H - univr dsnm

Corso di chimica generale
Dr. Riccardo Montioli
Email: [email protected]
Programma
-
La materia e l’energia
Le particelle subatomiche e la misura della massa
L’atomo, teorie e struttura
I numeri quantici e la configurazione elettronica
La tavola periodica degli elementi
I legami chimici
Le reazioni chimiche
Le proprietà delle soluzioni
Le reazioni acido base
La chimica organica
La Chimica studia le proprietà della materia e le leggi
che ne governano le trasformazioni
Materia
Tutto ciò che ha una massa che occupa
spazio
PROPRIETA’ FISICHE: caratteristica che
possiamo osservare senza cambiare
la composizione della sostanza
Es: COLORE-FORMA-ASPETTO-SAPOREODORE-DENSITA’-MASSA-VOLUME
PROPRIETA’ CHIMICHE sono dovute
agli elementi che le compongono e a
quali trasformazioni chimiche possono
subire
Es: CAPACITA’ DI REAGIRE CON
DETERMINATI ELEMENTI/COMPOSTI
PROPRIETÀ FISICHE DELLA MATERIA
Proprietà estensive, ovvero che dipendono dalle dimensioni
(UNITÀ DI MISURA)
MASSA:
Misura della quantità di materia
Kg
VOLUME: Misura dello spazio occupato da una sostanza m3 o litri(l)
(Volume= larghezza x altezza x profondità)
Proprietà intensive, ovvero che non dipendono dalle dimensioni
DENSITA’ Rapporto tra la massa e il volume
Densità = massa/volume
kg/m3 o Kg/l
ORDINI DI GRANDEZZA
In chimica spesso si
lavora con questi
ordini di grandezza
CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA
Sostanza:
materiale puro, costituito da
particelle tutte identiche tra di loro
Elemento
Sostanza costituita da particelle
(atomi) tutti uguali.
Es: Ossigeno (O), Idrogeno (H), Sodio
(Na), Cloro (Cl)
Composti
Sostanze costituite da almeno 2
elementi
Es: acqua (H2O), Sale da cucina(Nacl)
Miscele:
Sistemi prodotti da due o più
sostanze pure
senza che queste reagiscano tra
loro
Omogenee (o Soluzioni)
sistemi omogenei in cui ogni porzione
del campione contiene gli stessi
componenti nelle stesse proporzioni.
Es: Acqua e sale, Coca Cola, benzina
Eterogenee (o Miscugli)
in campioni diversi i componenti
sono presenti in diverse proporzioni
Es: Sabbia, Acqua e Olio
ENERGIA
E’ la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro
L’energia esiste in molteplici forme che si convertono tra loro
Energia Elettrica
Energia potenziale
Energia cinetica
Non è un processo
spontaneo in quanto è
necessari fornire energia al
sistema perché avvenga
Processo spontaneo in
quanto non richiede una
fonte di energia esterna
al sistema
STATI DELLA MATERIA
Una sostanza può esistere in tre stati fisici: solido,liquido o gassoso
La conversione di uno stato della materia in un altro è chiamata:
passaggio di stato
Energia cinetica delle particelle crescente
PASSAGGIO DI STATO
Durante un passaggio di
stato la temperatura
rimane costante
Separazione delle miscele omogenee
Evaporazione
Es: Miscela H20 e NaCl
Distillazione
Es: Miscela H20 e Etanolo (CH3CH2OH)
La teoria atomica di Dalton
1. Tutta la materia è composta da atomi
indivisibili. Un atomo è una particella
estremamente piccola che mantiene la sua
identità durante le reazioni chimiche.
2. Un elemento è un tipo di materia composto
da un solo tipo di atomo. Tutti gli atomi dello
stesso elemento hanno la stessa massa e le
stesse proprietà
3. Un composto è un tipo di materia costituito
da atomi di due o più elementi chimicamente
uniti in proporzioni fisse. Due tipi di atomi in
un composto si legano in proporzioni espresse
da numeri semplici interi
4. Una reazione chimica consiste nella
ricombinazione degli atomi presenti nelle
sostanze reagenti in modo da dare nuove
combinazioni chimiche presenti nelle sostanze
formate dalla reazione
John Dalton (1766-1844)
“Un nuovo sistema di filosofia chimica”
(1808)
L’ATOMO: LE PARTICELLE SUBATOMICHE
Un nucleo è costituito da due tipi di particelle:


