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Le sostanze chimiche Ingredienti base della materia La materia si presenta con diverse forme. Accade perché esistono moltissimi «ingredienti di base» che mescolandosi tra loro danno innumerevoli combinazioni. Gli ingredienti base sono: Le sostanze che costituiscono la materia Una sostanza (o sostanza pura) è un tipo di materia dotata di proprietà specifiche che la distinguono da qualunque altra sostanza Ingredienti base della materia Le sostanze sono un particolare tipo di materia con caratteristiche sue proprie, perché formata da un certo numero di particelle (tomi o molecole). Le sostanze possono trasformarsi …… cambiano cioè lo stato di aggregazione delle particelle che le compongono Esempio: l’acqua formata da atomi di idrogeno e ossigeno passa dallo stato solido a quello liquido (fusione) o dallo stato liquido a quello solido (solidificazione) senza cambiare il tipo di materia Cos’è allora che fa cambiare l’aspetto fisico della materia ma non la sua natura? Un fenomeno fisico è una trasformazione che non cambia la natura delle sostanze I fenomeni che comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni chimici Dalle trasformazioni fisiche alle trasformazioni chimiche La materia è sottoposta in ogni momento a modificazioni e trasformazioni. I cambiamenti della materia possono essere, per esempio, variazioni • dello stato di aggregazione; • delle dimensioni; • del colore La chimica è quella scienza che si occupa della struttura della materia e le trasformazioni che subisce La fisica si occupa di quei fenomeni che riguardano la materia lasciandone inalterata la struttura Trasformazioni fisiche Le trasformazioni fisiche producono una modificazione fisica della materia e non producono nuove sostanze. Trasformazioni chimiche Le trasformazioni chimiche sono modificazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze con formazione di nuove sostanze. Trasformazioni chimiche Nelle trasformazioni chimiche le sostanze originarie si dicono reagenti, le nuove sostanze prendono il nome di prodotti. reagenti prodotti Reazioni chimiche Una reazione chimica è un processo che porta alla formazione di nuove sostanze, i prodotti, trasformando profondamente le sostanze di partenza, i reagenti. reazione chimica REAGENTI PRODOTTI Trasformazioni chimiche Nelle reazioni chimiche la quantità di materia usata come reagenti è la stessa nei prodotti Legge della conservazione della massa o Legge di Lavoisier (formulata nel 1789 da Antoine-Laurent Lavoisier) In una reazione chimica la massa dei prodotti di reazione è uguale alla massa dei reagenti. Reagente Reagente Prodotto Reagente Reagente Prodotto Trasformazioni chimiche Le trasformazioni chimiche possono presentare alcuni cambiamenti caratteristici • formazione di bollicine; • variazione di colore; • formazione o scomparsa di un solido; • liberazione di prodotti gassosi profumati o maleodoranti; • riscaldamento o raffreddamento del recipiente in cui avviene la reazione. È solo attraverso l’analisi chimica che si determina con certezza se una trasformazione è chimica o fisica. Le sostanze La sostanza che compone la materia è costituita a sua volta da piccolissime particelle che Democrito (già 2400 anni fa) chiamò ATOMI Gli atomi a loro volta si possono attaccare ad altri atomi formando le atomo MOLECOLE L’atomo L'atomo, la particella che come un mattone costituisce tutta la materia, non è un corpicciolo semplice. Esso è a sua volta composto da particelle elementari piccolissime: i protoni, i neutroni e gli elettroni. Atomo di Ossigeno Elettrone Neutrone Protone Struttura dell’atomo La parola atomo deriva dal greco e significa indivisibile, ma in realtà l’atomo contiene particelle ancora più piccole. Queste sono Gli elettroni eI protoni p+ I neutroni n (privi di carica) Caratteristiche delle particelle fondamentali dell’atomo • I neutroni sono privi di carica • I protoni hanno carica elettrica positiva • I neutroni e protoni hanno massa quasi uguale (massa= quantità di materia che costituisce l’elemento stesso) • Gli elettroni: - hanno carica elettrica negativa - sono presenti nello stesso numero dei protoni - ruotano attorno al nucleo senza seguire un'orbita precisa Normalmente, in un atomo il numero degli elettroni è uguale al numero dei protoni perciò l’atomo risulta neutro (le cariche negative degli elettroni neutralizzano quelle dei protoni se presenti in numero uguale) Gli strati o gusci Gli elettroni si trovano intorno al nucleo. Occupano