Corso di Studi di Fisica

Corso di Chimica

Lezione 45-462009

Luigi Cerruti

www.minerva.unito.it

La composizione del corpo umano

– Le cellule sono composte per il 65-90% del loro peso da acqua (H2O); un'altra parte significativa del peso è dato da molecole organiche contenenti carbonio.

– L'ossigeno contribuisce così per la maggior parte alla composizione delle cellule umane, seguito dal carbonio.

– Il 99% della massa corporea umana è costituita da sei elementi: ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto, calcio e fosforo

– In media il corpo umano contiene il 65-70 % di acqua con un massimo del 99% nel corpo vitreo oculare ed un minimo del 2 % nello smalto dei denti

La composizione della Terra e delle sue parti superficiali

Tabella del prof. Attilio Citterio

Classificazione geochimica degli elementi

• Litofili: mostrano spiccata affinità per l’ossigeno e sono per lo più presenti nel mantello e nella crosta terrestre quali silicati ed ossidi, ed in minor misura in carbonati e cloruri.

• Calcofili: hanno una preferenziale affinità per lo zolfo sono associati a quest’ultimo elemento nelle strutture dei solfuri.

• Siderofili: hanno una più spiccata affinità per la fase metallica e che sono notevolmente arricchiti nel nucleo della Terra.

• Atmofili: nelle varie fasi della formazione della Terra sono rimasti allo stato gassoso e nel nostro pianeta sono notevolmente impoveriti rispetto alla loro abbondanza nel sistema solare. Essi sono concentrati nell’atmosfera.

L’idrogenoUn elemento importante

• Produzione annua mondiale 50 milioni di tonnellate

– Consumi principali: fertilizzanti, industria petrolifera

• Metodi di produzione

– gas d’acqua (gas di sintesi synthesis gas):

800°C

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

Il gas d’acqua può essere arricchito di idrogeno con un secondo ‘passaggio’ su un

catalizzatore:

450°C

CO(g) + H2(g) + H2O(g) → CO2(g) + 2H2(g)

Fe2O3

L’anidride carbonica (diossido di carbonio!) può essere allontanata sciogliendola in

acqua ad alta pressione

L’idrogenoUn elemento importante

– Un sistema semplice per produrre una piccola quantità di idrogeno

utilizzando dei prodotti di facile accesso è quello che sfrutta la reazione

della soda caustica NaOH sciolta nell'acqua con l'alluminio.

• Maggiore è la superficie del metallo esposta alla soluzione, maggiore sarà la

velocità del processo; nel caso l'alluminio sia polverizzato, la reazione

assumerà un carattere violento e quasi esplosivo.

– Il processo si svolge secondo le seguenti equazioni chimiche:

2 NaOH + 2 Al + 2H2O → 2 NaAlO2 + 3 H2

2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2

– Essendo esotermiche, le reazioni comportano una notevole produzione

di calore, ne consegue quindi una produzione non indifferente di vapore

acqueo, che il più delle volte deve essere eliminato utilizzando un

elemento igroscopico come il cloruro di calcio, o per mezzo della

semplice condensazione.

L’idrogenoUn elemento importante

• Metodi di produzione

– Da idrocarburi a basso peso molecolare, in particolare dal metano:

900°C

CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)

Ni

900°C

CH4(g) + 2H2O(g) → CO2(g) + 4H2(g)

Ni

La miscela gassosa così ottenuta contiene CO, CO2, H2. Viene trattata ancora con

vapore d’acqua e raffreddata a 400°C in presenza di catalizzatori. Si ottiene:

400°C

CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)

Fe2O3

Questa reazione è chiamata shift reaction

L’idrogenoUn elemento importante:

impianti

• La realizzazione della shift reaction

400°C

CO(g) H2O(g) → CO2(g) + H2(g)

Fe2O3

Reattore per la shift reaction

In questo impianto le colonne bianche sono torri di assorbimento in acqua della CO2 ad alta pressione

L’idrogenoUn elemento importante: la reazione

più ambita• Il metodo di produzione ideale

– Dall’acqua:

2H2O(g) → 2H2(g) + O2(g) (1)

Tuttavia questa reazione richiede una grande quantità di energia. Infatti:

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) ∆H = -485 kJ mol-1

∆H (la variazione di entalpia) corrisponde al calore sprigionato dal sistema in quantità molto elevata; si pensi alla fiamma ossidrica! Questa stessa quantità di energia diventa necessaria per realizzare la scissione di due moli d’acqua nei suoi componenti, reazione (1).

