazione e idrogeno in produzione è calcolabile in base alle masse atomiche(Zn/H2 = 65.4/2):
65,4 g Zn 2 g H2
Ovvero: Zn/H2 = 32,7 m/m
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 101
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: progettazione
Si osserva la reazione cercando di verificare la previsione teorica: ponendo zinco solido in soluzione di acidocloridrico deve generarsi una diminuzione di massa della soluzione contenuta nella beuta, corrispondente all’idrogeno prodotto.Si pesa la beuta contenente la soluzione acida e lo zinco appena dopo l’aggiunta di quest’ultimo e si pesa la stessa beuta con la soluzione finale a fine reazione.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 102
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: calcolo delle masse dei reagenti
Quantitativi utilizzati:Zinco metallico : 5.05 g (5.05g/65.4 g/mol =0,757 mol)
Soluzione acida : ≥≥≥≥ 0,151 mol (≥≥≥≥ 0.757mol*2)
disponendo di una soluzione 6 M HCl*:1,000 L / 6 mol/L * 0,151 mol = 0,025 L = 25 mlI 25 ml di soluzione acida sono stati quindi diluiticon circa 100 ml di acqua
* 6 M HCl = 220g HCl per litro di soluzione
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La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: realizzazione pratica
Svolgimento della reazione : in testa al condensatore èstato posto un tubo siccanteriempito di cloruro di calcioanidro in grado di catturarel’umidità contenuta nel gas in uscita, lasciando fuoriuscire il solo l’idrogeno prodotto.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 104
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa teorico
Calcolo teorico della massa di acido cloridriconecessaria per la reazione dello zinco:
Zn(s) + 2 HCl (aq) ZnCl2(aq) + H2(g)65.4 g 2*36.4 g 136,3 g 2 g
HCl necessario per 5.05 g Zn:
X
05.5
45.36*2
4.65 =
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 105
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa teorico
Calcolo teorico della massa di idrogeno prodottodalla reazione dello zinco:
Zn(s) + 2 HCl (aq) ZnCl2(aq) + H2(g)65.4 g 2*36.4 g 136,3 g 2 g
H2 prodotto da 5.05 g Zn:
X
05.5
2
4.65 =
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 106
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa reale
Calcolo teorico :massa H2 prodotto: g 5,05* (1/32,7) = 0,15 g
Diminuzione di massa misurata : 0,16 ± 0,02 g
Osservazioni particolari : durante la reazione la massa del sistemadiminuisce di oltre 1 g ma dopo la fine della reazione aumenta di nuovo fino al valore misurato.
Discussione : il valore teorico rientra nell’intervallo di incertezzadi quello misurato ed è quindi ottimamente verificato!Durante la reazione l’idrogeno prodotto spinge l’aria (più pesante di H!) fuori dal sistema. L’umidità viene però trattenuta dal tubo siccante, mentre l’aria rientra nel sistema dopo la fine della reazione.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 107
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: i prodotti secondari
Ma dove è finito lo zinco?
Per verificare i suo destino si possonoeseguire due operazioni:
1. Evaporazione della soluzione finale2. Elettrolisi della soluzione finale
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 108
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: ricerca dello ione zinco
Elettrolisi della soluzione:
sull’elettrodo negativo si deposita immediatamenteuno strato grigio lucente. Esso si riscioglie se immersoin soluzione acidaDeve trattarsi di zincometallico!
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 109
La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico; conclusioni
Sulla base delle due conclusioni:1. La soluzione dopo la reazione contiene un sale di zinco disciolto che diventa un solido bianco dopoevaporazione dell’acqua;2. La soluzione dopo la reazione deposita zincometallico ad un elettrodo negativo sotto l’azione di un campo elettrico;Come possiamo descrivere lo stato fisico in cui si trovalo zinco, o ciò che da esso si è generato attraversol’azione dell’acido?Come dobbiamo figurarci ciò che comunemente si descrive con la formulazione « i metalli si sciolgononegli acidi »?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 110
La produzione di un sale binario
Un sale binario può essere prodotto per reazione diretta tra metallo (Me) e non metallo (NMe). La formula del prodotto viene stabilita in base agli stati di ossidazione degli elementi nel sale (carica dello ione):
xMe (s) + yNMe(s, l, g) Mexy+NMey
x-(s)
I due materiali puri semplici puri vengono messi a contatto secondo un rapporto in massa calcolabile in base alle loro masse atomiche e all’equazione chimica
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 111
La produzione di un sale binario per reazione diretta tra ferro e zolfo
Il sale binario può essere prodotto per reazione diretta tra metallo e non metallo:
Fe (s) + S(s) Fe2+S2-(s)
I due materiali solidi vengono mischiati in forma di polvere e riscaldati con la fiamma del becco bunsen
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 112
La produzione di un sale binario
Si sviluppa una reazione esotermica che produce un nuovo solido privo delle proprietà metalliche e magnetiche del ferro:
Solfuro di ferro(II): FeS
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 113
La formazione degli ioni dagli elementi
Come interpretare la reazione diretta tra un metallo e un non metallo:
Fe (s) + S(s) FeS(s)
Considerando che:– FeS è un composto ionico (Fe2+, S2-)– Fe e S sono inizialmente materiali puri
semplici (Fe0, S0)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 114
La formazione degli ioni e la produzione di metalli e non metalli
La reazione diretta tra un metallo:Me + nMe Me+nMe-
è il processo inverso della produzione dei materiali puri semplici dai sali mediante elettrolisi
Me+ + nMe- Me + nMe
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 115
La nomenclatura dei composti ioniciVedi libro di testo Appendice 1
Triossido di diferro o ossido di ferro (III)
Fe2O3Mono,bi,tri, tetra,penta ossido di ….Ossido di metallo(N.ox)
Ossido di zinco (II)
ZnOOssido di metallo (N.ox)
Metallo + ossigenoOssidi
metallici
NaCl
FeCl3
Formula
Non metallo-uro di metallo(N.ox)
Nome
Cloruro di sodioCloruro di ferro (III)
Metallo + Nonmetallo
Sali binari
EsempioComponentiClasse
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La nomenclatura dei composti ioniciVedi libro di testo Appendice 1
Solfito di calcio
Solfato(IV) di calcio
CaSO3Non metallo-itodi metallo(N.oxinf.)
Solfato di calcioSolfato (VI) di calcioNitrato di ferro(III)
CaSO4
Fe(NO3)3
Non metallo-ato(N.ox) di metallo(N.oxsup.)
