"Laboratorio didattico di scienze chimiche"

TFA - 2013

Il materiale didattico presentato è di uso esclusivamente personale: NON deve essere trasferito a terzi né diffuso pubblicamente

Il materiale didattico non riporta fedelmente quanto discusso durante le lezioni ma ne costituisce solo un promemoria.

La Tavola Periodica

Proprietà periodiche Gli elementi possono essere ordinati in una

tavola secondo il numero atomico crescente.Ogni riga (Periodo) riporta gli elementi aventi

l’ultimo e- in sottolivelli con energia simile.Ogni colonna (Gruppo) contiene elementi con

uguale configurazione elettronica cioè con lo stesso # di e- in orbitali esterni di uguale tipo.

Il comportamento chimico di un elemento dipende soltanto dal numero di e- presenti

nel livello energetico più esterno, detto livello di valenza .

Regola dell’

ottetto

Un atomo tende a cedere, acquistare o condividere

elettroni con altri atomi per raggiungere la

configurazione elettronica esterna di otto e- s2p6

ovvero quella simile al gas nobile più vicino e perciò

di minima energia.Con gli atomi del terzo

periodo questa regola non sempre è rispettata.

Composti Inorganici e loro Nomenclatura Composti binari :

Metallo – Idrogeno IdruroIdrogeno – non.Metallo IdracidoMetallo – Ossigeno Ossidonon.Metallo – Ossigeno AnidrideOssido + Idracido Acqua + Sale

Composti ternari :

Ossido + Acqua IdrossidoAnidride + Acqua Ossiacido(Idr-)Ossido + Anidride SaleIdrossido + Ossiacido Acqua + Sale

Metallo – Idrogeno IdruriNaH ~ ionico Na+ H- idruro di sodio CaH2 ionico Ca2+ H- idruro di calcio

Idrogeno – non.Metallo Composti binari con nomenclatura comune

BH3 c. polare δ+ B–H δ- boranoCH4 c. puro C–H metanoNH3 c. polare δ- N–H δ+ ammoniacaH2O c. polare δ- O–H δ+ acquaH2O2 c. polare δ- O–H δ+ acqua ossigenata

Metallo – Ossigeno OssidiLi2O ~ ionico Li+ O2- ossido di litioCaO ionico Ca2+ O2- ossido di calcioAl 2O3 ionico Al3+ O2- ossido di alluminioFe2O3 ionico Ca2+ H- ossido di ferro (III)

Idrogeno – non.Metallo IdracidiHF c. polare δ+ H–F δ- acido fluoridricoHCl c. polare δ+ H–Cl δ- acido cloridricoH2S c. polare δ+ H–S δ- acido solfidricoHCN c. polare δ+ H–C δ- acido cianidrico

Ossigeno – non.Metallo Anidrid iB2O3 c. polare δ+ B–O δ- ossido di boroN2O5 c. polare δ+ N–O δ- anidride nitricaP2O5 c. polare δ+ P–O δ- anidride fosforicaCO2 c. polare δ+ C–O δ- anidride carbonicaSiO2 c. polare δ+ Si–O δ- siliceSO2 c. polare δ+ S–O δ- anidride solforosaSO3 c. polare δ+ S–O δ- anidride solforica

Ossido + Acqua IdrossidiNa2O + H2O 2 (Na+ OH-) idrossido di sodioK2O + H2O 2 (K+ OH-) idrossido di potassioCaO + H2O Ca2+ (OH-)2 idrossido di calcio

Anidride + Acqua OssiacidiB2O3 + 3 H2O 2 H3BO3 acido boricoN2O5 + 2 H2O 2 HNO3 acido nitricoP2O5 + 3 H2O 2 H3PO4 acido fosforicoCO2 + H2O 2 H2CO3 acido carbonicoSiO2 + 2 H2O H4SiO4 acido ortosilicicoSO2 + H2O H2SO3 acido solforosoSO3 + H2O H2SO4 acido solforico

Ossido + Idracido SaleNa2O + 2 HCl 2 Na+ Cl- cloruro di sodioCaSO4 + H2S Ca2+ SO4

2- solfato di calcio

LE REAZIONI CHIMICHEUn processo di trasformazione della materia organica

viene detto reazione; i composti iniziali si chiamano reagenti e quelli finali prodotti.

Tipi di reazione: combinazione , decomposizione , scambio , ossido -riduzione .

• in una reazione di combinazione due reagenti si uniscono a formare un unico prodotto

• in una reazione di decomposizione un unico reagente si scinde a dare due prodotti

• in una reazione di scambio due reagenti si scambiano uno o più atomi dando luogo a due nuovi prodotti.

• In una reazione di ossido -riduzione un elemento cede elettroni ed un altro li acquista cosicché il loro numero di ossidazione varia.

Composti Ionici e Molecolari• Formazione del cloruro di sodio :

• Formazione dell’acido cloridrico :

Due non-metalli condividono elettroni e formano una molecola.

