Deorsola_lezione 1 - Introduzione chimica

Chimica Politecnico di Torino A.A.2013-2014

Fabio A. Deorsola Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia Tel.: 011-0904662 E-mail: [email protected]

Introduzione


Organizzazione del corso

1 Fabio Deorsola, Lezione 1 "Introduzione"


D. Mazza, LA CHIMICA IN 40 LEZIONI, Esculapio Ed., Bologna M. Schiavello, L. Palmisano, FONDAMENTI DI CHIMICA, Edises Ed., Napoli A.M. Manotti Lanfredi, A. Tiripicchio, FONDAMENTI DI CHIMICA, Casa Editrice Ambrosiana, Milano M.S. Silberberg, LA NATURA MOLECOLARE DELLA MATERIA E DELLE SUE TRASFORMAZIONI, McGraw-Hill P. Atkins, L. Jones, PRINCIPI DI CHIMICA, Zanichelli, Bologna

S. Bodoardo, E. Turcato, N. Penazzi, LABORATORIO DIDATTICO DI CHIMICA, Levrotto & Bella Ed., Torino P. Giannoccaro, S. Doronzo, ELEMENTI DI STECHIOMETRIA, Edises Ed., Napoli F. Ugozzoli, COME RISOLVERE I PROBLEMI DI CHIMICA, Casa Editrice Ambrosiana, Milano

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Organizzazione del corso



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ORAL

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20 quesiti in un test in parte rivolto alla teoria in parte alle esercitazioni

domande sulla teoria se si passa lo scritto

Lesame



Introduzione latomo la mole orbitali atomici e molecolari la tavola periodica degli elementi il legame chimico stati fisici: gassoso, liquido e solido le soluzioni lequilibrio chimico acidi e basi la cinetica chimica termochimica elettrochimica chimica organica

Contenuti



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Chimica

Copia della diapositive proiettate



E la scienza che studia la materia e le sue propriet, le trasformazioni subite dalla materia e lenergia assoc iata a ta l i t rasformazioni (esempio: combustione).

Tutto ci che ha una massa e un volume (acqua, aria, sole, studenti,). Ai fini chimici la materia costituita da atomi, eguali o diversi, uniti tra loro da forze di legame strettamente correlate alla loro struttura elettronica (prossime lezioni).

CHIMICA

MATERIA

ENERGIA Lenergia di un corpo la somma di energia potenziale (posizione) e cinetica (movimento). Lenergia si conserva, non pu essere distrutta, ma si converte da una forma in unaltra. Tutte le trasformazioni chimiche e fisiche sono accompagnate da variazioni di energia.

EINSTEIN (1905): E = m. c2

Definizioni



Preistoria: scoperta del fuoco (combustione). Neolitico (12000-7000 a.C.): processi metallurgici, oltre let della pietra. 6000 anni fa (zona della mezzaluna fertile e dintorni): ceramica, tessuti,

vetro.

dal 3000 a. C.: preparazione del vino e della birra. greci e arabi: approccio filosofico ai problemi sulla natura e origine della

materia (teoria dei quattro elementi).

dal II -III secolo a. C.: fusione del pensiero greco e orientale, le nozioni chimiche acquistano una aura magica.

per 15 secoli, fino alla fine del Medioevo: alchimia (pietra filosofale). dal 1500 con Paracelso la chimica diventa lo strumento per curare i mali

delluomo.

dal 1600 la chimica come scienza: Boyle sostiene che la chimica deve riguardare lo studio scientifico di tutta la materia.

