CHIMICA prof 2 - Istituto B. Pascal

CHIMICA
ISTITUTO PASCAL
Moduli
• Atomi, elementi e composti; la materia e i suoi
stati di aggregazione
• La tavola periodica
• I legami chimici; le reazioni chimiche
• Le soluzioni; acidi e basi
• La pila e l’elettrolisi
• La chimica organica o del carbonio e i composti
• Le biomolecole
Atomi, elementi e composti
Nei secoli scorsi, con il termine atomo si indicava la più piccola parte di un
elemento chimico che non poteva essere scissa ulteriormente.
Un elemento chimico contiene solamente una specie di atomo.
Studi recenti hanno invece dimostrato che l’atomo può essere diviso
ulteriormente e la sua struttura è simile a quella del sistema solare (il sole al
centro dell’universo e i pianeti che ruotano attorno al sole occupando orbite
ellittiche ben definite da determinate leggi onde impedire che si urtino tra di
loro).
Struttura dell’atomo
Parlando della struttura atomica, si ricorda che in un atomo sono presenti i protoni, gli
elettroni e i neutroni. I protoni e i neutroni sono contenuti nel nucleo mentre gli
elettroni ruotano attorno al nucleo percorrendo orbite ellittiche ben definite.
I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni hanno carica elettrica negativa e i
neutroni hanno carica elettrica neutra.
Un atomo è caratterizzato da un numero atomico (A) che indica il numero dei protoni
e da un numero di massa (Z) che indica la somma dei protoni e dei neutroni presenti
in un atomo.
Il numero dei protoni è identico a quello degli elettroni mentre quello dei neutroni
può variare. Questa caratteristica ha introdotto il termine di isotopi. Gli isotopi di un
atomo hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni e diverso numero dei neutroni.
Un esempio è rappresentato dal carbonio. Il carbonio possiede 6 protoni e 6 elettroni,
mentre i neutroni possono essere 6 oppure 7 oppure 8 e si parla di carbonio 12,
carbonio 13 e di carbonio 14.
Configurazione elettronica
La configurazione elettronica rappresenta la modalità tramite la quale gli elettroni si
dispongono attorno al nucleo , percorrendo orbite ellittiche ben definite e caratterizzate da
livelli energetici minimi. Il primo livello energetico (più vicino al nucleo) contiene solamente
2 elettroni mentre il secondo ne contiene 8. I livelli energetici sono indicati con le lettere
minuscole: s, p, d. f. Per esempio, l’atomo di ossigeno (O) contiene 8 elettroni e la sua
configurazione è scritta in questo modo: 1s2 2s2 2p4 , 2 elettroni nel primo livello e 6 nel
secondo. Il potassio (K) ha 19 elettroni e la sua configurazione è scritta così: 1s2 2s2 2p6
3s2 3p6 4s1 cioè 2 elettroni nel primo livello, 8 nel secondo e nel terzo, 1 nel quarto. Il
numero degli elettroni presenti nel livello energetico più esterno è conosciuto come
numero di valenza. Il numero di valenza indica quanti elettroni sono disponibili per un
determinato atomo per formare legami chimici con altri elementi. Tutti gli elementi con lo
stesso numero di valenza sono disposti nello stesso gruppo della tavola periodica.
I composti chimici sono sostanze formate da due o più elementi chimici quando gli atomi
di elementi diversi sono uniti tramite legami chimici; per esempio 2 atomi di idrogeno (H) si
legano a un atomo di ossigeno e danno origine all’acqua. Un miscuglio è formato da due o
più sostanze mischiate tra di loro, ma che non sono unite da legami chimici.
Gli stati di aggregazione della materia e i passaggi di stato
La materia si presenta in tre stati di aggregazione: stato solido (la materia
possiede una propria forma e un proprio volume); stato liquido (la materia ha
un proprio volume e la forma del recipiente in cui è contenuta): stato gassoso
(la materia non ha né forma né volume). Questi tre stati sono intercambiabili:
somministrando calore a un solido, in modo da spezzare le forze che tengono
uniti gli elementi, la materia passa dallo stato solido allo stato liquido
(fusione) e dallo stato liquido a quello gassoso (evaporazione). Sottraendo
calore a un gas, in modo da favorire l’instaurarsi di forze che tengono uniti gli
elementi, si passa dallo stato gassoso a quello liquido (liquefazione) e dallo
stato liquido a quello solido (solidificazione). La materia può passare dallo
stato solido a quello gassoso senza la fase intermedia rappresentata dallo
stato liquido (esempio la naftalina) e viceversa.