Metallo + ossigeno + non metallo
Sali ternari
NaOH
FeOH3
Formula
Idrossido di metallo(N.ox)
Nome
Idrossido di sodio
Idrossido di ferro (III)
Metallo + OHIdrossidi metallici
EsempioComponentiClasse
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 117
Riferimenti
• Lezioni: unità 8;• Esercizi: unità 8; • Libro di testo: cerca nei capitoli 4 e 14.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 118
Il concetto di mole
La mole è la quantità di materia di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi contenuti in 0.012 kg di Carbonio 12 (isotopo C-12).
• E’ l’unità di misura per la grandezza “quantità di materia pura” (una delle sette del SI)
• Le entità elementari possono essere molecole monoatomiche (atomi) oppure molecole poliatomiche.
• Il Carbonio 12 (C-12 o ) è l’isotopo con numero di massa 12 del Carbonio (costituito dal nuclide al quale viene assegnata per convenzione il valore di massa nuclidica 12.0000).
C126
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 119
Il concetto di mole
La massa in grammi di una mole di un materiale puro semplice corrisponde alla massa atomica dell’elemento (normalmente approssimataall’unità o al decimo).Es: Na = 23 g/mol, N 14 = g/mol, Cl = 35.4 g/mol
La massa di una mole di in materiale puro composto corrisponde alla somma delle masse atomiche degli elementi secondo al sua formulaEs: NaCl = 23 + 35.4 = 58.4 g/mol
H2SO4 = 2*1 + 32 + 4*16 = 98 g/mol
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 120
Il concetto di mole
Una mole di un materiale puro semplice A e una mole di un materiale puro semplice B rappresentano due quantità equivalenti di materia perché contengono lo stesso numero di unità elementari, hanno però masse diverse!Es: 12 g C e 40 g Ca contengono ambedue 6.02*1023 atomi (numero di Avogadro).Il rapporto in massa tra i due atomi è però
C/Ca = 12/40per questo le due masse sono diverse!
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 121
Il calcolo stechiometrico
Le quantità di reagenti e prodotti relativi ad un processo possono essere calcolati a partire dall’equazione chimica trasformando le masse in moli e viceversa:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O1 mol + 6 mol 6 mol 6 mol1*180 g/mol 6*32g/mol 6*44 g/mol 6*18 g/mol
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 122
Il calcolo stechiometrico
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O1 mol + 6 mol 6 mol + 6 mol1*180 g/mol 6*32g/mol 6*44 g/mol 6*18 g/mol
calcolo di CO2 prodotto da 1 kg C6H12O6:
1 kg C6H12O6 ≡ 1000g/180 g/mol = 5.5 molmol CO2 prodotte: 5.5*6 = 33 molmassa CO2: 33 mol * 44 g/mol = 1452 g
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 123
Lespressione della concentrazione delle soluzioni
Con “concentrazione di una soluzione”esprimiamo il contenuto di soluto in un volume o in una massa di soluzione (soluto + solvente)La concentrazione può essere espressa come:
• Massa soluto/massa totale slouto + solvente (m/m) • % in massa di soluto sulla massa totale (% m/m)• Molarità (M): moli di soluto/volume soluzione
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 124
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione di una soluzione contenente 10 g di sale NaCl (…. mol) in 1 litro di soluzione può essere espressa nei seguenti modi:
Calcolo ValoreEspressione
M
% m/m
m/m
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 125
Riferimenti
• Lezioni: unità 9;• Esercizi: unità 9; • Libro di testo: cerca nel capitolo 1.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 126
L’esperimento di Rutherford (1911)
Grazie alla scoperta della radioattività(Bequerel, Curie) e alla conseguente classificazione dei raggi α e β,Rutherford mise a punto un esperimento, detto oggi di “scattering” per studiarne la capacità penetrante:
L’apparato sperimentale è costituito da:• - sorgente di particelle α;• - schermo di piombo con sottile fenditura
per ottenere un fascio molto sottile;• - lamina sottile di oro o altro metallo
contro cui viene indirizzato il fascio di particelle α;
• - schermo di solfuro di zinco (materiale fluorescente che emette lampi di luce quando viene colpito dalle particelle)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 127
L’atomo nucleare di Rutherford
Secondo il modello di Thomson, le particelle αavrebbero dovuto attraversare indisturbate la lamina d’oro e raggiungere il rivelatore (Fig.1).
Rutherford, osservò che una piccola parte dei raggi veniva deviata o addirittura totalmente riflessa. (Fig.2)
Fig. 1
Fig. 2
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 128
L’atomo nucleare di RutherfordL’analisi accurata dei punti di impressione della lastra ha permesso di ricavare la carica dei nuclei dei singoli elementi per rapporto a quella del nucleo di idrogeno (la più piccola).
Questa carica è stata definita come numero atomico.
Le cariche atomiche sono tutte multiple di un valore di carica positiva equivalente alla carica negativa dell’elettrone.
Questa quantità di carica elettrica positiva fu definita protone.
Il numero atomico viene interpretato come numero di protoni presenti nel nucleo, cioè il multiplo della carica del nucelo di idrogeno.
I numeri atomici degli elementi verranno però assegnatidefinitivamente in base al lavoro di Moseley, pure allievo di Rutherford (videata 129)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 129
Il numero atomico: il lavoro di Moseley (1913)Il bersaglio è costituito dal materiale di cui si determina il numero atomico
Da Parry et al., “Chimica, Fondamenti sperimentali”, Zanichelli
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 130
Elementi e isotopi
Concetti importanti da definire:• Numero atomico • Numero di massa• Nuclide• Elemento• Isotopo• Massa nuclidica• Massa atomica
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 131
Definizioni: la nuova concezione dell’atomo
Massa atomica
Massa nuclidica media
Massa nuclidica
Elemento
Isotopo
Nuclide
Numero di massa
Numero atomico
Concetto Definizione
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 132
Riferimenti
• Lezioni: unità 10;• Esercizi: unità 10;• Libro di testo: cerca nel capitolo 8.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 133
Energia e luce: lo spettrometro di Kirchhoff e Bunsen
Annalen der Physik und der Chemie, Vol. 110 (1860), pp. 161-189
Testo originale scaricabile dal sito web
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 134
Uno spettrometro attuale per la visualizzazione di righe spettrali
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 136
Applicazioni tecnologiche: spettrometria di assorbimento atomico
Misura di tracce di un metallo in soluzione
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 137
Applicazioni tecnologiche: analisi per spettrometria di emissione atomica
Identificazione e misura diretta di elementi in ogn i tipo di matrice
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 138
Studio dello spettro dell’idrogeno
Una lampada a idrogeno emette luce visibile di color porpora che viene scomposta i 4 righe spettrali
http://www.schulphysik.de/physik/spektrum1/index.htm
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 139
L’interpretazione dello spettro di emissione degli elementi
Ogni elemento emette luce di colore caratteristico:• quando se viene portato ad alta temperatura (riscaldamento alla fiamma)• quando viene attraversato dall’elettricità in una lampada a bassa pressione (p~10-2 bar, lampade al neon, alogene, …)
La luce emessa da un elemento, se inviata attraverso un prisma, dà luogo ad uno spettro discontinuo (insieme di righe spettrali).