Da dove viene la chimica



Il tema centrale della chimica


Le propriet e le trasformazioni delle sostanze (comportamenti macroscopici osservabili) sono le conseguenze delle propriet e

del comportamento microscopici.

difficile immaginare una qualsiasi manifestazione della nostra vita quotidiana in cui la chimica non sia in qualche modo coinvolta. Tutto, infatti, attorno a noi ed in noi, chimica: attorno a noi nei fenomeni naturali indispensabili per la vita, come la fotosintesi, e nei prodotti artificiali di primaria importanza per la civilt, come i farmaci, i fertilizzanti, le materie plastiche, i semiconduttori ed i detergenti; in noi perch il funzionamento o il mal funzionamento del corpo umano regolato da reazioni chimiche. La vita chimica in azione. Senza fare del riduzionismo, si pu dire che tutte le manifestazioni della vita, comprese quelle che chiamiamo categorie mentali (l'apprendimento, la memoria, il pensiero, l'esperienza e i sogni) sono, in ultima analisi, il risultato di reazioni chimiche, sia pure cos complesse da non poter essere, almeno per ora, interpretate. V. Balzani


Cultura generale (il mondo fatto di chimica)

Fondamentale in particolare per lo studio dei materiali (correlazioni struttura-propriet)

Correlazione tra tipi di legame e propriet di alcuni materiali

Perch studiamo la chimica (1/2)?



Base di molte scienze applicate e ingegnerie (medicina, biologia, alimentare, materiali, ambiente, elettrochimica, farmaceutica, energetica, )

Perch studiamo la chimica (2/2)?



Che cosa rende la Terra pi gradevole?



6 CO2 + 12 H2O + fotone 6 C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

La fotosintesi una reazione chimica!


Avvengono nei grana Scinde H2O e rilascia O2 Produce ATP e NADPH

Avviene nello stroma Produce zucchero dalla CO2 Consuma ATP come energia

e NADPH come potere riducente


1 anno di consumi di combustibili fossili = 1 milione di anni di fotosintesi

il segreto fare andare pi veloce questo orologio natuale con i biocombustibili e le bioraffinerie!

Atmosfera ossidante e strato di ozono

Inizio fotosintesi

Un orologio da 5 miliardi di anni



etilene

propilene

butadiene buteni

aromatici

glicol-etilenico

polietilene

polipropilene

acrilonitrile

elastomeri

caprolattame

21 magliette 276 m di film per serre o 146 m di tubi per gas 4 cassette per bottiglie o 30 rotoli di spago

1 pneumatico o 13 pneumatici da bicicletta 3 camere d'aria per auto o 17 camere d'aria per bicicl.

21 maglioni o 5 coperte

500 paia di collant Fonte: BP Chemicals

1 Barile di PETROLIO

72 litri di nafta

(1000 km di viaggio)

e magari usare il petrolio in modo pi intelligente!



Noi siamo chimica!



La chimica ci utile (1/2)



La chimica ci utile (2/2)



I pericoli della chimica (1/3) Seveso(Italia),1976.

A Meda, un comune vicino Seveso, lICMESA (Industrie Chimiche Meda Societ Azionaria) produceva il 2,4,5-triclorofenolo, un prodotto utilizzato nella sintesi di diserbanti. Il 10 Luglio 1976, per cause ancora del tutto non chiarite, uno dei reattori si surriscald e nellaria vennero vennero rilasciate quantit ingenti di prodotti clorurati e di diossina (2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-diossina, TCDD). Il vento trasport verso sud la nube tossica e Seveso fu il comune pi colpito. Fortunatamente non ci furono vittime accertate, ma pi di 37000 persone furono esposte e pi di 80000 animali furono soppressi per evitare la biomagnificazione attraverso la catena alimentare. Recentemente la diossina stata utilizzata per avvelenare il presidente ucraino Viktor Yushchenko.



I pericoli della chimica (2/3) Bophal(India),1984.

Il metil-isocianato (MIC) veniva utilizzato nello stabilimento della Union-Carbide a Bophal (India) per la produzione dellinsetticida Carbaryl. La mattina del 3 Dicembre 1984, a causa di uno sversamento accidentale di acqua in un deposito di stoccaggio di MIC, venne liberata nellaria una quantit elevata di MIC, un gas pi pesante dellaria. Le vittime, ad oggi, sono state pi di 20000; pi di 120000 persone continuano a soffrire gli effetti del disastro (cancro, cecit, etc.)