regioni quasi sferiche chiamate strati o gusci via via più grandi Gli elettroni si dispongono nei vari strati a partire da quelli più interni. STRATI O GUSCI DELL ATOMO n° ELETTRONI OSPITATI 1° STRATO 2 e- 2° STRATO 8 e- 3° STRATO 8 e- 4° STRATO 18 e- 5° STRATO 18 e- 6° STRATO 32 e- 7° STRATO 32 e- Ma con quale ordine gli elettroni occupano un guscio invece che un altro? Gli elettroni occupano dapprima il primo strato quando questo è completo passano a occupare il secondo strato finchè anche questo non risulta pieno, e così via Gli strati o gusci Per esempio: L’idrogeno possiede 1 protone e 1 quindi un elettrone L’elio possiede 2 protoni e due elettroni Il litio possiede 3 protoni e 3 elettroni Il neon ha in tutto 10 elettroni così da completare sia il primo che secondo strato Il sodio ha 11 elettroni L’argo completa anche il terzo strato con 18 elettroni La natura elettrica della materia Lo strofinio di qualsiasi oggetto provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può attrarre piccoli oggetti. La carica elettrica può essere positiva o negativa. Cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono. Un corpo è elettricamente neutro quando presenta un uguale numero di cariche positive e negative. Lo strofinio fa migrare da un corpo ad un altro cariche negative chiamate elettroni. Un oggetto elettricamente carico può caricare un altro corpo per induzione. Numero atomico Ciò che distingue un elemento da un altro è Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico (Z). Se l’atomo è neutro, questo numero è uguale a quello degli elettroni. Per esempio, l’alluminio (Z = 13) dispone 2 elettroni nel primo guscio, 8 elettroni nel secondo e i restanti 3 elettroni nel terzo guscio Numero di massa Il numero di particelle complessive contenute nel nucleo di un atomo si ottiene sommando il numero di protoni al numero di neutroni. Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni (n°) contenuti nel nucleo A = Z + n° Il numero di massa dà un’idea di quanto è massiccio un atomo, dato che tutta la sua massa è concentrate nel nucleo Isotopi Cosa sono gli isotopi??? Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento con un numero diverso di neutroni. Il numero di massa (= al numero dei neutroni) può variare per uno stesso elemento In un elemento il numero di protoni resta uguale ma, può cambiare il numero di neutroni Peso atomico o massa atomica Quanto pesano gli atomi dei vari elementi? Quanto gli uni sono più pesanti degli altri? Il peso atomico non mi dà la misura del peso assoluto in grammi di un atomo. ATTENZIONE PERO’ CHE La massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo ed è rappresentata da neutroni e protoni che hanno massa uguale. Se conosciamo il numero totale dei protoni e dei neutroni di un atomo, cioè il suo numero di massa, lo possiamo confrontare con il numero di massa di un altro atomo, così da poter dire quante volte pesa il primo relativamente al secondo . Per fare questo confronto si prende in considerazione la u.m.a. unità di massa atomica Rappresentata dalla dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio Peso atomico Il peso atomico (p.a.) o massa atomica relativa di un elemento, esprime quante volte l’atomo di quell’elemento pesa più della dodicesima parte dell’atomo di carbonio (che ha numero di massa 12). Esempio: se leggiamo che il p.a. (peso atomico) dell’ossigeno è circa 16, significa che la massa di un atomo di ossigeno è 16 u.m.a. Quando gli atomi si uniscono: La molecola Come si chiamano atomi uniti insieme? Atomi attaccati insieme fanno una molecola. La molecola è la più piccola particella di una sostanza che ne conserva tutte le proprietà 1 atomo di ossigeno + 1 atomo di idrogeno + 1 atomo di idrogeno = 1 molecola d’acqua Atomi tutti uguali attaccati insieme Atomi diversi attaccati insieme MOLECOLA SEMPLICE MOLECOLA COMPOSTA Elementi e Composti Osservando gli atomi che compongono una molecola possiamo distinguere tutte le sostanze in due grandi gruppi: Gli Elementi I Composti Elementi e Composti Le sostanze pure formate da componenti più semplici si chiamano composti. Le sostanze che non possono essere trasformate in sostanze più semplici si chiamano elementi. •Gli elementi a oggi conosciuti sono 118 • 92 sono presenti in natura*; • 26 sono stati scoperti**. •* più che altro sotto forma di composti e raramente nella forma elementare; •** nel corso di ricerche sull’energia atomica oppure con reazioni nucleari. Elementi chimici Gli elementi sono sostanze