Ogni riga spettrale corrisponde ad un colore puro, quindi ad una precisa frequenza di luce.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 140
L’interpretazione dello spettro di emissione degli elementi
E’ possibile interpretare le righe spettrali dell’idrogeno ammettendo che gli atomi possano esistere in stati energetici diversi e riproducibili:L’energia ceduta con la radiazione equivale alla differenza tra l’energia dell’elemento prima dell’emissione e dopo l’emissione:
Eceduta= hν = Einiz – Efin
Dato che nello spettro compaiono solo determinate righe si ammette che ogni elemento possa esistere solo in un numero limitato di livelli energetici. Questi livelli energetici vengono attribuiti agli elettroni.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 141
Studio dello spettro dell’idrogeno
Le frequenze di tutte le righe della porzione visibile dello spettro dell’idrogeno si possono esprimere mediante la relazione:
)1
2
1(*10*287.322
15
nv −= n = 3,4,5,…
Più generalmente:2
22
1 n
k
n
kv −= k = 3.287*1015 Hz
22n
hkhvEfinale
==
22
21 n
hk
n
hkhvEceduta
−==
21n
hkhvEiniziale
==In effetti:
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 142
Riferimenti
• Lezioni: unità 11;• Esercizi: unità 11; • Libro di testo: cerca nei capitoli 1, 8 e 9.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 143
Una nuova proprietà degli elementi: il potenziale di prima ionizzazione
http://www.standnes.no/chemix/periodictable/ionization-potential-table.htm
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 144
Fattori che determinano il potenziale di prima ionizzazione di un elemento
• Qual è l’evento fondamentale all’interno dell’atomo quando avviene la ionizzazione?
• Qual è la forza interna all’atomo che deve essere vinta?
• Quali sono le variabili da considerare per questa forza?
• Come traduci queste variabili “dentro” l’atomo?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 145
Energie di prima ionizzazione
Il potenziale di prima ionizzazione può essere tradotto in un valore di energia (kJ/mol) moltiplicando il potenziale (V) per la carica di 1 mol elettroni (C/mol)
C1
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L’andamento del potenziale di prima ionizzazione nella Tavola periodica
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 147
L’andamento del potenziale di prima ionizzazione nella Tavola periodica
• Come si può interpretare l’andamento del potenziale in funzione del numero atomico?
• Quali elementi rappresentano i punti di minimo?
• Quali elementi rappresentano punti di massimo?• Come si passa da un minimo ad un massimo?• Come si passa da un massimo ad un minimo?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 148
Energie di ionizzazione successive (kJ/mol)
12,0008,7807,2305,7703,9452,6651,520Ar
11,0009,3606,5605,1603,8502,2951,256Cl
11,0008,4906,9504,5653,3752,260999S
21,2006,2704,9502,9051,8901,060P
16,1004,3543,2281,577786Si
11,6002,7441,816577Al
7,7301,450738Mg
4,560496Na
VIIVIVIVIIIIIIElemento
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 149
Il modello atomico evolve: la struttura elettronica
Per saperne di più su come si comportano gli elettroni:http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/bohr.html
nucleo
1°guscio
2°guscio
3°guscio
4°guscio
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Prodotti volatili da un sale: idrogeno e cloroda cloruro di sodio
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 151
Cloro e idrogeno: come si organizzano i loroatomi nelle molecole del gas?
Dalla Tavola periodica:
Neon
Azoto
Ossigeno
Cloro
Massa atomica
Massa molare
(g/mol)*
Idrogeno
Modello micro
Massa molecolare
Densità STP (g/l)
gas
Volume di 1 mol gas a STP: 22.4 l
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 153
Un modello microscopico per i composti volatili
• Come possiamo rappresentarci il legame tra atomi di idrogeno e tra atomi di cloro?
• Come viene denominato questo legame?• Come calcolare il numero di legami che
può generare un elemento ?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 154
Elettroni nel guscio esterno e reattività
• Come si può spiegare l’inerzia chimica dei gas nobili?
• Come si può spiegare la tendenza dei metalli alla perdita di elettroni (quanti?) e la tendenza dei non metalli all’acquisto di elettroni (quanti?) nella formazione dei composti ionici?
• Come si possono tradurre queste osservazionialla formazione di molecole da parte dei non metalli?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 155
Elettroni disponibili per i legami ed elettroni in difetto per la stabilità
Na
Ne
F
O
N
C
B
Be
17 1Li
002He
111H
Num. legamie- in difettoe- disponibiliElemento
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 156
Gli idruri degli elementi del 2°periodo
Ne
F
O
N
C
7 1B
02Be
11Li
strutturaformulalegamiElemento
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 157
Coppie elettroniche da disporre nello spazio
Ne
F
O
N
C
303B
202Be
101Li
Coppie e -e- liberilegamiElemento
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 158
Coppie elettroniche e geometria molecolare
Ne
F
O
N
C
03B
02Be
lineare21Li
geometriacoppie e -legamiElemento
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 159
Rappresentazione spaziale della geometria molecolare
CH..
3BH..
2BeH..
1LiH
rappresentazionegeometriacoppie e -Composto
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 160
Rappresentazione spaziale della geometria molecolare
H..Ne
H..F
H..O
NH..
rappresentazionegeometriacoppie e-Composto
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 161
La classe dei composti “volatili”
Legame StrutturaElemento principale
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 162
I reticoli molecolari
Il cristallo risulta un insieme di molecole monoatomiche o pluriatomiche. Nel solido le molecole si impacchettano. Nello stato solido, liquido eaeriforme gli atomi che formano una molecola si tengono uniti.
Cloro Neon
Visualizza i reticoli di ossigeno, azoto, elio, ecc. dalla TP elettronica Webelements (link nel sito di chimica)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 163
I materiali molecolari intorno a noi
• Criteri per il loro riconoscimento• Elementi chimici che compongono i
materiali molecolari • Materiali molecolari naturali• Materiali molecolari sintetici• Materiali molecolari sintetici naturalidentici• Materiali molecolari sintetici artificiali
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 164
Il legame in una molecola di cloro
• Qual è la tendenza riconosciuta di un atomo di cloro in base a quanto abbiamo scoperto sui sali?
• Quale numero di elettroni tende a raggiungere l’atomo di cloro?
• Quale numero di elettroni tendono a raggiungere Li, Na, K, F, S, O, ….?
• Come può essere raggiunto questo numero ideale di elettroni?
• Quali sono gli elementi che possiedono un numero di elettroni equivalente a quello degli ioni stabili di Li, Na, K, S, O, …?