La tavola periodica
La tavola periodica rappresenta una modalità utilizzata per rappresentare
graficamente gli elementi chimici in base al numero dei protoni (p)) presenti. Il
numero dei protoni presenti è identico a quello degli elettroni (e). Il numero degli
elettroni determina le proprietà degli atomi. Gli elementi con proprietà simili sono
disposti verticalmente nella stessa colonna, definita gruppo. Gli elementi dello stesso
gruppo hanno la stessa valenza. Nella tavola periodica gli elementi con la stessa
configurazione elettronica nel livello energetico interno sono disposti in senso
orizzontale e formano i periodi. A sinistra sono presenti i metalli sono malleabili,
duttili, buoni conduttori di calore ed elettricità), al centro i metalli di transizione
(presentano proprietà dei metalli e dei non-metalli in base alla valenza considerata; da
ricordare che alcuni elementi come il ferro dal simbolo Fe e il rame dal simbolo Cu
hanno diversi valori di valenza), a destra i non-metalli (una linea li separa dai metalli),
infine gli alogeni (fluoro, cloro, bromo , iodio: elementi biatomici, formati dall’unione
di due atomi) e i gas nobili (estremamente poco reattivi in quanto hanno valenza 0
poiché nel livello energetico più esterno contengono 8 elettroni raggiungendo una
configurazione energetica stabile).
I composti chimici
I metalli si legano con l’ossigeno dando origine agli ossidi basici (esempio, CaO o
ossido di calcio) che, diluiti in acqua, producono le basi (esempio, idrossido di calcio
avente formula Ca(OH)2]. I non.metalli si legano con l’ossigeno dando origine agli
ossidi acidi, chiamati anche anidridi (esempio, lo zolfo dal simbolo S si lega con l’O e
può produrre due composti: SO2 o anidride solforosa e SO3 o anidride solforica).
Queste anidridi diluite in acqua producono l’acido solforoso (H2SO3) e l’acido
solforico (H2SO4). Questi acidi sono detti ossiacidi. Quando il non-metallo è presente
nel suo stato di valenza inferiore, si usa il suffisso –oso, quando è presente nel suo
stato di valenza superiore si usa il suffisso –ico. Quando un non-metallo possiede più
stati di valenza, il composto in cui il non-metallo è presente nello stato di valenza
minimo, si indica in questo modo: acido ipocloroso; quando è presente nello stato di
valenza massimo, il composto si indica così: acido perclorico.
L’idrogeno si lega con gli alogeni (F, Cl, Br, I) per dare origine a composti binari chiamati
idracidi (acido fluoridrico dalla formula HF, acido bromidrico dalla formula HBr, acido
cloridrico dalla formula HCl, acido iodidrico dalla formula HI(.
I legami chimici
Gli atomi possono stabilire tra di loro dei legami e formare dei composti. Durante la
formazione di un legame, gli elettroni presenti nel livello energetico più esterno
(chiamato anche guscio) possono essere trasferiti da un atomo a un altro atomo
(diverso dal primo) oppure essere equamente condivisi tra due atomi della stessa
specie (vedi gli alogeni). Per comprendere la natura di un legame, è necessario
introdurre il concetto di elettronegatività. Con tale termine, si indica la tendenza di un
atomo ad attirare nella propria orbita gli elettroni impegnati nella formazione del
legame. In un periodo aumenta da sinistra a destra e , quando la differenza tra due
diversi elementi è uguale o supera il valore 1,37 si parla di legame ionico; invece
quando è inferiore si parla di legame covalente. Il legame ionico si stabilisce tra due
atomi quando gli elettroni di un atomo sono trasferiti a un atomo diverso (esempio, il
cloruro di sodio o NaCl). Il legame covalente si forma in genere tra due non-metalli e
gli elettroni sono equamente condivisi (vedi gli alogeni, l’ossigeno e l’idrogeno).