la cui molecola è costituita da atomi tutti uguali tra loro. L'ossigeno che respiriamo, per esempio, è un elemento, perché la sua molecola è formata da due atomi di ossigeno. Anche il rame è un elemento, perché è costituito da molecole formate ognuna da un atomo di rame. Un elemento chimico è una sostanza che non può essere scomposta in altre sostanze più semplici. Elementi chimici Gli elementi chimici che esistono in natura sono 90 e quindi sono 90 anche i tipi di atomi, uno per elemento. Ad ogni elemento corrisponde un nome ed un simbolo. Le molecole di un elemento possono contenere un solo atomo, come nell’ elio (simbolo He) Oppure possono contenere più atomi, come il gas ossigeno che è formato da molecole che contengono ognuna due atoni di ossigeno (simbolo O) per cui la sua formula sarà O2. Anche l’azoto (simbolo N) ha formula N2. Elementi chimici La quantità e la distribuzione degli elementi presenti in natura sono molto diverse. Elementi chimici: la formula chimica La formula chimica di una sostanza è il modo di scrivere di come è fatta una sua molecola ed indica quali atomi contiene e in quale numero Composti I composti sono sostanze la cui molecola è costituita da atomi tra loro diversi. Il sale da cucina (o cloruro di sodio), in cui sono presenti atomi di cloro e atomi di sodio, è appunto un composto, e così l’acqua e tante altre. Sono sostanze che si possono scomporre per ottenere sostanze più semplici Composti In ogni molecola d’acqua ci sono 2 atomi di idrogeno (simbolo H) e un atomo di ossigeno (simbolo O) CO2 C O2 In ogni molecola di anidride carbonica ci sono 2 atomi di ossigeno (simbolo O) e un atomo di carbonio (simbolo C) CH4 C H H H H In ogni molecola di metano ci sono 4 atomi di idrogeno (simbolo H) e un atomo di carbonio (simbolo C) La tavola periodica La classificazione degli elementi oggi utilizzata è stata proposta dal russo Dmitrij Mendeleev nel 1869. Mendeleev classificò gli elementi in base alle loro proprietà chimiche e fisiche, ordinandoli in una struttura detta tavola periodica. La tavola periodica permette di classificare gli elementi Nella tavola periodica gli elementi possono essere suddivisi in quattro classi • metalli; • non metalli; • semimetalli. Gli elementi nella tavola periodica sono ordinati in 7 righe orizzontali dette PERIODI e in 8 colonne verticali dette GRUPPI La tavola periodica La tavola periodica La classe più numerosa è quella dei metalli, che sono: • lucenti; • buoni conduttori di calore; • buoni conduttori di elettricità; • duttili; • malleabili. I non metalli occupano la parte destra della tavola periodica e sono • variamente colorati; • gassosi, ma anche liquidi e solidi; • cattivi conduttori di calore ed elettricità; • buoni conduttori di elettricità; • né duttili, né malleabili. I semimetalli nella tavola periodica I semimetalli presentano proprietà intermedie fra i metalli e i non metalli • a temperatura ambiente sono solidi; • sono semiconduttori (né conduttori né isolanti). Per questo a volte vengono assimilati nella tavola periodica nella categoria dei non metalli I semimetalli sono eccellenti semiconduttori quando contengono impurezze di altri elementi vicini. Germanio e silicio sono impiegati nei transistor e nei circuiti integrati. L’energia di legame Ci sono 90 elementi presenti in natura che producono 15 milioni di sostanze diverse. Nonostante l’enorme numero di combinazioni possibili fra gli atomi, non tutte sono realizzabili: un composto si forma solo se la sua energia potenziale è minore dei singoli atomi che lo costituiscono. L’energia di legame è la quantità di energia che è necessaria fornire a una mole di sostanza per rompere il legame che tiene insieme i suoi elementi Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni partecipano all’operazione. Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame. I gas nobili e la regola dell’ottetto La regola dell’ottetto fu enunciata da Lewis nel 1916. Un atomo è particolarmente stabile quando ha otto elettroni nello strato di valenza. Il motivo della stabilità dei gas nobili risiede nel fatto che la loro configurazione elettronica presenta otto elettroni (due nel caso dell’elio) nello strato di valenza, che quindi è completo. Alla struttura con 8 elettroni nello strato esterno corrisponde quindi una particolare stabilità. I gas nobili e la regola dell’ottetto Un atomo raggiunge il massimo della stabilità acquistando, cedendo o condividendo elettroni con un altro atomo in modo da raggiungere l’ottetto nella sua