• Quali caratteristiche chimiche possiedono questi elementi?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 165
Il legame in una molecola pluriatomica
• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di cloro liberi?
• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di ossigeno liberi?
• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di azoto liberi?
• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di idrogeno e atomi di ossigeno liberi e miscelati?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 166
Il legame in una molecola pluriatomica
• Come viene denominato il legame che porta alla formazione delle molecole?
• Quali sono le differenze essenziali tra questo legame e il legame ionico?
• Come si può raffigurare una molecola pluriatomicaspecificando il tipo di legame tra gli atomi che la compongono?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 167
La reattività di un materiale molecolare
• Perché fluoro e cloro sono più reattivi dell’ossigeno e l’ossigeno è più reattivo dell’azoto?
• Perché idrogeno e ossigeno reagiscono solo se si fornisce loro la scintilla (energia di attivazione)?
• Quali eventi comporta la reazione di un materiale molecolare?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 168
La volatilità di un materiale molecolare
• Come si spiega la maggior volatilità dei materiali molecolari rispetto ai sali?
• Cosa comporta e cosa non comporta l’evaporazione o la sublimazione di un materiale molecolare?
• Come si spiegano condensazione e liquefazione di un aeriforme molecolare?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 169
Le interazioni molecolari
• Come varia il punto di ebollizione dei materiali puri semplici della colonna 17?
• Vale la stessa cosa per gli elementi della colonna 18?• Quale può essere la causa della tendenza riconosciuta?• Prevedi il punto di ebollizione dei materiali puri semplici
con numero atomico 117 e 118 (non ancora scoperti)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 170
Le interazioni molecolari
• Come si può spiegare la differenza tra il punto di ebollizione dell’idrogeno (H2), del cloro (Cl2) e del cloruro di idrogeno (HCl)?
• Quale differenza si può ipotizzare tra un legame Cl-Cl, un legame H-H e un legame H-Cl?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 171
Le interazioni molecolariCome si possono spiegare l’andamento dei punti di ebollizione del diagramma?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 172
Una nuova proprietà degli elementi: il coefficiente di elettronegatività
Da Google: Electronegativity Table
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 173
Una nuova proprietà degli elementi: il coefficiente di elettronegatività
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 174
Il legame covalente tra elementi con diversa elettronegatività: aspetti da chiarire
• Conseguenze sul legame di una differenza di elettronegatività
• Conseguenze sulla molecola della presenza di un legame tra elementi con diversa elettronegatività
• Conseguenze sulla molecola della presenza di più legami tra elementi con diversa elettronegatività
• Geometria molecolare e polarità molecolare
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 175
Da cosa dipende la forma spaziale di una molecola?
Quali possibili strutture e geometrie molecolari sono possibili con più di 2 atomi?
• H2O, H2S, CO2
• NH3, PH3
• CH4, SiH4
• P2O5
• H2SO4
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 176
La struttura molecolare: come si legano gli atomi tra di loro?
• Il numero di legami dipende dagli elettroni disponibili e da quelli necessari
• Da cosa dipende la necessità di elettroni?
• Da cosa dipende la disponibilità di elettroni?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 177
Struttura elettronica dell’atomo e elettronidisponibili: le tappe del modello
• Faraday: dimostrazione della natura elettrica dell’atomo (scarica nei gas rarefatti e fascio catodico). L’atomo contiene cariche elettriche.
• Kirchhoff e Bunsen: spettri di emissione• Thomson: misura del rapporto carica/massa
dell’elettrone• Millikan: misura della carica dell’elettrone• Rutherford: scoperta del nucleo atomico• Bohr: struttura elettronica a livelli energetici
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 178
Riferimenti
• Lezioni: unità 12;• Esercizi: unità 12; • Libro di testo: cerca nei capitoli 13 e 22.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 179
Il “duro” per eccellenza: il diamante
Come si possono legare fra di loro gli atomi di carbonio?
Che strutture si possono creare?Che caratteristiche fisiche e chimiche ne derivano?Con quali altri elementi si possono creare strutture simili? Perché?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 180
Stati allotropici del carbonio
struttura caratteristicheStato allotropico
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 181
La classe dei “duri”: diamante e simili
SiO2 (quarzo),< 3.5OssidoSi
BP, >1.7FosfuriP
Si3N4, > 1.5NitruriN
Carburi
Classe di composti
SiC, B4C>1C
EsempiElettronegativitàdel legante n.m.
Elemento principale
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 182
Riferimenti
• Lezioni: unità 12;• Esercizi: unità 12; • Libro di testo: cerca nel capitolo 13.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 183
I “duri” artificiali: resine termoindurenti
Scafi, sci, F1, giubbotti antiproiettili
Poliammide(fenilendiammina
-cloruro ditereftaloile)
Kevlar
Colle, materiali compositiDi-epossidiResine epossidiche (Araldyte,..)
Polifenoli-formaldeide
Classe, Componenti
Prese elettriche, cruscotti, bocce, telefoni
Bachelite
ApplicazioniMateriali
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 184
La classe dei “plastici”: polimeri termoplastici
Polistirene
Plexiglas
Nylon
Teflon
PET
PE
ApplicazioniComponentiMateriali
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 185
La classe degli “elastici”: gomma naturale e elastomeri artificiali
Gomme artificiali
Gomma vulcanizzata
Gomma di caucciù
ApplicazioniComponentiMateriali
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 186
Legame chimico e caratteristiche fisiche
metallico
covalente
covalente
Reticolo ionico
Struttura
Metallo-non metallo
ionico
EsempipartecipantiLegame
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 187
Legame chimico e classi di materiali
Proprietà
Composizione
Denominazione (strutturale)
Denominazione (operativa)
MetallicoCovalenteCovalente (reticolo)
Covalente-V. d. Waals
IonicoLegame
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 188
Legame chimico e classi di materiali
Conducibilità elettrica (s), Cond. termica,Duttilità,
malleabilità
Non cristallino (rammollimento,
no Pto.fus.)