Legami chimici si possono stabilire anche tra due composti: ricordiamo il legame a
idrogeno in cui due atomi di idrogeno appartenenti a due diverse molecole d’acqua
stabiliscono un ponte tra loro. Questo legame è tipico delle biomolecole.
Le reazioni chimiche
Le reazioni chimiche possono essere:
1. Sintesi (due o più elementi si uniscono e danno origine a un composto; esempio
l’H e L’O formano l’acqua dalla formula H2O)
2. Decomposizione ( gli elementi presenti nel compostosi separano; esempio, il
monossido di carbonio dalla formula CO si scinde in C e O)
3. Semplice scambio (quando due sostanze si scambiano un elemento; esempio, nella
reazione tra Fe e acido solforico dalla formula H2SO4 si forma la molecola
biatomica di H2 e solfato di ferro la cui formula è Fe2SO4)
4. Doppio scambio (quando due sostanze si scambiano alcune componenti; esempio,
l’acido cloridrico dalla formula HCl e l’idrossido di sodio dalla formula NaOH
reagiscono tra loro e formano il cloruro di sodio dalla formula NaCl e H2O)
5. Ossifdoriduzioni (quando gli elettroni sono trasferiti da un atomo di una sostanza a
un atomo di un’altra sostanza)
La formula empirica indica quali atomi sono presenti in un composto. La formula
molecolare quanti atomi di un elemento sono presenti in una molecola o in una
sostanza. La molecola è la parte più piccola di una sostanza.
Le soluzioni
Le soluzioni sono miscugli omogenei formati da un solido e un liquido oppure da due
liquidi miscelati tra loro. Quando si parla di soluzioni, si introducono i concetti di :
solvente, soluto, crioscopia, ebullioscopia. Il solvente è la sostanza che diluisce, il
soluto la sostanza che è diluita. La crioscopia consiste nella diminuzione del punto di
fusione, l’ebullioscopia nell’aumento del punto di ebollizione. Un esempio di
soluzione è rappresentato dal sale da cucina (NaCl o cloruro di sodio) sciolto in acqua.
Aggiungendo un cucchiaio di sale all’acqua, il cloruro di sodio si scinde nei componenti
iniziali Na e Cl. Sia il sodio sia il cloro stabiliscono dei rapporti con le molecole d’acqua
in modo che ogni atomo di sodio e ogni atomo di cloro siano circondati da molecole
d’acqua. In questo processo, il sodio e il cloro sono presenti sotto forma di ioni: il
sodio ha una carica elettrica positiva, il cloro una carica elettrica negativa. Entrambi si
legano all’acqua con la parte avente carica elettrica opposta ( il Na con il polo negativo
della molecola d’acqua, il Cl con il polo positivo9, per cui si parla di ioni solvatati.
Quando il sale aggiunto supera una determinata concentrazione, la quantità
eccedente non entra in soluzione, ma si deposita come corpo di fondo. In questo caso,
si dice che la soluzione è satura.
Il pH; acidi e basi
La scala pH rappresenta una scala che va da 0 a 14 punti e serve a determinare il
gradiente di acidità o di basicità di una soluzione. Valori inferiori a 7 corrispondono
all’acidità della soluzione, il valore 7 è neutro, valori superiori a 7 indicano che la
soluzione è basica. Quando un acido è diluito in H2O, libera ioni H+ aventi carica
elettrica positiva in quanto hanno perso un elettrone. Gli ioni H+ liberati conferiscono
il grado di acidità. Tanto più elevata è la concentrazione di ioni H+ liberati, maggiore è
la forza dell’acido. Gli acidi forti hanno valori di pH minimi e sono completamente
dissociati nei componenti iniziali (esempio l’acido cloridrico avente formula HCl
totalmente dissociato in ioni H+ e ioni Cl-). Un acido può essere definito un donatore
di ioni H+; una base può essere definita come un accettore di ioni H+. Quando una
base è diluita in H2O, libera ioni idrossido (OH). La forza di una base è direttamente
proporzionale alla concentrazione di ioni idrossido liberati: tanto più elevata è la loro
concentrazione, maggiore sarà la forza della base (esempio l’idrossido di sodio avente
formula NaOH completamente dissociato in ioni Na+ e ioni OH-). Un acido può reagire
con una base e produrre un sale e acqua. Questo processo si chiama neutralizzazione:
gli ioni H+ dell’acido sono neutralizzati dagli ioni OH- della base.