configurazione elettronica esterna, simile a quella del gas nobile nella posizione più vicina nella tavola periodica. La regola enuncia che quando un atomo possiede il livello elettronico esterno completo (detto "guscio di valenza"), in genere costituito da otto elettroni, esso è in una condizione di particolare stabilità energetica, e tende a non formare ulteriori legami. Legami chimici I legami chimici sono speciali forze attrattive che tengono uniti gli atomi all’interno delle molecole. Gli atomi sono in grado di combinarsi tra loro per formare milioni di sostanze diverse, formando i legami chimici Esistono tre tipi di legami chimici principali: - Legame ionico - Legame covalente - Legame metallico Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni partecipano all’operazione. Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame. Il legame covalente Il legame covalente si stabilisce tra atomi che mettono in comune alcuni elettroni Nel legame covalente gli elettroni che vengono condivisi e non ceduti, appartengono ad entrambi gli atomi che stanno partecipando alla reazione chimica. Gli elettroni vengono condivisi per raggiungere l’ottetto elettronico. Il legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni. Se i due atomi sono identici il legame è covalente puro. Il legame covalente Gli elettroni sono messi in compartecipazione per raggiungere l’ottetto e appartengono in contemporanea a entrambi gli atomi che li condividono. Il legame covalente è caratteristico delle molecole diatomiche, ma la tendenza a mettere in comune elettroni si manifesta anche tra atomi di natura diversa (HF, H2O, NH3, CH4 ecc.). Il legame covalente I legami tra gli atomi possono essere rappresentati con la simbologia di Lewis oppure con dei trattini. Il legame covalente Il legame covalente può essere • singolo: se è condivisa una sola coppia di elettroni; • doppio: se sono condivise due coppie di elettroni; • triplo: se sono condivise tre coppie di elettroni. La scala dell’elettronegatività e i legami Se due atomi identici sono uniti da legami covalenti, esercitano la stessa forza di attrazione sugli elettroni di legame. Pertanto il legame covalente sarà covalente puro. Atomi di natura diversa possono mettere in compartecipazione i loro elettroni di valenza, ma esercitano sugli elettroni di legame una diversa forza attrattiva (elettronegatività) e si forma così un legame covalente polare. Tanto maggiore è la differenza di elettronegatività fra due atomi che formano il legame tanto più elevati sono il carattere ionico e la polarità del legame. Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Se la differenza di elettronegatività fra i due elementi che intendono legarsi è superiore a 1,9 avviene un trasferimento di elettroni da un atomo all’altro. L’atomo più elettronegativo diventa uno ione negativo, l’altro uno ione positivo. Gli ioni si attraggono per forza elettrostatica formando un legame ionico. Il legame ionico si forma quando la differenza di elettronegatività tra due atomi è maggiore di 1,9. Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Una volta formatosi, lo ione negativo assume la configurazione del gas nobile successivo, mentre lo ione positivo assume quella del gas nobile che lo precede nella tavola periodica. Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Dalla posizione sulla tavola periodica si può dedurre che • gli elementi metallici (a sinistra nella tavola periodica) tendono a cedere elettroni diventando ioni positivi; • i non metalli (a destra nella tavola periodica) tendono ad acquistare elettroni trasformandosi in ioni negativi. Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni partecipano all’operazione. Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame. Prendiamo in esempio il sale da cucina che ha formula chimica NaCl cloruro di sodio Guardando nella tavola periodica notiamo che il sodio (Na) ha 11 come numero atomico (Z) che sappiamo corrispondere al numero di protoni di un atomo che a sua volta è uguale al numero di elettroni. Quindi il sodio (Na) ha Z= 11 (11 protoni = 11 elettroni) Come sono disposti gli elettroni del sodio nei gusci dell’atomo? Sodio Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta L’atomo di sodio (Na) presenta nel suo terzo guscio un solo elettrone eQuesto elettrone rappresenta il più esterno e quindi quello che può partecipare al legame chimico L’atomo di sodio quindi potendo condividere ad un altro atomo un elettrone, quindi una carica negativa, diventa uno ione