Isolante el. + term.,
Termoplastico termoindurente o
elastico,
bassa densità
Durezza elevata,
Fragilità,Isolante,
Pto fus/eb. altissimo
Pto fus/eb basso
Isolante (s)
Elettrolita (l, acq.),
Pto fus/eb elevato
Proprietà
MNMNM, C-M, O-M
NM-NMM-NMComposizione
MetalliciMacromolecolario polimerici
Covalentireticolati
MolecolariIoniciDenominazione (strutturale)
MetalliciAmorfiAdamantiniVolatiliSaliniDenominazione (operativa)
MetallicoCovalente
(amorfi)
Covalente (reticolo)
Covalente-V. d. Waals
IonicoLegame
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 189
Legame chimico e classi di materiali
Esempi
Denominazione (strutturale)
Denominazione (operativa)
MetallicoCovalenteCovalente (reticolo)
Covalente-Van der Waals
IonicoLegame
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 190
Legame chimico e classi di materiali
Fe,
Cu,Ti,
Vetro,
PE,PET,Poliesteri,
poliammidi,Gomme,
Teflon,
Resine sintetiche
Diamante,
Carburo di silicio,
Ceramiche,Sinterizzati
H2O,
Etanolo,Acetone,
HCl (g)
NaCl,
KBr,CaCO3
NaOH,
CuO
Esempi
MetalliciMacromolecolari, polimeri
Covalenti reticolati
MolecolariIoniciDenominazione (strutturale)
MetalliciAmorfiAdamantiniVolatiliSaliniDenominazione (operativa)
MetallicoCovalenteCovalente (reticolo)
Covalente-Van derWaals
IonicoLegame
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 191
Combinazioni di materiali e nuove caratteristiche: i materiali compositi
Materiale di rinforzoMateriale base (matrice)
Materialinecessari
Caratteristiche
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 192
Materiali volatili, ionici e a reticolo covalente: la formula chimica e la molecola
Polinucleare(l’intero cristallo è una molecola
contenente nuclei dei due elementi)
NaClCloruro di sodio
Polinucleare(l’intero cristallo è una molecolacontenente nuclei dello stesso
elemento)
CGrafite
Binucleare(ottenuta da due atomi, costituita da
due nuclei)
Cl2Cloro
Monoatomica o mononucleare(costituita da un solo atomo)
NeNeon
MolecolaStrutturaFormulaMateriale
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 193
Riferimenti
• Lezioni: unità 13;• Esercizi: unità 13;• Libro di testo: cerca nei capitoli 13 e 23.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 194
Il legame C-C è stabile: il carbonio è campione del mondo!
• Qual è la conseguenza della stabilità dei legami C-C in presenza di altri non metalli (H, O, N)?
• Esistono composti C4H10: quali possibili strutture si possono creare?
• Esistono composti C2H6O: quali possibili strutture si possono creare?
• Esiste una limitazione nel numero di atomi C che si possono legare in catena?
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 195
Petrolio come miscuglio di materiali molecolari
• Origine del petrolio• Caratteristiche fisiche del petrolio• Composizione chimica del petrolio• Storia dell’utilizzo del petrolio• Estrazione del petrolio• Raffinazione del petrolio• Frazioni del petrolio e loro impiego
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 196
Il petrolio come materiale
• Caratteristiche: liquido nero oleoso, viscoso e infiammabile
• Composizione: – Costituito in massima parte da idrocarburi (composti
dell‘idrogeno e del carbonio) gassosi, liquidi e solidi.– Costituenti secondari sono composti solforati, azotati
e ossigenati • Localizzazione: nel sottosuolo e nei fondali marini a
profondità variabile • Origine: da materia organica vegetale o animale. • Estrazione: da pozzi o piattaforme in “campi petroliferi”.• Resa normale dei pozzi: 30-40%; ca. 60-70% degli
idrocarburi resta in profondità per mancanza di pressione naturale che consente la risalita spontanea.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 197
Teoria tettonica
�Moti convettivi sul magma fuso di placche di 100 km di spessore medio
�Movimenti dei fluidi:recupero maggiore del petrolio
�Formazione di facces: variazione dei tipi di sedimenti
�Si trova in luoghi dove non ci sono stati grandi variazioni geologiche:- Italia- Stati Uniti- Siberia- Urali- Mare del Nord- Medio Oriente- …
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 198
Petrolio: formazione
�Decomposizione di organismi animali (plancton)
�Decomposizione di organismi vegetali
�Formazione in condizioni particolari:- assenza di ossigeno
- T ∼ 150 °C- p ∼ 900 bar
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 201
Geologia degli strati profondi
• L’unico metodo efficace è la perforazione di un pozzo (in un area che è stata ritenuta favorevole).
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 203
La prospezione petrolifera
• Ricerca di depositi di idrocarburi naturali presenti nel suolo
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 205
• primo pozzo petrolifero: Pennsylvania, 27 agosto 1859
• inizio secolo scorso: diffusione accanto a forme tradizionali di fonti energetiche (carbone, energia idroelettrica); prevalentemente in Nord America
• dal 1930: grandi attivazioni di giacimenti del Golfo Persico e dell’Iran; grazie al suo basso costo, la sua reperibilità, dura a lungo.
Storia del petrolio
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 206
• Fino al 1930 circa il carbone è principale fonte energetica.
• Anni ’70: petrolio > del 50 % di consumi mondiali di energia.
• 1973: prima crisi petrolifera; presa di coscienza che il petrolio non è una risorsa illimitata.
• 1979: seconda crisi petrolifera e riduzione delle forniture.
• Oggi: Il petrolio rimane la risorsa energetica piùdiffusa e conveniente
Storia del petrolio
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 207
Industria del petrolio
• Industria sorta nel XIX secolo negli USA e Russia
• 1964 � USA: 1400 milioni di tonnellate in tutto il mondo di petrolio grezzo
• Stati Uniti � 35% capacità mondiale • Italia � inizio raffinazione nel 1927
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 208
Petrolio: le riserve
• Petrolio = risorsa disponibile in quantitàlimitate.
• Si stima l‘esaurimento di risorse petroliferenel giro di 100 anni al ritmo di sfruttamentoe di ritrovamento odierno.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 209
Glossario geologico
• Roccia madre del petrolio: deriva dal consolidamento di sedimenti deposti in ambienti particolari, si tratta di fanghi argillosi o calcari accumulati in ambienti tranquilli e con limitata circolazione delle acque marine.
• Rocce serbatoio: sono soprattutto rocce sedimentarie; sono le rocce che contengono il petrolio.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 210
• Trappola: ogni conformazione delle rocce serbatoio e delle rocce di copertura che consente la formazione di un accumulo di idrocarburi.
• Migrazione primaria dalla roccia madre alla roccia serbatoio: avviene per opera dell’acqua che trasporta le particelle di petrolio.
• Migrazione secondaria: traslazione degli idrocarburi dentro la roccia serbatoio fino ad arrivare ad una trappola.
