Alessandro Saba

Lezione 5: Chimica

Insegnamento:BIOCHIMICA E BIOLOGIA

Modulo:CHIMICA E BIOCHIMICA

dalla Lezione 4

Esercizi

Bilanciare le seguenti reazioni:

H2SO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O

MnO2 + Br- + H+ = Mn2+ + Br2 + H2O

MnO4- + Sn2+ + H+ = Mn2+ + Sn4+ + H2O

Lezione 5

Classificazione delle Reazioni Chimiche (1)

In base alle trasformazioni dei reagenti le reazioni siclassificano in:

1- REAZIONI DI COMBINAZIONE o SINTESI:

A + B ⇄ AB

Es: Fe + S ⇄ FeS2Na + Cl2 ⇄ 2NaCl4Al + 3O2 ⇄ 2Al2O3

CaO + SO3 ⇄ CaSO4

Classificazione delle Reazioni Chimiche (2)

2- REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE:

AB ⇄ A + B

Es: CaCO3 ⇄ CaO + CO2

2H2O2 ⇄ 2H2O + O2

2NaClO ⇄ 2NaCl + O2

Classificazione delle Reazioni Chimiche (3)

3- REAZIONI DI SCAMBIO SEMPLICE:

A + BC ⇄ AC + B

Es: 2K + 2H2O ⇄ 2KOH + H2

H2 + Ag2O ⇄ 2Ag + H2OZn + H2SO4 ⇄ ZnSO4 + H2

Classificazione delle Reazioni Chimiche (4)

4- REAZIONI DI DOPPIO SCAMBIO:

AB + CD ⇄ AD + CB

Es: NaBr + AgNO3 ⇄ NaNO3 + AgBrCuSO4 + CaCl2 ⇄ CuCl2 + CaSO4

Ca(OH)2 + Na2SO4 ⇄ CaSO4 + 2NaOH

Equilibrio ChimicoData la reazione aA + bB ⇄ cC + dD

1. Situazione iniziale: presenza solo di A e B chereagiscono ad un determinata velocità (aA + bB → ).

2. Progressione della reazione: si formano i prodotti, laconc. dei reagenti diminuisce e la velocità dellareazione tende a diminuire (aA+ bB → cC+ dD).

3. A mano a mano che i prodotti si formano, iniziano areagire tra loro per produrre nuovamente i reagenti.(aA+ bB cC+ dD).

4. Equilibrio chimico: aA + bB cC + dD, si raggiungedopo un certo tempo.

La Condizione di Equilibrio

L’equilibrio chimico è una situazione dinamica: la velocitàdella reazione diretta = velocità della reazione inversa.Alla condizione di equilibrio, che si raggiunge dopo un certotempo dall’inizio della reazione, nell’unità di tempo laquantità di reagenti che si trasforma in prodotti è = allaquantità di prodotti che si trasforma in reagenti.

Per ogni reazione all’equilibrio esiste una relazionecostante fra le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti,che è indipendente dalle concentrazioni iniziali di reagentie prodotti. Tale relazione è detta costante di equilibrio(Keq).

La Costante di Equilibrio

Per una generica reazione

aA+bB ⇄ cC+dD

La costante di equilibrio (Keq), è:

Keq alta la reazione spostata a destraKeq bassa la reazione è spostata a sinistra

ba

dc

eq [B][A][D][C]K

Principio di Le Châtelier

Quando un sistema all’equilibrio viene perturbato, ilsistema reagisce in modo da opporsi allaperturbazione.

Se viene variato uno dei fattori che governano lo statodi equilibrio di un sistema, il sistema si modifica inmodo da minimizzare quella variazione.

La perturbazione è solitamente data da variazioni ditemperatura, concentrazione dei reagenti o deiprodotti, pressione (condizioni di reazione).

Stati della Materia

La materia può presentarsi in uno di 3 stati a secondadelle forze di coesione tra le particelle che locompongono:

SOLIDO LIQUIDO GASSOSO

Cambiamento di Stato

Fenomeno puramente fisicoche comporta il passaggio diuna sostanza da uno stato diaggregazione ad un altro.

Punto (o temperatura) difusione.

Punto (o temperatura) diebollizione.

Punto (o temperatura) disublimazione.

Stato SolidoI solidi presentano una struttura cristallina, in cui le particelle sidispongono secondo uno schema geometrico regolare (reticolo cristallino)

SOLIDI MOLECOLARI: le forze di coesione tra le molecole del reticolosono deboli (forze di Van der Waals, legami ad idrogeno). Es: ghiaccioSOLIDI IONICI: le particelle costituenti il reticolo sono anioni e cationi,che sono uniti da interazioni elettrostatiche. Es: NaClSOLIDI METALLICI: le molecole del reticolo sono cationi metallici,tenuti insieme dal legame metallico (sono duttili e malleabili). Es:tungsteno, ferro, rame, sodioSOLIDI COVALENTI: il reticolo è formato da atomi uniti tra loro dalegami covalenti. Es: diamante (costituito da atomi di C)

Stato Liquido

I liquidi:- sono fluidi,

- non si espandono,

- sono incomprimibili,

- hanno proprietà di superficie: a causa dellatensione superficiale i liquidi tendono aminimizzare la loro superficie (le goccie diacqua sono sferiche). I tensioattivi riducono latensione superficiale.