positivo Na+ Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Prendiamo in esempio il sale da cucina che ha formula chimica NaCl cloruro di sodio Guardando nella tavola periodica notiamo che il cloro (Cl) ha 17 come numero atomico (Z) che sappiamo corrispondere al numero di protoni di un atomo che a sua volta è uguale al numero di elettroni. Quindi il sodio (Na) ha Z= 17 (17 protoni = 17 elettroni) Come sono disposti gli elettroni del sodio nei gusci dell’atomo? Nel terzo guscio il cloro ospita 7 elettroni, per completare il terzo guscio manca un solo elettrone. Quando avviene il legame chimico tra sodio e cloro Il Cloro acquista dal sodio una carica negativa diventando perciò lo ione negativo Cl- Cloro Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta L’atomo di Cloro nel suo terzo guscio ha un posto libero per ospitare un altro elettrone Quando il Cloro acquista questo elettrone si carica negativamente diventando uno ione negativo Il Cloro nel legame chimico con il Sodio acquista questo elettrone dal sodio stesso Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta I composti ionici Gli ioni in un composto ionico sono disposti secondo uno schema ben preciso e possono dar luogo a un reticolo cristallino. Per esempio: Il sale da cucina I composti ionici I composti ionici hanno alti punti di fusione, sono solidi a temperatura ambiente, sono buoni conduttori di elettricità sia allo stato fuso sia in soluzione. Legame covalente metallico: elettroni che si muovono liberamente Gli atomi metallici possono mettere in comune gli elettroni di valenza, che vengono condivisi tra più nuclei. Legame covalente metallico: elettroni che si muovono liberamente Il legame metallico è dovuto all’attrazione fra gli ioni metallici positivi e gli elettroni mobili che li circondano. Tanto più forte è il legame metallico, tanto più sono numerosi gli elettroni mobili. La tavola periodica e i legami tra gli elementi Osservando la tavola periodica si può affermare che 1. i metalli formano tra loro legami metallici; 2. i non metalli formano tra loro legami covalenti puri; 3. se gli atomi di non metallo sono uguali il legame è covalente puro; se sono diversi il legame è covalente polare; 4. i metalli e i non metalli formano tra loro legami ionici; 5. il carattere ionico del legame aumenta all’aumentare della differenza di elettronegatività. Le equazioni chimiche o equazione di reazione Una reazione chimica è un processo che porta alla formazione di nuove sostanze, i prodotti, trasformando profondamente le sostanze di partenza, i reagenti. reazione chimica REAGENTI PRODOTTI I coefficienti stechiometrici sono numeri opportuni con cui è possibile mantenere, per ciascuna specie, l’uguaglianza tra il numero di atomi dei reagenti e dei prodotti. Le equazioni chimiche o equazione di reazione Per scrivere una equazione di reazione bisogna • stabilire quali sono reagenti e prodotti; • scrivere le formule esatte dei reagenti e dei prodotti; • bilanciare la reazione, ponendo davanti alle molecole gli opportuni coefficienti stechiometrici fino al raggiungimento dell’uguaglianza degli atomi in gioco. Per bilanciare una reazione si seguono le seguenti regole: 1. per primi si bilanciano gli atomi dei metalli e dei non metalli; 2. si bilanciano gli ioni poliatomici, come fossero un unico gruppo di atomi; 3. si bilanciano per ultimi gli atomi di idrogeno e di ossigeno se presenti. Le equazioni chimiche o equazione di reazione Esempio: combustione di un atomo di carbonio Per bruciare un atomo di carbonio C + O2 = CO2 occorre una molecola di O2 si produce 1 molecola di anidride carbonica Le equazioni chimiche o equazione di reazione ci danno informazioni su quali siano i reagenti e i prodotti ma anche su quante molecole di reagenti e di prodotti sono coinvolte Esempio: combustione di un atomo del metano Il numero di atomi che si trovano nei reagenti si ritrovano anche nei prodotti ma CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O diversamente combinati. Viene rispettata la Legge della conservazione della massa Legge della conservazione della massa Tutti gli atomi presenti a sinistra della freccia si devono ritrovare anche a destra Combustione del metano CH4 + 2O2 1 atomo di C 2 molecole di O2 4 atomi di H Quindi 4 atomi di O CO2 + 2H2O 1 atomo di C 2 atomi di O 2 molecole di acqua Quindi 2 atomi di O e 4 atomi di H •Conoscendo il numero atomico e il numero di massa di un elemento si può calcolare il numero di neutroni contenuti nel suo nucleo • n° = A - Z
