Corso di studi in CHIMICA

Corso di Chimica Generale e Inorganica 2009-2010

Prof. E. Giamello

Avvertenza

Le immagini seguenti sono proiettate durante le lezioni. Esse sono tratte dai seguenti testi:

Whitten et al. CHIMICA GENERALE Ed. Piccin

Atkins e Jones CHIMICA Zanichelli

Bertini, Luchinat, Mani CHIMICA Casa Editrice Ambrosiana(CEA).

Zanello, Gobetto, Zanoni, CONOSCERE LA CHIMICA. CEA

CHIMICA

La Chimica: interpreta e razionalizza la costituzione , le proprietà e le trasformazioni della materia.

Studio della Chimica sulla base di:

- modello atomico della materia

- modello nucleare dell’atomo

- aproccio del legame chimico tra atomi

Materia: gli stati di aggregazione

GASSOSO: non ha né forma né volume propri

LIQUIDO: non ha forma propria, ma volume proprio

SOLIDO: ha forma e volume propri. E’ rigido.

STATI DI AGGREGAZIONE. SOLIDI, LIQUIDI, GAS.

IODIO BROMO CLORO

STATI DI AGGREGAZIONE.

Lo stato di aggregazione di una sostanza dipende dalle condizioni fisiche in cui essa è posta

SOLIDO LIQUIDO GASSOSO

LE SOSTANZE

La materia è costituita da SOSTANZE PURE e MISCUGLI.Una sostanza pura è un sistema a composizione definita e costanteanche se sottoposto a moderate sollecitazioni esterne.

Una sostanza pura può essere una sostanza elementare o una sostanza composta .

Sostanza elementare: non può essere scomposta da alcun processo chimico in sostanze più semplici.

Le unità di base sono atomi della stessa specie (Es. ferro, elio) cui si fa riferimento, per definirne la specie, come elementi.

Sostanza composta. Nella unità di base entrano due o più elementi in combinazione chimica.

L’unità base è (quasi sempre*) la molecola che contiene atomi degli elementi in un rapporto ben definito. *Alcune sostanze sono organizzate in modo diverso e basate su reticoli cristallini.

Milioni e milioni di sostanze (pure) sono note. Pochissime di queste (un centinaio) sono SOSTANZE ELEMENTARI!

FASI

Una sostanza pura può presentarsi come un sistema omogeneo (monofasico, una sola sola fase, esempio acqua liquida) ovvero come sistema eterogeneo o polifasico (esempio acqua liquida e acqua solida). La natura chimica della sostanza acqua non muta

Fase è una parte di un sistema, dicomposizione chimicadeterminata, con proprietà fisicheuniformi, separata da altre partidel sistema da superfici limitefisicamente definite

MISCUGLI o MISCELE: sono porzioni di materia comprendenti piùsostanze

MISCUGLI OMOGENEI (soluzioni): presentano proprietà uniformi in ogniregione. Possono esistere nei tre stati di aggregazione (aria, acqua marina, ottone)

MISCUGLI ETEROGENEI: presentano parti distinte fisicamente distinguibili(roccia, sospensione di acqua e sabbia, ferro e zolfo)

Miscuglio Omogeneo: soluzione salina

MISCUGLI

MISCUGLI

Un miscuglio (miscela) eterogeneo preparato da due sostanze pure

Figura 1-7 Schema di classificazione della materia.

SOSTANZE COMPOSTE

SOSTANZE ELEMENTARI

Piccin Nuova Libraria S.p.A.Dal volume: Whitten “Chimica Generale”

Gli atomi sono le unità costituenti le sostanze, i mattoni fondamentalidella materia.

Per ogni ELEMENTO esiste un ATOMO distinto. 90 elementi sono di origine naturale e 19 artificiali, per un totale di 109 elementi e dunque109 tipi di atomi diversi

Ogni atomo è indicato con un SIMBOLOUn atomo è la più piccola parte di un elemento che ne conserva le proprietà chimiche e fisiche. Diversamente da quanto si riteneva nel passato, l’atomo non è indivisibile e non è un oggetto omogeneo ma, secondo il modello nucleare è composto da particellesubatomiche caratterizzate da MASSA e CARICA ELETTRICA.

La massa è in gran parte concetrata nel NUCLEO dove risiede anche la carica POSITIVA.

Il nucleo è il nocciolo centrale dell’atomo che si presume sferico.