I pericoli della chimica (3/3)

Tolosa(Francia),2001.Il 21 Settembre 2001, lindustria di fertilizzanti AZF (Azote de France) stata completamente distrutta per motivi non del tutto chiariti ed a causa di una esplosione avvenuta nei magazzini dove erano conservate 200-300 tonnellate di ammonio nitrato granulare. Lesplosione, che ha causato 31 morti e pi di 2400 feriti, ha provocato un cratere di 50 metri di diametro e profondo pi di 10 metri ed ha avuto lo stesso effetto di un terremoto di magnitudo 3.4 della scala Richter!



Leggi a tutela dellambiente



Analisi occupazionale sui chimici



La chimica verde

Roald Hoffmann Premio Nobel per la Chimica 1981



Solvay Council, 11 Premi Nobel Bruxelles, Novembre 1911

Per un ruolo chiave come un tempo



e nel tempo!



FISICHE: Sono quelle che una sostanza presenta di per s, senza interagire con o trasformarsi in unaltra sostanza: massa; colore; temperatura o punto di fusione, ebollizione; durezza; densit; conduttivit elettrica; stato di aggregazione. Per determinarle, non necessario modificare lidentit delle sostanze (cio la loro FORMULA CHIMICA).

CHIMICHE: Sono quelle che una sostanza presenta quando si trasforma in e/o interagisce con unaltra sostanza (o altre sostanze): infiammabilit; corrosivit; reattivit con acidi, etc. Per determinarle, bisogna modificare lidentit delle sostanze.

Propriet INTENSIVE: non dipendono dallentit del campione (p, T, =m/V) Propriet ESTENSIVE: dipendono dallentit del campione (m, V)

Propriet della materia (1/2)



Propriet della materia (2/2)



TRASFORMAZIONE FISICA Una sostanza subisce una trasformazione fisica quando modifica la sua forma fisica (stato di aggregazione), non la sua composizione (subisce un cambiamento o transizione di stato). Una trasformazione fisica d origine a differenti propriet fisiche: quando il ghiaccio fonde cambiano la durezza, densit, fluidit, ma il campione non ha cambiato la sua identit chimica: sempre acqua. Una trasformazione fisica causata da una variazione di temperatura pu essere generalmente invertita con la variazione opposta di temperatura, mentre una trasformazione chimica generalmente no.

TRASFORMAZIONE CHIMICA Avviene una trasformazione chimica (reazione chimica) quando una sostanza (o pi sostanze) si trasforma (trasformano) in una differente sostanza (differenti sostanze). Esistono vari tipi di reazioni chimiche, ma tutte si possono esprimere formalmente con delle EQUAZIONI CHIMICHE, IN CUI SI RIPORTANO LE FORMULE DEI REAGENTI E DEI PRODOTTI NELLE ESATTE PROPORZIONI STECHIOMETRICHE.

Trasformazioni della materia



I SOLIDI HANNO FORMA E VOLUME PROPRI I LIQUIDI HANNO VOLUME PROPRIO, MA ASSUMONO LA FORMA DEL RECIPIENTE formando una superficie.

I GAS NON HANNO NE FORMA NE VOLUME PROPRI: il gas si espande nel recipiente riempiendolo completamente.

S L fusione S G sublimazione L G evaporazione L S solidificazione G L liquefazione o condensazione G S brinamento

Stati di aggregazione della materia



In fisica e in chimica, una transizione di fase (o passaggio di stato o cambiamento di stato) la trasformazione di un sistema termodinamico da uno stato di aggregazione ad un altro. La caratteristica distintiva di una transizione di fase il brusco cambiamento di una o pi propriet fisiche, in particolare la capacit termica, alla minima variazione di variabili termodinamiche come la temperatura.