Protoni
Neutroni
carica +1
carica 0
massa 1.67 x 10-24 g
massa 1.67 x 10-24 g
Nell'atomo neutro attorno ad un nucleo con Z protoni si muovono Z elettroni
Elettroni
carica
-1
massa 9.11 x 10-28 g !
I protoni ed i neutroni hanno una massa 1831 volte maggiore degli elettroni
Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri
 Un numero atomico
 Un numero di massa
neutroni
Z  numero di protoni
A  numero di protoni + numero di
Un nucleo particolare caratterizzato da Z e da A è anche chiamato nuclide e
rappresentato con la seguente notazione:
Numero di massa
23
11
Na
Numero atomico
Z=11
A=23
11 protoni
23-11= 12 neutroni
(definisce l'elemento Na)
Ad ogni numero Z corrisponde un diverso elemento
H
Z=1
He Z=2
Li Z=3
Atomi i cui nuclei hanno lo stesso numero di protoni ma diverso
numero di neutroni sono detti isotopi.
Gli isotopi hanno proprità
fisiche diverse
Ad esempio l'idrogeno ha tre isotopi:
1
1
2
1
3
1
H
H
H
idrogeno
1 protone
nessun neutrone
deuterio
1 protone
1 neutrone
trizio
1 protone
2 neutroni
16
ES: 8 O possiede 8 protoni, 8 elettroni e 16 - 8 = 8 neutroni
ES: 17 O possiede 8 protoni, 8 elettroni e 17 - 8 = 9 neutroni
8
Gli elementi presenti in natura sono in genere miscele di isotopi:
Cloro
75,8 %
35
17
Cl
24,2 %
37
17
Cl
Abbondanza relativa: frazione del numero totale di atomi di un dato
isotopo.
Esercizio:
Quali tra i seguenti atomi:
90
88
92
89
A 37
X B 90
X
C