Raggio nucleare = 10-5 Raggio atomico

Volume nucleare = 10-15 Volume atomico.

ATOMI

ATOMI

La superficie di un pezzo di Nichel “vista” da un microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM).

PARTICELLE ELEMENTARI NEGLI ATOMI

Nel nucleo si trovano i PROTONIPROTONI e i NEUTRONINEUTRONIIl volume extranucleare è occupato dagli ELETTRONIELETTRONI

PARTICELLE ELEMENTARI

Proprietà fisiche (massa e carica) delle particelle subatomiche fondamentali.

Massa (Kg) Carica © Massa (u) Carica (e)

PROTONE 1.67262 10-27 1.60218 10-19 1.00728 + 1

NEUTRONE 1.67493 10-27 0 1.00866 0

ELETTRONE 9.10939 10-31 -1.60218 10-19 0.00055 - 1

NUMERO ATOMICO, NUMERO DI MASSA, ISOTOPI.

Il numero di protoni di un atomo si dice NUMERO ATOMICO e si indicacon Z.

La somma del numero di protoni e del numero di neutroni (particellepesanti del nucleo) si dice NUMERO di MASSA e si indica con A

Un dato atomo (gli atomi di un certo elemento) sono caratterizzaticompiutamente da Z e A. Tuttavia esiste una notazione simbolica per ogni elemento: il SIMBOLO. In modo esteso si scrive:

AZSy

Un elemento è un tipo di sostanza i cui atomi hanno tutti lo stessonumero atomico, Z.Tra gli atomi di un certo elemento vi possono essere casi di numero di massa, A variabile. Ciò è possibile a causa di un diverso numero di NEUTRONI.Atomi dello stesso elemento (stesso Z) e diverso A sono tra loroISOTOPI.

ISOTOPI.

PROZIOPROZIO DEUTERIODEUTERIO TRIZIOTRIZIO

1111HH 11

22HH 1133HH

LA MASSA DEGLI ATOMI.

1u è un dodicesimo dellamassa del carbonio 12

1u = 1.6605 10-27 Kg

MASSA ATOMICA E SUA UNITA’ DI MISURA.

La MASSA ATOMICA (o peso atomico) di un elemento si esprime in unità di massa atomica (u)

1 u = 1.6605 10-27 Kg

La massa atomica tabulata è la media pesata delle masse dei vari isotopi(pesata sulla ABBONDANZA NATURALE)

HH 1H = 99.985% 2H (D) = 0.015%1.007825 u 2.04102 u

massa di HH = 0.99985 x 1.007825 + 0.00015 x 2.014102 u = 1.00797 u

Le masse degli atomi conosciuti vanno da circa 1 u (H) a 250 u.

Per convenzione, l’unità di massa atomica 1u è pari a 1/12 dellamassa atomica di 12C cioè dell’isotopo carbonio con A=12.

ATOMI E MOLECOLE

Molecole biatomiche di sostanze elementari

Molecole poliatomiche di sostanze elementari

La massa di una molecola è la somma delle masse degli atomi presenti nella molecola e si esprime in u.

MOLECOLEMolecole poliatomiche di sostanze composte:H2O Acqua

H2O2 Perossido di idrogeno

CCl4 Tetracloruro di carbonio

C2H6O Etanolo

IONI E RETICOLI IONICI

IONI: particelle dotate di carica elettrica a causa della presenza di un numero di protoni diverso dal numero di elettroni.

Possono essere: positivi Na+, Fe2+, Al3+ negativi Cl-, O2-, N3-

Monoatomici (sopra) poliatomici NO3-, SO4

2-, NH4+

Gli ioni si organizzano in reticoli cristallini contenenti ioni di segno opposto

MOLE: LA DOZZINA DEI CHIMICI.

MOLE.

La MOLE è l’unità di misura della quantità di materia

UNA MOLE (1 mol) di materia è costituita da 6.022 1023 unità chimiche elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni…)

6.022 1023 è il numero di atomi contenuti in 12 grammi esatti di 12C (l’isotopo 12 dell’elemento carbonio –già scelto come sistema di riferimento- di massa atomica 12 u)

NA= 6.022 1023 è la costante di Avogadro

MOLE.