La pila e l’elettrolisi
La pila è un dispositivo ottenuto tramite l’utilizzo di energia chimica convertita in
energia elettrica (durante le reazioni di ossido-riduzione, il flusso di elettroni che si
crea, migrando da una specie atomica a una diversa, genera un campo elettrico
sfruttato per esempio per il funzionamento degli apparecchi elettrici come lettori di
CD, orologi e cellulari).
L’elettrolisi (rottura con la corrente elettrica) consiste nel procedimento opposto: è un
processo di decomposizione tramite il quale le sostanze sono decomposte ricorrendo
al passaggio dell’energia elettrica. Quando si parla di elettrolisi, si introducono i
concetti di: elettroliti (sostanze chimiche che sono in grado di condurre la corrente
elettrica e possono essere decomposte durante l’elettrolisi), elettrodi (dispositivi in
carbonio o grafite attraversati dalla corrente elettrica o che rilasciano gli elettroliti),
catodo (elettrodo carico negativamente), anodo (elettrodo carico positivamente).
Durante l’elettrolisi, il flusso di elettroni migra dalla batteria al catodo. In una
soluzione, gli ioni carichi positivamente migrano al catodo, quelli carichi
negativamente all’anodo. Gli ioni carichi positivamente acquisiscono elettroni dal
catodo con conseguente produzione di metalli o di idrogeno.
Chimica organica
La chimica organica si occupa dei composti del carbonio. L’atomo di C è in grado di
formare forti legami covalenti in modo da dare origine a varie molecole caratterizzate
da catene più o meno lunghe di atomi di carbonio legati tra loro. I composti derivati
dall’unione di atomi di C e di H sono chiamati idrocarburi. Gli idrocarburi si classificano
in alifatici (catene lineari di atomi di C legati tra loro) e aromatici (catene chiuse di
atomi di C legati tra loro in cui gli elettroni di legame non sono assegnati con
precisione a determinati atomi ma sono delocalizzati e liberi di muoversi in tutta la
molecola). Lo ”scheletro„ degli idrocarburi è costituito da una
catena di atomi di carbonio legati tra loro. Gli
idrocarburi possono essere saturi (presenza di legami
singoli tra gli atomi di carbonio) e insaturi (presenza di
un doppio o di un triplo legame tra due atomi di C). Per
denominare i composti in chimica organica si ricorre alla
nomenclatura IUPAC: si individua la catena carboniosa più
lunga, a cui si aggiungono le ramificazioni assegnando dei
numeri
e
seguendo
l’ordine
alfabetico
(esempio:2,3dietil,5-metil-dodecano).
Gli idrocarburi alifatici
Gli idrocarburi alifatici (dallo scheletro carbonioso lineare) si classificano in: alcani
(saturi), alcheni (insaturi; presenza di un doppio legame tra due atomi di C: C=C) e
alchini (insaturi; presenza di un triplo legame tra due atomi di C: C≡C). Gli alcani
hanno formula generica CnH2n+2 , sono poco reattivi e, in presenza di una elevata
concentrazione di O2, danno luogo alla combustione con produzione di CO2 e H2O.
Quando l’O2 scarseggia, si produce il monossido di carbonio (CO) dalle conseguenze
spesso letali per chi lo respira. L’alcano più semplice è il metano dalla formula CH4. Gli
alcani possono perdere un atomo di H trasformandosi nei relativi radicali alchilici. Gli
alcheni hanno formula generica CnH2n e sono molto reattivi rispetto agli alcani. Le
reazioni a cui danno luogo comportano la saturazione del doppio legame con
formazione di un legame semplice; le reazioni consistono nell’aggiunta di una
molecola di H2 oppure di una molecola di un alogeno o di una molecola di un acido
alogenidrico o di una molecola di H2O con la formazione dei relativi prodotti. Gli
alchini hanno formula generica CnH2n-2, sono meno reattivi degli alcheni e le reazioni
sono le stesse viste precedentemente. È possibile aggiungere una o due molecole
delle sostanze già note in modo da convertire il triplo legame in un doppio legame o in
un legame semplice.