Na• + → Na+ [ ]Cl• •

• •

• •

• •Cl

• •

• •

• ••

H• + Cl• •

• •

• •• → Cl

• •

• •

• •

• •H

Un metallo dona elettroni ad un nonmetallo per formare un composto ionico. I composti ionici formano un reticolo di ioni positivi e negativi tenuti insieme da forze elettrostatiche.

Composti molecolari

La più semplice molecola è H2: la coppia di e- condivisi costituisce un legame covalente

Gli elettronisi trovano fra i due nuclei e li uniscono. Il legame

covalente è direzionale !

Elettronegatività

Nella tavola periodica l’elettro-negatività aumenta lungo un periodo e diminuisce lungo un gruppo.

Per Elettronegatività si intende l’abilità di un atomo in una molecola diattrarre elettroni condivisi. Carbonio e Idrogeno hanno valori simili perciò sipuò ritenere che fra essi si instauri un legame covalente puro cioè apolare.

I composti apolari non sono miscibili con quelli po lari.

Legami covalente puro e polare• Per polarità si intende una separazione di carica

positiva e negativa. In un legame covalente puro, gli elettroni sono equamente condivisi:

HCl:

• In un legame covalente polare, gli elettroni non sono equamente condivisi a causa del diverso Zeff.

H2,Cl2:

Un legame polare è

rappresentato usando cariche

parziali :

δ+ , δ-

e il segno di

dipolo

Polarità di Legame

LEGAME DIPOLO – DIPOLO (forze di Van der Waals) ~ 2-3 kJ/mole

bp = 78°

propano bp = – 42 °

bp = – 25°

LEGAME dipolo istantaneo – dipolo indotto (forze di London) ≤ 1 kJ/mole

Sono dovute a spostamenti istantanei della distribuzione simmetrica della nuvola di e-in un legame covalente puro, uno spostamento ne induce altri nelle molecole circostanti. Pur essendo debolissime, diventano forze rilevanti nelle macromolecole.

Sono forze di tipo coulombiano che si instaurano fra composti che mostrano un dipolo permanente. Analogamente alla forze di London, sono adirezionali.

LEGAME IDROGENO

bp = 118°

bp = 20°

Il protone è la particella con la più elevata densità di carica elettrica positiva e coincide con lo ione H+ .Quando l’idrogeno si trova legato ad un atomo molto elettronegativo e dotato di coppia solitaria come F, O, N si verifica contemporaneamente che il suo elettrone è attratto dall’atomo cui è legato in maniera covalente e il suo nucleo è attratto dalla coppia solitaria di un atomo di una molecola vicinissima. La sua energia (in kJ/mole) è circa 30 per HF, 20 per H2O e 15 per NH3 .

Fortemente direzionale

Chimica Organica = Chimica delCarbonio Mc Murry

“Fondamenti di Chimica Organica”Zanichelli

La Chimica Organica è la chimica dell’elemento Carbonio . Esso può formare un numero infinito di molecole organiche e il segreto sta in:

• Formazione di catene stabili di legami C−C• Estensione tridimensionale delle molecole che deriva

dalla geometria tetraedrica dei ben quattro legami covalenti possibili ( ISOMERIA e STEREOCHIMICA)

• Sullo scheletro carbonioso, costituito solo da atomi di C e H e poco reattivo, possono innestarsi legami tra C ed eteroatomi (O, N, S, P e alogeni) che cambiano radicalmente le proprietà chimiche dei composti

• Il doppio legame C=O svolge il duplice ruolo di punta di attacco e di bersaglio quando 2 molecole formano un nuovo legame C−C e così si combinano in 1 sola

• Il riconoscimento molecolare consente interazioni specifiche ed esclusive fra due molecole benché esse si trovino in mistura con molte altre

Tetraedro

Un atomo di carbonio tetraedrico legato a quattro gruppi diversi forma due distinte molecole. Esse differiscono unicamente perché sono immagini speculari.

Questa proprietà viene indicata

con il termine di chiralità o

enantiomeriamentre le due molecole sono

dette enantiomeri .

Gruppi Funzionali dei Composti Organici

alchilico

Idrocarburi

Legame singolo Carbonio – Eteroatomo

W

W

W

W

W miscibile in acqua se # C ≤ 3

Carbonile

C=O

Si definisce Gruppo Funzionale il gruppo di atomi dentro una

molecola che possiede proprietà

chimiche distintive e conferisce reattività

caratteristica.

R indica uno o una catena di atomi di carbonio.

W

W

W

W

CarboidratiHanno tutti formula bruta CnH2nOn e comunemente sono

detti zuccheri. Si suddividono in monosaccaridi, disaccaridi e polisaccaridi.

Nei carboidrati tutti gli atomi di carbonio portano un gruppo ossidrilico e sono chirali, il metodo più semplice per rappresentarli è la proiezione di Fischer : la catena viene scritta verticalmente con il gruppo carbonilico in alto mentre gli idrogeni e gli ossidrili si scrivono orizzontalmente.

Glucosio

[αααα]D = + 52°in H 2O

[αααα]D = + 112°in H 2O [αααα]D = + 19°in H 2O

<═ p.f. 146 °C , MeOH

p.f. 150 °C , AcOH ═>

Il glucosio, il fruttosio e gli altri zuccheri naturali appartengono tutti alla serie della D-( R )-(+)-gliceraldeide. Il (+)-glucosio è forse il composto organico più abbondante sulla Terra invece la sua immagine speculare è assente.