La Tensione SuperficialeE’ una misura delle forze di attrazione a cui sono soggette le molecoledello strato superficiale di un liquido da parte delle molecolecircostanti.

Particella A: è soggettaalle forze di interazionecon altre molecole disolvente (legami a H2 perH2O) su 360º.

Particella B: interagiscequasi esclusivamente conle particelle che si trovanoal di sotto della superficieinterfasica. Le forze chela trattengono nel liquido sono maggiori di quelle esercitate dai gas.

Liquidi: Pressione di Vapore

Particelle in continuo movimento. L’energia media delle particelle dipende

dalla T. Cambiamento di stato sulla superficie

(evaporazione)

PRESSIONE DI VAPORE: costante ad unadata T. E’ caratteristica per ciascun liquido

PUNTO DI EBOLLIZIONE: è la T allaquale la pressione di vapore uguaglia lapressione atmosferica. L’ebollizione non èsolo un fenomeno di superficie ma riguardatutto il liquido. Dipende dalla pressioneatmosferica.

Liquidi: Pressione di Vapore

Stato Gassoso

I gas:- comprimibili,

- miscibili (in qualsiasi rapporto con altri gas),

- si espandono ad occupare tutto il volume posto aloro disposizione. Se racchiusi in un recipiente,esercitano contro le sue pareti una pressione.

La pressione si misura con un manometro e si indicain mmHg o torr (1 atm=760 torr).

Gas e Vapore

Temperatura critica (Tc) : temperatura al di sopra dellaquale i gas non possono essere condensati con unaumento della pressione.

Un Vapore può essere condensato per semplicecompressione, senza variare la temperatura; un Gas,invece, (es. O2, H2, …) può essere portato allo statoliquido per compressione, solo se la sua temperaturaviene abbassata al di sotto di Tc.

Es.: Tc di H2O: 647 K = 347 ºC)

Gas Ideali (o Perfetti)

Caratteristiche:

- il volume delle molecole di gas è trascurabile;- l’energia cinetica delle particelle rimane costante nel

tempo (gli urti sono elastici, cioè non si ha perdita dienergia durante l’urto);

- le forze di attrazione e repulsione fra le molecolesono nulle.

Leggi dei Gas

LEGGE DI BOYLEa temperatura costante (T),la pressione (P) e il volume(V) di un gas ideale sonoinversamente proporzionali.

LEGGE DI CHARLESa pressione costante, V e Tdi un gas sono direttamenteproporzionali.

LEGGE DI GAY-LUSSACa volume costante, P e T diun gas sono direttamenteproporzionali.

Trasformazione Isoterma

Trasformazione Isocora

Trasformazione Isobara

Legge di Stato dei Gas Ideali

Combina le 3 leggi precedentemente descritte:

P V = n R T

dove: P in atm

V in Litri

n numero di moli di gas (=quantità di gas)

T in Kelvin (=ºC+273)

R costante universale dei gas(0.0821 atm*L/mol*K)

Principio di Avogadro (1811)

“Volumi uguali di gas diversi, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di particelle”

ovvero

Alla stessa T e P, una mole di un qualsiasi gas occupasempre lo stesso volume.

Il Volume molare standard a STP (T = 273 K; P = 1 atm) è22.43 Litri

PTR n V

Esercizio

Testo:Calcolare il volume occupato da 100 g di O2 a 1 atm e allaT=27 ºC.

Risoluzione:Legge dei gas ideali: PV=nRT V=nRT/Pdove: n=100/PM (O2)

P=1 atmT= 27+273=300 KR= 0.0821 L*atm/K*mol

V = 76 L

Miscele di Gas

Legge di Dalton (o delle pressioni parziali)La pressione totale esercitata da una miscela di gas èdata dalla somma delle pressioni parziali esercitate daogni singolo componente della miscela:

Ptot = PA + PB + PC + …

Pressione Parziale di un Gas: è la pressione che quel gaseserciterebbe se fosse da solo nello stesso volume. Peril principio di Avogadro, dipende dalla frazione molare diquel componente della miscela

PA = nA/ntot ∙Ptot

Alcuni Esercizi

Leggi dei Gas

Legge di Boyle: P•V=K

Legge di Charles: V=K•T

Legge di Gay-lussac: P=K•T

Legge di stato: P•V=n•R•T P in atm (1 atm = 760 torr)T in KV in Ln in moliR=0,0821 atm•L/moli•K

Volume molare standard: 22,43 L (a P=1 atm, T=273,15 K)

Esercizio 1450 ml di un gas si trovano alla pressione 745 torr. Qualevolume occupa il gas alla pressione di 785 torr, alla stessatemperatura?

Risultato: Vx=427 ml

Esercizio 2Il volume di un gas a 25 ºC è di 5 L. Calcolare il volume allastessa pressione e a una temperatura di 150 ºC.

Risultato: Vx=7,09 L

Esercizio 30,75 L di gas si trovano alla pressione di 3 atm e alla T di 30 ºC.Determinare la nuova temperatura se il gas viene portato allapressione di 10 atm e al volume di 2 L.

Risultato: Tx=2693 K

Esercizio 4Calcolare il numero di moli di un gas che occupa in condizionistandard (STP) un volume di 7 L.Risolvere utilizzando la legge di stato dei gas, oppure il volumemolare standard.

Risultato: nx=0.31 moli