Gli idrocarburi aromatici
Gli idrocarburi aromatici, dalla struttura carboniosa chiusa, hanno formula generica
CnH2n, come gli alcheni ma, a differenza di questi ultimi in cui è possibile localizzare
con certezza il doppio legame tra due atomi di C, negli idrocarburi aromatici i doppi
legami inerenti gli elettroni in esame a formare i legami studiati non sono posizionati
con certezza tra due atomi ben determinati. Questi elettroni sono liberi di muoversi in
tutta la molecola, per cui danno origine a una nuvola di elettroni e si parla di elettroni
delocalizzati. In gergo tecnico, si parla di risonanza: gli elettroni risuonano da un
punto all’altro della molecola. Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene,
componente della benzina, rappresentato con un poligono esagonale e un cerchio
nel centro che raffigura la nuvola elettronica. Le reazioni a cui può dare luogo il
benzene consistono nel sostituire un atomo di H con un alogeno, con un gruppo
nitrico, con un gruppo solfonico, con un radicale alchilico. Una curiosità: questi
idrocarburi sono detti aromatici a causa della nuvola elettronica che conferisce il tipico
odore avvertito.
Alcooli, aldeidi, chetoni, eteri, acidi carbossilici, ammine
Gli alcooli sono composti caratterizzati dalla presenza di un gruppo alcoolico -OH e
possono reagire con gli acidi carbossilici (composti contrassegnati dalla presenza di un
gruppo carbossilico -COOH) dando luogo agli esteri. Le aldeidi hanno come gruppo
funzionale il gruppo -CHO e gli atomi di C e O sono legati da un doppio legame C=O.
I chetoni sono composti in cui è presente il gruppo carbonilico C=O.
Gli eteri sono contrassegnati dalla presenza di un atomo di O tra due
radicali alchilici, tra due radicali arilici (derivati dalla perdita
di un atomo di H da parte del benzene) o tra un radicale alchilico e
uno arilico. I fenoli sono alcooli di origine aromatica. Le ammine
sono contrassegnate dalla presenza di un radicale amminico–NH2.Per
denominare
questi
composti,
si
fa
riferimento
all’alcano
corrispondente, si toglie la desinenza -ano e si aggiunge la desinenza
-olo per gli alcooli, la desinenza -ale per le aldeidi, la desinenza -one per i chetoni,la desinenza -oico per gli acidi carbossilici.
Le biomolecole
Le biomolecole sono composti di natura organica presenti nelle forme vitali. Sono
classificate in: glucidi, lipidi, protidi, vitamine, sali minerali, DNA e RNA.
I glucidi sono sostanze ternarie, formate dall’unione di atomi di C, H e O. Il glucide più
semplice è il glucosio, responsabile della glicemia ematica (i valori normali rientrano in un
range compreso tra 70 e 110 oppure tra 79 e 115 mg/dl; dipende dal kit utilizzato). La
formula del glucosio è la seguente: C6H12O6. I glucidi, chiamati anche carboidrati, o
saccaridi o zuccheri, si divido in semplici e complessi. I glucidi semplici, a loro volta si
classificano in monosaccaridi (formati da una sola molecola; sono il glucosio, il fruttosio
presente nella frutta e il galattosio presente nel latte), e disaccaridi, formati dall’unione di
due molecole; sono il saccarosio (lo zucchero da tavola derivato dall’unione di glucosio e
fruttosio), il lattosio (presente nel latte e formato da glucosio e galattosio) e il maltosio
(presente nei cereali e derivato dall’un ione di due molecole di glucosio). I glucidi complessi
o polisaccaridi derivano dall’unione di molte molecole di glucosio e sono: l’amido (presente
nei cereali e nei tuberi), il glicogeno (presente nei muscoli e nel fegato) e la cellulosa
(presente nei vegetali, avente funzione nutritiva per gli erbivori, ma non per l’uomo poiché
sprovvisto dell’enzima necessario per la digestione). I glucidi svolgono azione energetica, in
modo principale; il loro eccesso può essere causa di obesità, di diabete o di carie dentaria.
la loro carenza può causare chetosi (accumulo di sostanze tossiche nell’organismo) e
problemi psicologici.