Transizioni di fase



Esempio di una reazione chimica



Lapparenza inganna!



E UNA SOSTANZA COSTITUITA DA UNA SOLA SPECIE DI ATOMO. OGNI ELEMENTO HA UN NOME: ES. SILICIO, CARBONIO, OSSIGENO, AZOTO, IDROGENO ED UN SIMBOLO CORRISPONDENTE (Si, C, O, N, H...). OGNI ELEMENTO HA CARATTERISTICHE PROPRIETA MACROSCOPICHE PERCHE HA PROPRIETA ATOMICHE (MICROSCOPICHE) UNICHE. Gli elementi esistono per la maggior parte come atomi singoli (es. gas neon), ma alcuni elementi esistono in natura in forma molecolare (es. H2, O2, N2).

Elemento



Italiano Inglese SimboloAfnio Hafnium HfAlluminio Aluminium AlAmericio Americium AmAntimonio Antimony SbArgento Silver AgArgo Argon ArArsenico Arsenic AsAstato Astatine AtAttinio Actinium AcAzoto Nitrogen NBario Barium BaBerillio Beryllium BeBerkelio Berkelium BkBismuto Bismuth BiBohrio Bohrium BhBoro Boron BBromo Bromine BrCadmio Cadmium CdCalcio Calcium CaCalifornio Californium CfCarbonio Carbon CCerio Cerium CeCesio Caesium CsCloro Chlorine ClCobalto Cobalt CoCopernicio Copernicium CnCripto Krypton KrCromo Chromium CrCurio Curium Cm

Italiano Inglese SimboloDarmstadtio Darmstadtium DsDisprosio Dysprosium DyDubnio Dubnium DbEinsteinio Einsteinium EsElio Helium HeErbio Erbium ErEuropio Europium EuFermio Fermium FmFerro Iron FeFluoro Fluorine FFosforo Phosphorus PFrancio Francium FrGadolinio Gadolinium GdGallio Gallium GaGermanio Germanium GeHassio Hassium HsIdrogeno Hydrogen HIndio Indium InIodio Iodine IIridio Iridium IrItterbio Ytterbium YbIttrio Yttrium YLantanio Lanthanum LaLawrentio Lawrencium LrLitio Lithium LiLutezio Lutetium LuMagnesio Magnesium MgManganese Manganese MnMeitnerio Meitnerium Mt

Italiano Inglese SimboloMendelevio Mendelevium MdMercurio Mercury HgMolibdeno Molybdenum MoNeo Neon NeNeodimio Neodymium NdNettunio Neptunium NpNichel Nickel NiNiobio Niobium NbNobelio Nobelium NoOlmio Holmium HoOro Gold AuOsmio Osmium OsOssigeno Oxygen OPalladio Palladium PdPiombo Lead PbPlatino Platinum PtPlutonio Plutonium PuPolonio Polonium PoPotassio Potassium KPraseodimio Praseodymium PrPrometio Promethium PmProtoattinio Protactinium PaRadio Radium RaRadon Radon RnRame Copper CuRenio Rhenium ReRodio Rhodium RhRoentgenio Roentgenium RgRubidio Rubidium Rb

Italiano Inglese SimboloRutenio Ruthenium RuRutherfordio Rutherfordium RfSamario Samarium SmScandio Scandium ScSeaborgio Seaborgium SgSelenio Selenium SeSilicio Silicon SiSodio Sodium NaStagno Tin SnStronzio Strontium SrTallio Thallium TlTantalio Tantalum TaTecneto Technetium TcTellurio Tellurium TeTerbio Terbium TbTitanio Titanium TiTorio Thorium ThTulio Thulium TmUranio Uranium UVanadio Vanadium VWolframio Tungsten WXeno Xenon XeZinco Zinc ZnZirconio Zirconium ZrZolfo Sulfur S

Ogni elemento ha un suo simbolo univoco. Solo 92 elementi sono reperibili in natura, gli altri sono artificiali.