Glossario geologico
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 211
I requisiti per un accumulo di idrocarburi
a) presenza di rocce madri b) presenza di rocce serbatoio con permeabilità
sufficiente a permettere la migrazione degli idrocarburi
c) strutture geomorfologiche che possono aver favorito la formazione di un deposito (trappole)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 212
Il processo di estrazione del petrolio
• Risalita spontanea (pressione interna del giacimento
• Pompaggio• Pompaggio forzato
(immissione di vapore e di acqua)
• Lavaggio (immissione forzata di acqua e tensioattivi)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 219
Processi fondamentali: trattamento preliminare e topping
• Trattamenti preliminari del grezzo: desalificazione e deacquificazione
• Separazione fisica del grezzo in diversi gruppi costituenti: distillazione normale e sotto vuoto
• Modifica della struttura chimica del materialecracking, reforming e alchilazione
• Raffinazione dei prodotti (eliminazione delle impurità): desolforazione, raffinazione
• Miscelazione di diversi materiali per migliorare la qualità (blending)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 221
Petrolio: frazioni e prodotti derivatiPetrolio grezzo
Idrocarburi gassosi Distillati leggeri Distillati intermedi Residui Fanghi di raffinazione
Distillati leggeribenzine
Nerofumo gas combustibile acetilene
Alcoli, esteriiChetoni, polimeri
Gas liquefattiEtere di petrolio
Aldeidi (resine)Acido acetico
Gomma sinteticaNero di acetilene
nafte Oli raffinati
Oli leggeri
Oli minerali
Cherosene raffinato
gasolio
Distillati pesanti
Oli per assorbimento Oli tecnici
Oli bianchiOli emulsionanti
Oli dielettrici
Paraffina solida
CereIsolanti
Acidi grassi
Oli lubrificanti bitumi coke
Bitumi fluidiBitumi ossidat
Leganti, flussanti
Asfalti isolanti
Acidi solfoniciAcido solforico
Detrsivi sinteticifertilizzanti
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 224
Immagazzinamento del petrolio grezzo e del gas naturale
1) Serbatoi esterni 2) Depositi sotterranei
(i serbatoi più comuni sono di forma cilindrica o sferica)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 226
Il futuro del petrolio
• Ripresa di campi abbandonati e recupero totale del giacimento
• Perfezionamento della prospezione e scoperta di nuovi giacimenti
• Tecniche estrattive per altri tipi di giacimenti (fondali marini, ..)
• Produzione di idrocarburi da carbone
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 228
La composizione chimica del petrolio
� Il petrolio è una miscela di idrocarburi liquidi, solidi e gassosi (centinaia di composti diversi), di idrocarburi solforati, ossigenati e azotati
� Idrocarburi = composti chimici tra idrogeno e carbonio, rappresentano la gran parte del petrolio
� Idrocarburi solforati, ossigenati e azotati= composti di idrogeno e carbonio con piccole percentuali di zolfo e/o di azoti e/o di ossigeno
� Questa composizione si è creata per il 60% del petrolio tra 120 e 80 milioni di anni fa.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 229
Petrolio come fonte di idrocarburi
Idrocarburi: le classi principali
Anelli benzeniciCicliCatene aperte
Idrocarburiaromatici
Idrocarburialiciclici
Idrocarburialifatici
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 230
Idrocarburi alifaticiCatene lineari e ramificate (libro di testo pag 659)
Formula generale
CnH2n+2
C1 = metano CH4C2 = etano C2H6C3 = propano C3H8C4 = butano C4H10C5 = pentan0 C5H12C6 = esano C6H14C7 = eptano C7H16C8 = ottano C8H18
2-metil-esanoC7H16
Butano o n-butanoC4H10
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 231
Idrocarburi alifatici saturi e insaturi
2-pentino C5H8
Insaturi
Legami CΞC (tripli)Alchini
2-pentene C5H10
Insaturi
Legami C=C (doppi)Alcheni
pentano C5H12
Saturi
Legami C-C (semplici)AlcaniCH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 232
Idrocarburi aliciclici
Insaturi
Legami C=C (doppi)
1 o più anelli
Saturi
Legami C-C (semplici)
1 o più anelli
1,3-cicloesadieneCicloalcheni
cicloesano
metil-3-etil-ciclopentano
ciclopentil-cicloesil-metano
o metil(-ciclopentil)-cicloesano
Cicloalcani
CH3
CH3
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 233
Idrocarburi aromatici
Naftalene C10H8
Antracene C14H10
Anelliaromatici fusi
Policicliciaromatici
Sostituzionedi 1 H con una catena
alchilica
Insaturo
Legami C-C (semplici) e legami C=C
(doppi) alternati
1,2-dimetil-benzeneAlchilbenzeni
Benzene, C6H6
Anelloaromatico
CH3
CH3
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 234
Processi di modifica degli idrocarburi
Cracking: rottura delle catene lunghe per ottenerecatene corte tipiche delle benzine
– Aumento della frazione leggera– Impiego di catalizzatori
Reforming: produzione di catene ramificate (possibiledurante il processo di cracking con adatti catalizzatori)– Aumento del numero di ottani della benzina (parametro per la qualità) o del numero di cetano del gasolio
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 235
Il cracking catalitico: da olio paraffinico a benzina mediante ferro
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 236
Il cracking catalitico: la verifica analitica(gascromatografia)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 237
Composti con eteroatomi in catene e anelli
• Composti solforati (S)• Composti azotati (N)• Composti ossigenati (O)• Composti alogenati (F, Cl. Br, I)• Composti fosforilati (P)• Composti organometallici (metalli)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 238
Gruppi funzionali (sostituenti di H) e classi di composti organici
• C-OH alcoli
• C=O aldeidi
chetoni
CH3
O
CH3
CH3
O
CH3
OH
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 239
Gruppi funzionali (sostituenti di H) e classi di composti organici
• R-COOH acidi
• C-O-C eteri
• R-COOR esteri
(R = C o catena di atomi C)
R OH
O
R O
O
R
RO
R
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 240
Gruppi funzionali e classi di composti organici
• R-NH2, R-NHR, R3-N
ammine
• R-CONH2, R-CONHR, R-CONR2
ammidi
CH3
NH2
CH3 NH
CH3
CH3 N
CH3
CH3
CH3
NH CH3
OCH3
N CH3
O
CH3
CH3
NH2
O
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 241
La conferma dei gruppi funzionali: spettroscopia infrarossa (IR)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 242
Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di massa (MS)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 243
Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di risonanza magnetica
nucleare (NMR)n-propano n-propanolo o 1-propanolo
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 244
Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di risonanza magnetica
nucleare (NMR)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 247
Reazioni di alcoli e alogenuri alchilici:sostituzione nucleofila
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 248
Reazioni degli aromatici: sostituzione aromatica elettrofila
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 249
Reazioni degli aromatici: sostituzione aromatica elettrofila
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 250
Reazioni di acidi, alcoli e ammine: attacco nucleofilo al carbonio carbonilico
O
O
R H OR H
O+
H
R'O
H
OH
OR'
R OH
OH
OR'
R O+
H
H
O+
OR'
R
H
O
O
R R'
H+ H+
Analogamente con R’-NH2 invece di R’-OH
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 251
Isomeria strutturale e spaziale
• Isomeria strutturale– Diversa concatenazione degli atomi nella molecola– Diverso “scheletro” carbonioso e/o diversi gruppi
funzionali – Proprietà fisiche e chimiche diverse
• Isomeria spaziale (stereoisomeria)– Isomeria cis/trans o geometrica (doppi legami o cicli)– Isomeria di conformazione (rotazione di gruppi)– Isomeria di configurazione (atomi C asimmetrici o
chirali)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 252
Isomeria di struttura
La diversa concatenazione dei legami genera strutture diverse:
- stessa formula molecolare- diversa formula di struttura- composti con proprietà fisiche e chimiche diverse
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 253
Isomeri di struttura
Cl
ClCl
Cl
OHO
n-pentano 2-metil-butano
1,2-dicloro-benzene 1,3-dicloro-benzene
1-propanolo metil-etil-etere
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 254
Isomeria geometrica
Un legame doppio C=C oppure un ciclo generano due diverse possibilità di disporre i leganti sui due atomi C contigui:disposizione CIS se stanno dalla stessa parte, disposizione TRANS se si ritrovano opposte:composti con proprietà fisiche e chimiche diverse.