La massa in grammi di 1mol di materia di una qualsiasi sostanza(elementare o composta) è detta MASSA MOLARE ed è NUMERICAMENTE UGUALE alla massa atomica (sostanze elementari) o alla massa molecolare (sostanze composte) espressa in unità di massa atomica (u).

1 atomo C x NA = 1 mol di atomi di C

12.00 u x NA =12.00 g

MOLE.

Per la dozzina il multiplo dell’unità (uovo) è 12.

Per la mole il multiplo dell’unità (atomo, molecola) è NA= 6.022 1023

Amedeo AVOGADRO (1776-1856)

MOLE.

La massa atomica o molecolare: è la massa di un atomo o di una molecola espressa in u.

La massa molare è la massa di una mole di sostanza (anche per le sostanze elementari) e si misura in g/mol.Esempio. Per H2O si ha: massa molecolare = 18.01 u

massa molare = 18.01 g/mol

MOLE.

Conversioni :

Dalla massa (in grammi) di una sostanza al numero di moli in essa contenuti:

massa (g)—————————— = numero di moli (mol)massa molare (g/mol)

Dal numero di moli di una certa sostanza alla sua massa

numero di moli (mol) x massa molare (g/mol) = massa (g)

FORMULE CHIMICHE.

Le formuleformule chimichechimiche sono scritture simboliche checontengono tutta l’informazione qualitativa (quali tipi di atomo) e quantitativa (quanti atomi) necessaria a descrivere la composizione atomica della sostanza.

CO2

1 molecola (44.01 u) contiene:1 atomo C (12.01 u)2 atomi O (2 x 16.00u = 32.00 u)

1 mol di molecole (1molx44.01 g/mol=44.01g)cont.1 mol di atomi C (1molx12.01 g/mol= 12.01g)2mol di atomi O (2mol x 16.00 g/mol = 32.00 g)

Visionemolecolare

Visionemolare

REAZIONI CHIMICHE E CONSERVAZIONE DELLA MASSA.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O1 mol + 2 mol 1 mol + 2 mol16g + 64 g 44g + 36 g

80g 80g

Legge di conservazione della massa (A. L. Lavoisier)

TIPI DI FORMULE CHIMICHE

FORMULA MINIMA (O EMPIRICA). Esprime i rapporti tra gli elementi che formano un composto usando come indici i numeri più piccoli possibile.

Esempio: CH3O

FORMULA MOLECOLARE (O ELEMENTARE). Riporta i rapporti tra gli atomi effettivamente presenti nella molecola della sostanza composta..

Esempio: C2H6O2

FORMULA DI STRUTTURA. Esprime graficamente le posizioni relative e le connessioni tra gli atomi, evidenziando cioè i legami chimici

Esempio: H H

H-O-C-C-O-H

Glicole etilenico H H

TIPI DI FORMULE CHIMICHE

La visione spaziale, tridimensionale, delle molecole è un aspetto fondamentale per la comprensione delle proprietà delle sostanze. In passato questo aspetto veniva coperto da grafica particolare o da modelli solidi. La “computer graphic” oggi permette di visualizzare facilmente la struttura tridimensionale.

Due approcci:

“Ball and stick”

e

“Space filling” (riempimento dello spazio)

TIPI DI FORMULE CHIMICHE

ISOMERI

Ad una stessa formula molecolare può corrispondere più di una sostanza. Due o più sostanze con la stessa formula molecolare ma diversa natura e proprietà hanno DIVERSA FORMULA DI STRUTTURA

Esempio: C2H6O H H

H-C-C-O-H

Etanolo o Alcol etilico H H

H H

H-C-O-C-H

Dimetil etere H H

ANALISI ELEMENTARE

L’analisi chimica qualitativa e quantitativa di ciascun elemento in un composto si dice ANALISI ELEMENTARE.

L’analisi elementare porta ad ottenere la composizione di un composto in termini di composizione percentuale di ogni elemento espressa in massa (o percento in peso)

Esempio per un composto.

Analisi elementare qualitativa: C, H, O.

Analisi elementare quantitativa: C (26.7%), H (2.24%), O(71.1%)

sono i pesi di ogni elemento contenuti in 100 grammi di composto

L’analisi elementare permette di determinare la FORMULA MINIMA ma non la FORMULA MOLECOLARE per la quale è richiesto conoscere la massa molecolare. Nell’esempio la massa molecolare è 90.04 u

H2C2O4

C-OOH

C-OOH

Acido ossalico