Le biomolecole
I lipidi sono sostanze ternarie, formate dall’unione di atomi di C, H e O (l’O è presente in concentrazione
inferiore rispetto ai glucidi). I lipidi sono dotati di uno scheletro carbonioso: gli atomi di C sono legati tra
loro e formano una catena più o meno lunga a cui si uniscono gli atomi di H e O. Sono classificati in:
lipidi saturi (presenza di singoli legami tra gli atomi di C; i lipidi saturi sono tipici del mondo animale e
sono presenti nelle carni, nel latte e nei latticini, nel burro, nello strutto, nei salumi e nei prodotti di
origine industriale) e in lipidi insaturi (presenza di un doppio legame o più doppi legami tra alcuni atomi
di C; sono presenti negli oli, nel pesce e nella frutta secca). Le funzioni svolte dai lipidi sono di riserva
energetica e di facilitare l’assorbimento delle vitamine liposolubili ( A, D, E e K). Un loro eccesso è causa
di obesità e di malattie cardio-vascolari; la loro carenza è causa di magrezza, di perdita di capelli, di
secchezza cutanea e di deficit vitaminici.
I protidi o proteine sono sostanze quaternarie, formate dall’unione di atomi di C, H, O e N (possono
essere presenti anche S e P). Sono costituite da aminoacidi, unità funzionali contrassegnate dalla
presenza di un gruppo carbossilico -COOH e di un gruppo aminico -NH2; il gruppo -COOH di un
aminoacido si lega al gruppo -NH2 di un altro aminoacido formando un legame peptidico e eliminando
una molecola di H2O. Le funzioni svolte dalle proteine sono varie: di difesa, di trasporto, regolatrice,
energetica, anabolica, ecc. Un loro eccesso può causare problemi renali, un loro deficit può favorire
infezioni, edemi declivi (gonfiori ai piedi) e, in Africai, una particolare malattia chiamata kwashiorkor
caratterizzata da arresto della crescita, ventre rigonfio, edemi, alterazioni della pigmentazione della cute
e dei capelli (kwashiorkor significa infatti ”ragazzo rosso„), ritardo mentale e irritabilità.
Le vitamine e i sali minerali
Le vitamine sono composti di natura organica essenziali per la vita, he non possono
essere sintetizzate dal nostro organismo (esclusa la vitamina D che può essere
sintetizzata in una certa misura dalla flora batterica intestinale) e, di conseguenza,
vanno introdotte con gli alimenti. Si classificano in: idrosolubili (assorbite in ambiente
acquoso, sono le vit. Del gruppo B e la vit. C) e liposolubili (assorbite in presenza di
lipidi, sono le vitamine A, D, E e K). Le funzioni svolte sono numerose (la vit. A
protegge la cute, la cornea e la retina; la vit. D rinforza le ossa e i denti; la vit. E ha
azione anti-sterilità; la vit. K facilita la coagulazione del sangue, la vit. C protegge dalle
infezioni; le vit. Del gruppo B proteggono il tessuto nervoso, la cute e gli annessi
cutanei, i globuli rossi). Le vit. liposolubili, se assunte in eccesso, possono creare vari
problemi di salute: esempio, la vit. A assunta come medicinale da una donna gravida
può causare seri problemi al feto.
I sali minerali, reperibili nel mondo animale e vegetale svolgono varie funzioni:
esempio, il sodio e il potassio agiscono sulla pressione arteriosa, il calcio favorisce la
contrazione muscolare, il ferro favorisce il trasporto di O da parte dell’emoglobina
contenuta nei globuli rossi, lo iodio favorisce la funzionalità tiroidea, ecc.
Gli acidi nucleici (DNA e RNA)
Gli acidi nucleici sono i depositari delle informazioni genetiche. Sono costituiti da una
sequenza di nucleotidi. Ogni nucleotide è costituito da: uno zucchero, un gruppo
fosfato e da una base azotata. Nel DNA lo zucchero è il desossiribosio, nel RNA è il
ribosio. Nel DNA le basi azotate sono: adenina, timina, guanina e citosina. Nella catena
di RNA le basi azotate sono: uracile, timina, guanina e citosina. Gli acidi nucleici sono
indispensabili per la riproduzione e per la conservazione delle specie. Grazie alla
presenza concomitante di DNA e RNA , un organismo è in grado di sintetizzare le
proteine indispensabili per la riproduzione.