Corso propedeutico a chimica generale 2009

www.minerva.unito.it

Luigi Cerruti

Lezioni di chimica11-12

In rete: risorse di chimica generale

• Il prof Gianni Michelon, Università di Venezia, ha messo in rete un intero corso di chimica generale. Questo

corso è vivamente raccomandato per lo studio e la

consultazione:

• http://venus.unive.it/miche/chimrestau/default3.htm

Il numero di ossidazione(Un'utile convenzione)

• Il numero di ossidazione (N.O.) è dato da una carica formale attribuita ad un atomo in un composto,

basandosi sul relativo carattere elettropositivo o

elettronegativo di tutti gli atomi che costituiscono il composto stesso

• Il numero di ossidazione definisce lo stato di ossidazione dell'atomo

Il numero di ossidazione (N.O.)(Le regole di assegnazione, prima parte)

• N.O. = 0 per tutti gli atomi di sostanze allo stato

elementare (Hg, Cl2, O3)

• La somma dei N.O. di tutti gli atomi in una molecola o

in una unità di formula è zero

• Nel caso di uno ione monoatomico il N.O. coincide

con la carica N.O. (Cr3+) = +3; N.O. (S2-) = -2

• Nel caso di uno ione poliatomico il N.O. la somma dei

N.O. coincide con la carica dello ione, in segno e in

valore assoluto

Il numero di ossidazione(le regole di assegnazione, seconda parte)

Le regole seguenti vanno intese riferite, secondo la definizione, ad atomi degli elementi citati, impegnati in composti

• N.O. = +1 per i metalli alcalini; N.O. = +2 per i metalli alcalino terrosi

• N.O. = +1 per l'idrogeno, eccetto che nei composti binari con i metalli (NaH), dove all'idrogeno viene assegnato N.O. = -1

• N.O. = -1 per il fluoro (sempre!)

• N.O. = -2 per l'ossigeno, = -1 nei perossidi (H2O2)

• Nei composti binari con i metalli:

N.O.= -1 per F, Cl, Br, I

N.O.= -2 per O, S, Se, Te

N.O.= -3 per N, P, As, Sb

Numeri di ossidazione e sistema periodico

Semimetalli

• Essi hanno proprietà intermedie fra quelle dei

metalli e dei nonmetalli

• Collocati sulla diagonale che suddivide gli

elementi in base alle proprietà acido-base dei

loro ossidi. In base a tale definizione i metalli

danno luogo ad ossidi basici (es: Na2O, CaO), i

nonmetalli ad ossidi acidi (es: SO2, SO3, CO2).

• Allo stato elementare il modo per distinguere un

metallo da un semimetallo o da un non metallo

consiste nel verificare la conducibilità elettrica

(o termica):

– i metalli sono buoni conduttori

– i semimetalli in forma cristallina estremamente

pura sono semiconduttori e non dei veri

conduttori elettrici,

– i non metalli sono isolanti

* boro (B)

* silicio (Si)

* germanio (Ge)

* arsenico (As)

* antimonio (Sb)

* tellurio (Te)

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)

Non metalli

• Sono elementi che tendono con facilità ad

acquistare elettroni per realizzare la

configurazione elettronica stabile del gas

nobile ad essi più vicino come numero

atomico

• Sono quindi molto elettronegativi, cioè

guadagnano elettroni di valenza da altri

atomi più facilmente di quanto li cedano

• Sono isolanti o semiconduttori

• Possono formare legami ionici con i metalli,

guadagnando elettroni, o legami covalenti

con altri non metalli.

• Danno origine ad ossidi acidi (es: SO2,

SO3, CO2).

* Idrogeno (H)

* Carbonio (C)

* Azoto (N)

* Ossigeno (O) (calcogeno)

* Fluoro (F) (alogeno)

* Fosforo (P)

* Zolfo (S) (calcogeno)

* Cloro (Cl) (alogeno)

* Selenio (Se) (calcogeno)

* Bromo (Br) (alogeno)

* Iodio (I) (alogeno)

* Astato (At) (alogeno, radioattivo)

Metalli e non metalliUn confronto

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

Volume atomico(cm3 mol-1)

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

Volume atomico(cm3 mol-1)

Raggi atomici e raggi ionici dei

metalli alcalini e degli alogeni

Unità di misura picometri (pm)

1 pm = 10-12 m

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

Potenziali ionizzazione(kJ mol-1)

La variazione di alcune proprietà all'interno del

sistema periodico

Elettronegatività di Pauling

E’ una quantità

adimensionale!

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

• 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

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 enormi 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.

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”

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.

‘Calcogeni’Proprietà del gruppo VIA

• Gli elementi del gruppo VIA della tavola periodica venivano anche chiamati Calcogeni,

nome che però è caduto in disuso. Sono Ossigeno (O), Zolfo (S), Selenio (Se), Tellurio

(Te) e il Polonio (Po), radioattivo.

• L'ossigeno e lo zolfo sono nonmetalli, il selenio e il tellurio sono metalloidi

semiconduttori, mentre il polonio è un metallo.

– Tellurio e selenio sono comunemente considerati metalli se in forma elementare.

• I calcogenuri sono molto comuni come minerali: per esempio la pirite (FeS2) è un

minerale di ferro. Questo fatto è alla base del vecchio nome che vorrebbe significare

‘generatore di minerali’.

• Il numero di ossidazione degli elementi di questo gruppo è generalmente -2, ma se ne

possono ottenere altri: per esempio lo zolfo nella pirite ha numero di ossidazione -1. Il

numero di ossidazione più alto in assoluto si ha nei solfati, selenati e tellurati, per

esempio nel selenato di sodio Na2SeO4.

AlogeniProprietà del gruppo VIIA

• Hanno una configurazione elettronica di tipo [X] s2 p5, dove X indica la configurazione elettronica del gas nobile del periodo precedente.

• Tendono quindi ad acquistare un elettrone; nei sali ionici o ionizzati in acqua hanno infatti una carica negativa unitaria.

• Sono gli elementi più elettronegativi dei rispettivi periodi della tavola periodica ed allo stato elementare hanno molecole biatomiche.

• Possono anche reagire tra di loro dando vita a molecole come BrF, ICl o ClF.

• Nelle condizioni standard fluoro e cloro sono gassosi, il bromo è liquido, lo iodio e l'astato sono solidi.

• Gli alogeni sono tutti molto reattivi e in quantità sufficienti possono essere letali per gli organismi animali e vegetali. Il fluoro è il più reattivo: infatti reagisce anche con i gas nobili.

• Cloro e bromo vengono impiegati come disinfettanti.