Il più importante progetto attuale è di realizzare in modo opportuno la reazione di scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno mediante fotolisi. La fotolisi (reazione 2) avviene nelle cellule delle piante (figura 1) come primo stadio della sintesi clorofilliana:

2H2O(l) → 4H+ + O2(g) + 4e- (2)

Questa reazione si realizza nelle membrane tilacoidali o tilacoidi (figura 2).

1. Struttura di una cellula vegetale

2. Struttura di un cloroplasto

Celle a combustibile

• Apparato per la conversione di energia

chimica in energia elettrica

• I reagenti vengono riforniti in

continuazione, contrariamente alla

quantità predeterminata e destinata al

consumo delle celle normali

• Nelle celle a combustibile il rendimento

è molto alto

– 70% per le celle a idrogeno vs. 30% dei motori a scoppio

– Rendimento della cella

Le pile a combustibile a membrana polimerica (PEM, Polymer Electrolyte Membrane) sono classificabili come celle a bassa temperatura (70-90°C). Questa famiglia di pile è stata inizialmente sviluppata (dalla General Electric) per impieghi spaziali (missione Gemini)

Metalli

• Ottimi conduttore di calore e di elettricità

• Generalmente reagiscono con gli acidi (con sviluppo di idrogeno) ma non

con le basi

• Spesso hanno buone caratteristiche meccaniche e tecnologiche

– Proprietà meccaniche

• * resistenza alla trazione

• * resistenza alla compressione

• * durezza

– Proprietà tecnologiche

• * malleabilità: è la capacità di un materiale di ridursi in lamine sottili

• * duttilità: è la capacità di un materiale a ridursi in fili sottili

• * saldabilità: è la capacità che a un materiale di unirsi in un solo pezzo con un altro, uguale o diverso.

• I metalli danno luogo ad ossidi basici (es: Na2O, CaO, Cr2O3).

• I metalli di transizione danno origine anche ad ossidi acidi (es. CrO3)

Metalli alcaliniProprietà del gruppo IA

• Fondono a temperature relativamente basse

• Durezza: sono teneri. I campioni di sodio possono essere tagliati con un coltello:

• Sono forti agenti riducenti: al fine di ottenere una configurazione elettronica stabile, essi infatti cedono facilmente l'unico elettrone appartenente all'orbita più esterna

• Reagiscono violentemente con l'acqua formando idrossidi metallici e liberando idrogeno, che si incendia in aria per l'alta temperatura di reazione.

• Per la loro elevata reattività è impossibile trovarli in natura allo stato puro.

Metalli alcaliniIl sodio Na: il processo Solvay

• E’ il metallo alcalino più importante. Si trova in enormi

quantità negli oceani sotto forma di NaCl (4g Na/kg

acqua di mare).

• Un composto del sodio prodotto in grandi quantità è il

carbonato Na2CO3 (42 milioni di t all’anno). Il suo

maggiore utilizzo è nella produzione di vetri.

• Il processo Solvay per la produzione della soda

Na2CO3 è il seguente

• Si decompone carbonato di calcio, con sviluppo di

biossido di carbonio e formazione di ossido di calcio:

• (II) CaCO3 → CaO + CO2

• La CO2 viene fatta gorgogliare in una soluzione

concentrata di cloruro di sodio e ammoniaca;

precipita l'idrogenocarbonato di sodio NaHCO3 (è

l’usuale ‘bicarbonato’) poco solubile:

• (I) NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

• L’ idrogenocarbonato di sodio viene convertito in

carbonato di sodio per riscaldamento, liberando

acqua e biossido di carbonio

• (III) 2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

• L'ammoniaca viene rigenerata per trattamento del

cloruro d'ammonio formatosi con (l'ossido di calcio)

residuo della decomposizione del carbonato di calcio

• (IVa) CaO + H2O → Ca(OH)2

• (IVb) Ca(OH)2 + 2 NH4Cl → CaCl2 + 2 NH3 + 2 H2O

• Dato che l'ammoniaca viene completamente riciclata,

solo la salamoia (il cloruro di sodio) ed il calcare (il

carbonato di calcio) vengono consumati, e l'unico

prodotto di scarto è il cloruro di calcio.

Impiego dei prodotti chimici

Il sodio Na e l’acqua di Val

Rubinetto La grande truffa delle ‘acque

minerali’

• Il consumo quotidiano di Na di un cittadino italiano nell’alimentazione è molto alto:

4000 mg circa, rispetto ai 500-2000 mg consigliati

• Gli italiani sono i maggiori consumatori di acqua minerale in bottiglia nel mondo;

bevono quasi 200 litri pro capite all’anno di cui il 60% naturale non gasata.

• Ogni Italiano che beve ogni anno 200 litri di acqua imbottigliata al costo di 0,50 € al

litro spende 100 €; la stessa quantità di acqua prelevata dal rubinetto a Torino, al costo

di 1,1 € al metro cubo costerebbe 0,22 €.