Gli elementi



Ossido Percentuale

SiO2 59,71

Al2O3 15,41

CaO 4,90

MgO 4,36

Na2O 3,55

FeO 3,52

K2O 2,80

Fe2O3 2,63

H2O 1,52

TiO2 0,60

P2O5 0,22

Totale 99,22

Dopo aver analizzato 1.672 tipi di rocce e tenendo conto della loro diffusione, F. W. Clarke ha ottenuto per la crosta terrestre le percentuali in peso in tabella. Tutti gli altri composti non raggiungono tutti assieme l'1 %.

Mappa delle placche tettoniche della terra (da Wikipedia)

La crosta terrestre



Una molecola ununit strutturale indipendente costituita da due o pi atomi legati chimicamente tra di loro. Gli atomi possono essere dello stesso elemento (H2) o di elementi diversi (H2O), in questultimo caso si parla di COMPOSTO. IN UN COMPOSTO, I VARI ELEMENTI SONO PRESENTI IN RAPPORTI FISSI IN MASSA. Un composto ha delle propriet diverse da quelle degli elementi che lo compongono.

Composti



UNA MISCELA E UN GRUPPO DI DUE O PIU SOSTANZE (ELEMENTI E/O COMPOSTI) MESCOLATE FISICAMENTE. A DIFFERENZA DI UN COMPOSTO: a) I COMPONENTI DI UNA MISCELA POSSONO VARIARE NEI LORO RAPPORTI IN MASSA. UNA MISCELA, NON AVENDO UNA COMPOSIZIONE FISSA, NON E UNA SOSTANZA. b) UNA MISCELA HA PROPRIETA SIMILI A QUELLE DEI SUOI COMPONENTI c) LE MISCELE POSSONO ESSERE SEPARATE NEI LORO COMPONENTI CON METODI FISICI (si sfruttano differenze nelle propriet fisiche dei costituenti)

Miscele



Classificazione della materia



Sistema eterogeneo: sistema i cui costituenti non hanno propriet fisiche e chimiche uguali in ogni punto di dimensioni inferiori a 10-6 cm.

Sistema Eterogeneo: latte omogeneizzato

Sistemi eterogenei: ghisa, schiume, fumi, nebbie

Sistemi eterogenei



Una fase: ottone (lega di rame e zinco)

Pi fasi: Granito (feldspato, mica, quarzo)

Stessa composizione ma 2 fasi diverse

Sistemi omogenei (fasi)



Il metodo scientifico


Le singole informazioni quantitative

sono dette DATI

Le leggi naturali sono spesso riassunte in termini

matematici (es. conservazione della massa)


Lunghezza: lunit di misura nel SI il metro (1cm=10-2m; 1mm=10-3m; 1km=103m; 1nm=10-9m)

Temperatura: E il fattore che determina la direzione del flusso di calore. Per due oggetti a contatto tra loro il calore passa da quello a pi alta temperatura a quello a pi bassa La scala di temperatura pi usata in gradi Celsius.

0 C il punto di congelamento dellacqua pura 100 C il punto di ebollizione dellacqua pura Lunit di base nel SI il kelvin. 0 K la pi bassa temperatura raggiungibile . E: TK = tC+273.15

Massa: E la misura della quantit di materia. La sua unit di misura nel SI il kg, ma si user pi frequentemente il g (1 g = 10-3 kg; 1 mg = 10-6kg)

Volume: lunit di misura nel SI il metro cubo m3. Utilizzeremo maggiormente il litro (1 l = 10-3 m3 = 103 cm3) Pressione: lunit di misura nel SI il Pascal Pa. Utilizzeremo maggiormente latmosfera atm 1 atm = 1.01325 105 Pa = 1.01325 bar

Misure: grandezze e unit



Regole sulle cifre significative



Misure: ordini di grandezza


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