Saccarosio E’ il disaccaride più noto. Per idrolisi acida fornisce una miscela di glucosio e fruttosio che ha [α]D = -22°ed è detta “zucchero invertito”; in natura si trova nel miele. Il fruttosio puro ha [α]D = -92°

[αααα]D = + 66°in H 2O

Maltosio e CellobiosioIl maltosio ed il cellobiosio sono disaccaridi che si ricavano rispettivamente dall’amido e dalla cellulosa mediante parziale idrolisi acida ; entrambi sono costituiti da due unità di glucosio unite da un legame semplice C1-O-C4 . La differenza fra i due è data dalla configurazione al C1 : nel maltosio è di tipo αααα- (O in giù) , nel cellobiosio è di tipo ββββ- (O in su).

Lattosio

Il lattosio è un disaccaride presente solo nel latte in % diverse tra i vari mammiferi. I micro-organismi dello yoghurt lo scindono negli zuccheri

semplici glucosio e galattosio.

Amilosio Amilopectina GlicogenoL’amido è costituito al 10-30% di amilosio eal 70-90% di amilopectina. Nell’amilosio leunità di glucosio sono unite da un ossigenoa ponte di tipo αααα che non giace nel pianodell’anello bensì perpendicolare ad esso.Invece di una catena diritta si forma unacatena curva. Le catene non sono benadiacenti ed i legami idrogeno sono pochi.L’amilosio è friabile e poco solubile inacqua dove assume una conformazioneelicoidale e forma, come l’amilopectina,una sospensione micellare.

Nell'amilopectina e nel glicogeno le catenelineari di glucosio (legami (1�4)-α-glicosidici)sono ramificate (legami (1�6)-α-glicosidici).Nell'amilopectina le ramificazioni si ripetonoogni 25-30 unità di glucosio nel glicogeno leramificazioni si ripetono ogni 8-12 unità diglucosio. Gli enzimi animali sono in grado discindere i legami (1�4)-α-glicosidici ma NON ilegami (1�4)-β-glicosidici.

Cellulosa

Nella cellulosa le unità di glucosio sono unite da un ossigeno a ponte tipo ββββ e ruotano alternativamente l’una rispetto all’altra perciò la catena diventa diritta. Si formano molti legami idrogeno fra catene adiacenti : la cellulosa è resistente, insolubile in acqua, non digeribile.

Lipids may be broadly defined as hydrophobic or amphipathic smallmolecules that originate entirely or in part by carbanion-b ased condensationsof thioesters and/or by carbocation-based condensations o f isoprene units .

Fahy E., Subramaniam S., Murphy R., Nishijima M., Raetz C., Shimizu T., Spener F., van Meer G., Wakelam M. and

Dennis E.A. Update of the LIPID MAPS comprehensive classification syst em for lipids . J. Lipid Res. 50: S9-S14, (2009).

• Lipids derived from ketoacyl units

– Fatty acids (inc. Prostaglandins and wax esters)

–

Acylglycerols–

Phospholipids–

Sphingolipids–Saccharolipids–

Polyketides

CR

O

• Lipids derived from isoprene units

– Sterols– Prenols (inc. terpenes and Fat Soluble Vitamins)

• Mixtures

– LipoproteinsH3C

CH2

CH3

H

semplici e neutri, riserva o regolatori

complessi e polaristrutturali (membrana)

– neutri, regolatori

– neutri, regol. o strutt.

Lipidi

Punto di fusione: aumentacon l’allungarsi della catenaalifatica, diminuisce con lapresenza di doppi legamiPrincipali acidi grassi naturali

Acidi grassi

La configurazione del doppio legame è sempre cis perciò i grassi insaturi naturali non hanno una struttura diritta ma formano una piega.

Gli acidi linoleico, linolenico ed arachidonico sono detti grassi essenziali perché non sono sintetizzati dall’organismo umano e vanno assunti con la dieta.

ACIDI GRASSI: Proprietà fisiche• Punto di fusione aumenta con l’allungarsi della catena

alifatica• La presenza di doppi legami causa l’abbassamento del

punto di fusione (per l’isomero cis)

Trigliceridi

I trigliceridi sono i più diffusi acilgliceroli : tre legami estere uniscono tre acidi grassi ad una molecola di glicerina. I tre acidi possono essere uguali o diversi. Quando almeno un acido è insaturo la molecola non riesce ad avvicinarsi stretta a quelle adiacenti, essa sarà liquida a temperatura ambiente ossia è un olio.

SAPONILa reazione di idrolisi basica degli

acilgliceroli è detta saponificazione. Si ottiene il glicerolo e i sali metallici

degli acidi grassi. Questi ultimi in acqua formano micelle cioè gocce idrofile in superficie ma idrofobe all’ interno dove si possono inglobare altri composti insolubili in acqua.

Meccanismo

d’azione dei

saponi

oli alimentari : profilo acidi grassi SATURI / INSATURI