In luogo dei prefissi CIS e TRANS si usano pure i prefissi E (entgegen, contrapposti = TRANS) e Z (zusammen, insieme = CIS).
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 255
Isomeri geometrici
H
Cl
Cl
H
H
Cl
H
Cl
cis-1,2-dicloro-etene trans-1,2-dicloro-etene
OH
OHH
HH
OHH
OH
cis-1,3-esandiolo trans-1,3-esandiolo
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 257
Isomeria di conformazione
La rotazione attorno ad un legame semplice C-C produce forme diverse per la stessa molecola (la rotazione non è possibile attorno ad un legame doppio C=C o attorno ad un ciclo).Non si generano molecole diverse ma diverse forme spaziali per la stessa molecola. Si tratta sempre dello stesso composto!La conformazione assunta dalla molecola dipende dalla temperatura, principalmente a causa di repulsioni tra gruppi presenti nella molecola stessa.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 258
Isomeria di configurazione
Un atomo di carbonio che porta quattro leganti diversi genera un centro di asimmetria (chiralità):
- si generano molecole diverse, speculari tra di loro:- composti con comportamento chimico diverso di fronte a
reagenti pure chirali- diversa direzione di rotazione della luce polarizzata
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 259
Isomeri di configurazione
L’atomo di carbonio centrale è legato a quattro leganti diversi: rappresenta un centro di asimmetria detto anche carbonio chirale.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 260
Enantiomeri e diastereomeri
La molecola di acido tartarico: i due atomi C-2 e C-3 sono asimmetrici e danno le configurazioni R e S, mentre la molecola è simmetrica:esistono quindi due enantiomeri otticamente attivi (R-R e S-S) e un diastereomero otticamente inattivo (R-S).
Pure la miscela 1:1 dei due enantiomeri è otticamente inattiva (miscelaracemica o racemato).
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 261
Configurazione assoluta:isomeri enantiomerici R e S
La denominazione R/S segue la regola di Prelog, Ingold e Cahn:si osserva lungo l’asse del legame C-H (C-atomo con massa atomica (MA)minore); si verifica in che direzione occorre ruotare per andare dal legante
con MA maggiore a quello con MA minore (ordine decrescente); se si ruota in senso orario = R, se in senso antiorario = S.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 262
Isomeri di configurazione
Cristalli di acido tartarico: i cristalli degli enantiomerisono speculari
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 263
Riferimenti
• Lezioni: unità 14;• Esercizi: unità 14; libro di testo capitoli 5,
17 e 18;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5, 17 e 18.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 264
Equilibrio chimico: le condizioni
• Condizioni:– Stabilità dei parametri T e p– Sistema di reazione chiuso (nessun apporto e
nessuna fuga di materia (reagenti e/o prodotti)
• Particolarità:– Presenza contemporanea di reagenti e prodotti– Proprietà macroscopiche costanti (concentrazione di
reagenti e prodotti, proprietà fisiche misurabili)– Attività miscroscopica
Vedi videate 30 e 31 l’equilibrio della reazione di sintesi dell’ammoniaca
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 265
Equilibrio chimico: la costante di equilibrio
Legge di azione di massa:
aA + bB cC + dD
[ ] [ ][ ] [ ] )(
*
*TK
BA
DCba
dc
=
Si tratta di una legge ottenuta attraverso le misurazioni sui sistemi in equilibrio.La costante K tipica per ogni processo in equilibrio ad una data temperatura si dice Costante di Equilibrio (Keq).
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 266
I generi più diffusi di equilibrio chimico
– Equilibrio nell’acqua con acidi e basi (equilibrio acido-base)
– Equilibrio di ossido-riduzione (redox)
– Equilibrio di solubilità (equilibrio ionico)
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 267
Equilibrio chimico nell’acquaL’acqua pura è un debole conduttore di corrente elettrica: contiene ioni!Questi ioni possono essere solo ioni H+ e OH- prodotti dalla reazione tra molecole d’acqua:
H2O + H2O H+ + OH-
Dalle misure di conducibilità in H2O pura a 25°C:[H+] = 10-7 M; [OH-] = 10-7 M
←→
[ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] Weqeq KOHKOHHK
OH
OHH ===⇒= −−+−+
14222
2
10***
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 268
Equilibrio chimico nell’acqua
Definizioni:
[ ] [ ] 1410* −−+ == OHHKW
[ ][ ]−
+
−=−=
OHpOH
HpH
log
log
14=+ pOHpH
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 269
Equilibrio chimico nell’acqua
A 25 °C nell’acqua pura:
[ ] [ ] 1410* −−+ == OHHKW
[ ][ ] 710loglog
710loglog7
7
=−=−==−=−=
−−
−+
MOHpOH
MHpH
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 270
Equilibrio chimico nell’acqua con acidi e basi
Gli acidi producono in acqua ioni H+ (H3O+)
Le basi producono in acqua ioni OH-
HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)acido base coniugata
Le basi producono in acqua ioni OH-
B + H2O HB + OH- (aq)base acido coniugato
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 271
Equilibrio chimico nell’acqua con acidi
HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)acido base coniugata
All’equilibrio: [ ] [ ][ ] [ ]OHHA
AOHKeq
2
3
*
* −+
=
[H2O] ≅ costante (55 M) per soluzioni diluite
[ ] [ ][ ]HA
AOHKacido
−+
= *3
I valori di Kacido (KA) sono tabellati (25°C): vedi libro di testo Append ice 2.4
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 272
Equilibrio chimico nell’acqua con acidi forti: calcolo del pH
HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)→←
[ ] [ ][ ]HA
AOHK A
−+
= *3
Un acido forte disciolto in concentrazione [HA]0 dissocia in misura praticamente completa (KA = ∝)