X
D

X
E

39
37
35
36 X
sono isotopi dello stesso elemento?
oAoBoCoD-
AeB
AeC
AeD
AeE
LA NEUTRALITA’ DELL’ ATOMO e GLI IONI
Nel suo stato fondamentale ogni atomo è neutro in quanto è composto da
un numero uguale di protoni (carica +1) ed elettroni (carica -1)
Cosa succede se un atomo ha un numero diverso di protoni ed
elettroni?
Gli atomi possono perdere o acquistare elettroni e trasformarsi in IONI!
CATIONE: atomo che ha perso uno o più elettroni!
Un Catione viene indicato con il simbolo dell’elemento e la carica positiva
corrispondente al numero di elettroni che ha perso
Es: Na+, Fe2+, K+, H+,Mg2+
ANIONE: atomo che ha acquistato uno o più elettroni
Un Anione viene indicato con il simbolo dell’elemento e la carica negativa
corrispondente al numero di elettroni che ha acquistato
Es: Cl-,O2-, S2-
Esercizio: Qual è il numero di elettroni e di neutroni degli ioni
23Na+ e 35 Cl11
17
ES: 23 Na+ possiede 11 protoni, 10 elettroni e 23 -11= 12 neutroni
11
35 ES: 17 Cl possiede 17 protoni, 18 elettroni e 35 -17 = 18 neutroni
La MISURA della MASSA
Come possiamo descrivere la MASSA di un atomo di un certo elemento?
Unità di Massa Atomica (uma): 1 uma. = 1/12 della massa dell’ isotopo 12C
12C=
1.9927 x 10-23 g / 12 = 1.6605 x 10-24 g =
1 uma (Da)
La massa atomica di un elemento è equivalente al numero di massa A
espresso in uma
Esempio: 23Na
ha una massa di 23 uma
Tuttavia per definire la massa atomica di un elemento bisogna tener conto
dell’abbondanza relativa di ogni isotopo
Massa Atomica Relativa (MA) di un elemento: !
Σn (massa isotopo n x abbondanza relativa %)/ 100
Esempio:
L‘argento in natura è presente in 2 forme isotopiche con rapporto
107Ag
51.82% e
109
Ag 48.18%
ES: 107Ag 51.82% e 109Ag 48.18%
107Ag (107 uma x 51.82)/ 100 = 55.44 +
109Ag (109 uma x 48.18)/ 100 = 52.51
107.95 uma
Come vengono indicati gli elementi ed i composti?
ATOMI (Elementi) : sono indicati con una o due lettere Spesso si
fa uso delle prime lettere del nome latino
Cu
Au
Na
Cl
Rame
Oro
Sodio
Cloro
da
da
da
Cuprum
Aurum
Natrium
I COMPOSTI: possono essere ionici o molecolari e sono formati da due o
più atomi (dello stesso elemento o di elementi diversi) legati fra loro in
rapporti ben precisi
Es: Cl2, O2, H2O, NaCl, H2SO4, CaCl2
H2SO4
L’acido solforico è composto da:
2 atomi di idrogeno (H)
1 atomo di zolfo (S)
4 atomi di ossigeno (O)
Il numero di atomi di un particolare elemento che
compongono un composto è indicato in basso a destra del
simbolo dell’elemento stesso
La massa di una molecola è chiamata massa molecolare
(MM) ed è data dalla somma delle masse atomiche di
tutti gli atomi che la compongono
Esercizio: Calcolare la massa molecolare dell’acqua
(H2O) sapendo che la massa atomica relativa
dell’idrogeno è 1,01 uma, quella dell’ossigeno è 16 uma
MM = 2x1,01 + 16 = 18,2 uma
Esercizio: Calcolare la massa molecolare del glucosio
(C6H12O6) sapendo che la massa atomica relativa
dell’idrogeno è 1,01 uma, quella dell’ossigeno è 16 uma e
quella del carbonio è 12,01 uma
MM = 6 x 12,01 + 12x 1,01 + 6x16 = 180,18 uma
LA MOLE
La MOLE è una misura della quantità di materia
Per misurare una stessa quantità di materia per diversi elementi (per
esempio nella preparazione di soluzioni), si è resa necessaria
l’introduzione di un unità di misura che tenga in considerazione la
quantità di particelle.
1 MOLE = numero degli atomi presenti in 12g esatti di 12C
La mole, pur riferendosi agli atomi di carbonio, vale come unità di
misura per tutte le specie chimiche. E’ una grandezza adimensionale
e rappresenta sempre lo stesso numero (di atomi, ioni, molecole).
Quanti atomi compongono 1 MOLE ?
1 atomo di carbonio pesa 12 u.m.a. quindi 12 x 1.66 x 10-24 g = 19,9 x 10-24 g
N° atomi = 12 g /19,9 x 10-24 g = 6.022 x 1023 atomi
Questo numero viene chiamato Numero di Avogadro, “NA”
LA MOLE
Quanto pesa una mole di un elemento o di un composto?
La Massa Molare è equivalente alla massa atomica
espressa in grammi (g)
Elemento/composto
Massa (uma)
Massa molare g/mol
H
1,01
1,01
Li
6,94
6,94
NaCl
58,44
58,44
MgCl2
95,21
95,21
CuSO4
159,6
159,6
Esercizi La MOLE
Quanto pesano 2 moli di argento considerando che la sua MA è 107.92 uma?
(107.92 uma
107.92 g/mol x 2 mol = 215,84 g
LA MOLE
Esercizi
1) Quanti atomi di Mg ci sono in 5 moli?
1 mole = 6.022 x 1023 atomi 5 x 6.022 x 1023= 3.011x1024 atomi
2) Una mole di 20 Ca pesa di più o di meno di una mole di 82 Pb?
20
Ca A= 20 → MM 20 g/mol
82
Pb A= 82 → MM 82 g/mol
3) Contiene più atomi una mole di Ca o una mole di Pb?
Contengono lo stesso numero di atomi (6.022 x 1023)
4) Quanti atomi di Na ci sono in 3 moli di NaCl ?
Rapporto Na:Cl nel composto 1:1
Quindi in 3 moli di NaCl ci sono 3 moli di Na
Atomi di Na= 3 x 6.022 x 1023= 18.066 x 1023 atomi
5) Quanti atomi di H ci sono in 2.5 moli di H2O ?
Nell’ H2O H e O sono in rapporto 2:1
1 mole di H2O è formata da 2 moli di H e 1 mole di O
In 2.5 moli di H2O ci sono 2x2.5 moli di H = 5 moli di H
Numero di Atomi di H = 5 x 6.022 x 1023 = 30.11 x 1023 atomi
LA STRUTTURA DELL’ ATOMO
MODELLO ATOMICO A PANETTONE (Thomson 1847)
Particelle negative molto piccole
immerse in un “mare” denso di
cariche positive
Sfere compatte con diametro di circa 10-10m = 1 Å = 0,1 nm
LA STRUTTURA DELL’ ATOMO
Dimensioni atomiche:
circa
10-10m = 1 Å = 0,1 nm
L'esperimento di Rutherford
LA STRUTTURA DELL’ ATOMO
Dimensioni atomiche: circa 1 Å
Dimensioni nucleari: circa 10-5 Å
La maggior parte dell'atomo è vuoto
Quasi tutta la massa atomica è quindi concentrata nel nucleo
LA STRUTTURA DELL’ ATOMO