• Il valore massimo di Na nell’acqua potabile previsto per legge è di 20 mg/l.

– Anche bevendo 2-3 litri al giorno di acqua contenente i valori massimi, si raggiunge meno del 10% di tutto il sale ingerito con l’alimentazione. Ad esempio, un solo cracker apporta la stessa quantità di sodio di sei litri di un’acqua che contiene 10 mg/litro.

• La quantità di sodio che ingeriamo attraverso gli alimenti proviene per il 10% da quello

contenuto naturalmente in alimenti e bevande; per il 55% dal sale aggiunto nei prodotti

alimentari trasformati; per il 35% da quello aggiunto individualmente.

Immagine dalla pagina

“Giovani della Pace. Acqua oligominerale di

Val Rubinetto”

Saggi alla fiamma

Sono un metodo di analisi qualitativa che permette di verificare la presenza di alcuni ioni di metalli alcalini, alcalino-terrosi e di transizione nei loro composti dall’esame della colorazione che impartiscono alla fiamma di un becco Bunsen.

Tutte le diapositive sui saggi alla

fiamma sono dovute alla Classe IB

del Liceo Classico “L. Manara” -

Saggi alla fiammaL’origine del colore

Il colore assunto dalla fiamma non è altro che l’energia sottoforma di radiazione elettromagnetica che l’elettrone eccitato per via termica restituisce nel ritornare alla sua orbita stazionaria.

Gli elettroni più esterni dei metalli alcalini e alcalino-terrosi effettuano con “facilità” questo salto quantico per il basso potenziale di ionizzazione dei loro atomi.

Simbolo: LiNumero atomico: 3Gruppo tavola periodica: IA, alcalinoPeriodo di appartenenza: 2°Massa atomica: 6,941 uConfigurazione elettronica: 1s2 2s1

Colore e caratteristiche della fiammaRosso carminio intenso e persistente

Spettro d’ emissione

Litio

Simbolo: NaNumero atomico: 11Gruppo tavola periodica: IA, alcalinoPeriodo di appartenenza: 3°Massa atomica: 22,99 uConfigurazione elettronica: (Ne)3s1

Colore e caratteristiche della fiamma Giallo arancio persistente

Sodio

Spettro d’emissione

PotassioSimbolo: KNumero atomico: 19Gruppo tavola periodica: IA, alcalinoPeriodo di appartenenza: 4°Massa atomica: 39,0983 uConfigurazione elettronica: (Ar) 4s1

Spettro d’emissione

Colore e caratteristiche della fiammaVioletto non persistente

Colore e caratteristiche della fiammaRosso arancio persistente

Simbolo: CaNumero atomico: 20Gruppo tavola periodica: IIA, alcalino terrosoPeriodo di appartenenza: 4°Massa atomica: 40,08 uConfigurazione elettronica: (Ar)4s1

Calcio

Spettro d’emissione

Simbolo: Ba

Numero atomico: 56

Gruppo tavola periodica: IIA, alcalino terroso

Periodo di appartenenza: 6°

Massa atomica: 137,33 u

Configurazione elettronica: (Xe)6s2

Colore e caratteristiche della fiammaVerde chiaro non persistente

Spettro d’emissione

Bario

Simbolo: Sr

Numero atomico: 38

Gruppo tavola periodica: IIA, alcalino terroso

Periodo di appartenenza: 5°

Massa atomica: 87,62

Configurazione elettronica: (Kr)5s2

Spettro d’emissione

Colore e caratteristiche della fiammaRosso acceso a sprazzi

Stronzio

Simbolo: CuNumero atomico: 29Gruppo tavola periodica: IBPeriodo di appartenenza: 4°Massa atomica: 63,546 uConfigurazione elettronica: (Ar)3d104s1

Spettro d’emissione

Colore e caratteristiche della fiammaVerde-azzurro intenso ma non persistente

Rame

Metalli alcalino terrosi

Proprietà del gruppo IIA

• I metalli alcalino terrosi (escluso il berillio), sono metalli dal colore

argenteo, morbidi, con bassa densità.

• Reagiscono prontamente con gli alogeni per formare sali

• Reagiscono con l'acqua, anche se non così violentemente come i

metalli alcalini, per formare idrossidi alcalini (basici).

– il magnesio reagisce solo con il vapore acqueo e il calcio con l'acqua calda

• Hanno due elettroni di valenza e tranne il berillio e in minor misura il

magnesio, la chimica di tutti gli altri elementi è quasi esclusivamente

quella dei loro ioni doppiamente carichi positivamente. Vi è quindi una

forte tendenza nel gruppo a conseguire la configurazione elettronica del

gas nobile che li precede.