All’equilibrio: [A-] ≅ [HA]0 ≅ [H3O+]
[ ] [ ] [ ][ ]0
03
log HApH
HAAOH
−=≅≅ −+
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 273
Equilibrio chimico nell’acqua con acidi deboli: calcolo del pH
HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)←→
[ ] [ ][ ]HA
AOHK A
−+
= *3
Un acido debole disciolto in concentrazione [HA]0 dissocia in misura limitata, normalmente trascurabile
All’equilibrio [HA] ≅ [HA]0
[ ] [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]
03
3
03
*
**
HAKOH
AOH
HAKAOH
A
A
=
≅
=
+
−+
−+
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 274
Equilibrio chimico nell’acqua con basi
B + H2O HB + OH- (aq)base acido coniugato
←→
[ ] [ ][ ] [ ]OHB
OHHBKeq
2*
* −+
=All’equilibrio:
[H2O] ≅ costante (55 M) per soluzioni diluite
[ ] [ ][ ]B
OHHBKbase
−+
= *
I valori di Kbase (KB) sono tabellati (25°C) : vedi libro di testo Appen dice 2.4
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 275
Equilibrio chimico nell’acqua con basi forti: calcolo del pH
B + H2O HB+ (aq) + OH- (aq)→←
[ ] [ ][ ]B
OHHBKB
−+
= *
Un acido forte disciolto in concentrazione [B]0 dissocia in misura praticamente completa (KB = ∝), [B] ≅ 0
All’equilibrio: [OH-] ≅ [B]0 ≅ [OH-]
[ ] [ ] [ ][ ]
pOHpH
BpOH
BHBOH
−=−=
≅≅ +−
14
log 0
0
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 276
Equilibrio chimico nell’acqua con basi deboli: calcolo del pH
B + H2O HB+ (aq) + OH- (aq)←→
[ ] [ ][ ]B
OHHBKB
−+
= *
Una base debole disciolta in concentrazione [B]0 dissocia in misura limitata, normalmente trascurabile
All’equilibrio [B] ≅ [B]0
[ ] [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]
0
0
*
**
BKOH
HBOH
BKOHHB
B
B
=
≅
=
−
+−
−+
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 277
Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico (aspirina)
Analisi HPLC: -profilo bianco: soluzione di aspirina in acqua; si osservano due picchi corrispondenti all’acido e alla base coniugata (ione acetilsalicilato); la forma acida è presente in concentrazione maggiore (area del picco maggiore); l’acido è poco dissociato!
-profilo verde: soluzione di aspirina con acetato di sodio; si nota un solo picco corrispondente alla base coniugata; l’equilibrio si è spostato verso la forma basica (la forma acida ha reagito praticamente a completezza).
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 278
Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico + acetato di sodio
L’acido acetilsalicilico è un acido debole e dissocia debolmente in base coniugata (ione acetilsalicilato) e H3O+
Lo ione acetato è una base e reagisce con H3O+
OH
O
OH
O
O
OH
+ H2O + H3O+
Acido acetilsalicilico Acetilsalicilato
O
O
OH
O
+ H3O+ + H2O
Acetato Acido acetico
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 279
Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico + acetato di sodio
Se la concentrazione di H3O+ viene abbassata l’acido acetilsalicilico è indotto a dissociare: si trasforma praticamente a completezza in acetilsalicilato
Si può dare una spiegazione al fenomeno anche attraverso una reazione diretta tra acido acetilsalicilico e ione acetato
OH
O
OH
O
O
OH+ H2O + H3O+
Acido acetilsalicilico Acetilsalicilato
OH
O
OH
O
O
OH
O
O
+ H2O+
Acido acetilsalicilico AcetilsalicilatoAcetato
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 280
Riferimenti
• Lezioni: unità 13;• Esercizi: Libro di testo, capitoli 5, 12 e 16;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5, 12 e 16.
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 281
Equilibrio di solubilità nell’acqua con composti ionici
A+aB-
b(s) aA+ (aq) + bB- (aq)
[ ] [ ][ ]
[ ][ ] [ ] [ ]ba
PSeq
ba
eq
BAKABK
teAB
AB
BAK
−+
−+
==⇒
=
=
**
tancos
;*
I valori di KPS (prodotto di soloubilità) sono tabellati: libro di testo pag. 464,Wikipedia, Handbook of Chemistry and Phisics, …..
Come ogni costante di equilibrio KPS dipende dalla temperatura!
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 282
Equilibrio nell’acqua con composti ionici: calcoli di solubilità e di concentrazione
Da KPS si calcolano la solubilità e la concentrazione degli ioni nella soluzione satura.Es: solubilità di Ca(OH)2 a 25°C:
Ca(OH)2(s) Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
KPS = 6.5*10-6 = [Ca2+]*[OH-]2
Calcolo della solubilità (S) del composto e delle concentrazioni ioniche all’equilibrio: S = [Ca2+]; [OH-] = 2*[Ca2+] (dalla stechiometria del processo!)
[ ][ ] MOH
MCa
MK
S
KSSS
PS
PS
2
22
23
32
10*4.2
10*2.1
10*2.14
4)2(*
−−
−+
−
==
==
==
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 283
Riferimenti
• Lezioni: unità 14;• Esercizi: Libro di testo, capitoli 6 e 20.• Libro di testo: cerca nei capitoli 6 e 20 ;
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 284
Equilibri di ossido-riduzione
Reazione generale
aArid + bBox aAox + bBrid
Nel caso delle celle galvaniche (pile) è possibile calcolare il potenziale elettrochimico in condizioni standard (T=25°C, conc entrazioni ioniche = 1 M, pgas= 1 bar) attraverso i potenziali standard di riduzione: libro di testo, Appendice 2.5Es:
Cu2+(aq) + Zn(s) Zn2+(aq) + Cu(s)
E°= 0,34 V + (-(-0,76 V)) = 1,1 VFintanto che E > 0 la reazione avviene procede nel senso corrispondente.
Le concentrazioni ioniche evolvono fino a che E=0
situazione di equilibrio (pila scarica)
[ ] [ ][ ] [ ]b
oxa
rid
brid
aox
eqBA
BAK
*
*=
Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 285
Equilibri di ossido-riduzione nelle pile: calcolo di Keq
Reazione generaleaArid + bBox aAox + bBrid
Equazione di Nernst (condizioni non standard):
n = numero di elettroni scambiati
All’equilibrio: E = 0,
[ ] [ ][ ] [ ]b
oxa
rid
brid
aox
eqBA
BAK
*
*=
eqKn
EE log*0592.0−°=
0592.0
*
10nE
eqK°
=