Untitled - Liceo Da Vinci

La molecola, dal latino scientifico molecula, derivato a sua volta
da moles, che significa "mole", "piccola quantità", è un insieme di
almeno due atomi (dello stesso elemento o di elementi diversi)
uniti da un legame chimico covalente, ovvero quando sono legati
tra loro condividendo una o più coppie di elettroni.
Le molecole sono i costituenti fondamentali della maggior parte
della materia organica presente nell'universo, oltre che
gli oceani e dell'atmosfera terrestre.
LA LORO FORMA
La forma delle molecole, ovvero come sono distribuite nello spazio le diverse componenti, è una caratteristica che influenza non
solo le proprietà fisiche ma anche quelle chimiche. Ciò risulta ancor più evidente quando si considerano le molecole organiche e
le loro attività.
Molte molecole, infatti, seppur composte dalla stessa combinazione atomica e, descritte con la stessa formula bruta, acquisiscono caratteristiche diverse quando gli stessi atomi si distribuiscono nello spazio in modi differenti.
Si dice che due o più molecole hanno la stessa formula bruta
quando hanno lo stesso numero e tipo di atomi che le costituiscono. In particolare, due atomi sono “dello stesso tipo” se appartengono allo stesso elemento chimico (cioè se hanno lo stesso
numero atomico).
LA LORO POLARITA’
Ogni molecola, che presenti due atomi generici differenti ma legati tra loro chimicamente, gode di proprietà polari. Questa particolarità, dipendente dalla loro differente capacità di attrarre gli
elettroni, è causa della differente posizione tra il baricentro delle
cariche positive (protoni) e negative (elettroni) che genera un di-
polo elettrico (sistema composto da due cariche elettriche uguali
e opposte di segno e separate da una distanza costante nel tempo).
Tale proprietà trae origine da:
•
•
la polarità dei legami covalenti che formano la molecola,
la quale, a sua volta, dipende dalla differenza di elettronegatività degli atomi coinvolti nel legame. Maggiore è la
differenza di elettronegatività, maggiore è la polarità
la simmetria nella forma della molecola che dipende dalla reciproca disposizione dei suoi diversi componenti
La polarità della molecola influenza, a sua volta, altre proprietà:
•
•
•
•
•
reattività delle sostanze con altre molecole
forza di adesione e coesione
temperatura di solidificazione e di ebollizione
miscibilità e solubilità alla presenza di soluzioni
conducibilità elettrica, sia di sostanze che di soluzioni
L’ISOMERIA
E’ quel fenomeno per il quale sostanze che, pur avendo stessa
formula bruta (condividono peso molecolare e composizione
percentuale di atomi), hanno proprietà fisiche diverse e, molto
spesso, anche comportamento chimico differente.
Pertanto i composti che presentano le caratteristiche appena descritte si dicono isomeri e vengono, come di seguito, classificati:
•
Isomeri costituzionali (o strutturali): hanno identica formula bruta ma diversa connettività, ovvero sono composti aventi stessa formula molecolare ma diversa formula
di struttura. Hanno, quindi, diverse proprietà fisiche e
chimiche, dovute alla differenza dei legami tra gli elementi che costituiscono la molecola.
A loro volta si dividono in:
 Isomeri costituzionali di catena: il loro fattore
caratterizzante è la struttura dello “scheletro”
carbonioso, ovvero la presenza e la posizione di
ramificazioni o anelli; essi hanno proprietà fisiche
diverse, ma reattività chimiche piuttosto simili
 Isomeri costituzionali di posizione: l’elemento
che li caratterizza è la posizione di legami multipli
o di gruppi contenenti atomi diversi da quelli di
carbonio e idrogeno; essi, appartenendo alla
medesima classe di composti, nonostante proprietà fisiche diverse, hanno reattività chimica
simile
 Isomeri costituzionali di gruppo funzionale: pur
avendo formula bruta uguale, presentano gruppi
funzionalmente diversi e, di conseguenza, hanno
proprietà chimiche e fisiche molto differenti
•
Stereoisomeri: hanno identica formula bruta, stessa connettività, ma essi non sono sovrapponibili a causa del differente orientamento tridimensionale degli atomi nello
spazio. Si distinguono in:
 Diastereoisomeri: sono due isomeri in cui uno
non è l’immagine speculare dell’altro.
Tra i diastereoisomeri incontriamo:

Isomeri geometrici (o cis-trans): presenti solo in
molecole in cui due atomi di carbonio uniti da un
doppio legame sono entrambi legati, a loro volta,
a due gruppi differenti; più in genere, essi compaiono in molecole la cui struttura impedisce una


libera rotazione intorno ad uno o più legami. Le
proprietà fisiche di questi isomeri sono diverse,
mentre la loro reattività chimica è generalmente
simile. E’ da ricordare, inoltre, che vi sono notevoli eccezioni dovute alle particolari configurazioni geometriche
Isomeri conformeri (o conformazionali): pur non
essendoci uno stereocentro (atomo di carbonio
diventato chirale poiché legato a quattro atomi o
a quattro gruppi di atomi diversi), sono stereoisomeri che si ottengono quando gli atomi ruotano attorno a legami singoli, dando origine a conformazioni diverse della molecola. Essi hanno
identica formula bruta, ugual connettività ma
non sono sovrapponibili
Isomeri rotameri: sono particolari conformeri
che differiscono per la torsione di uno (ed uno
solo) legame. E’ importante tener presente che la
visione deve essere “frontale”, cioè osservare
frontalmente l’asse della molecola
 Isomeri enantiomeri: sono molecole che presentano elementi stereogenici ovvero atomi a causa
dei quali le molecole ammettono due isomeri che
sono uno la forma speculare non sovrapponibile
dell’altro
ISOM
COSTITUZIONALI
di GRUPPO
FUNZIONALE
di CATENA
di POSIZIONE
MERI
STEREOISOMERI
DIASTEREOISOMERI
ISOMERI GEOMETRICI
ENANTIOMERI
CONFORMERI
ROTAMERI
LA CHIRALITA’
E’ la proprietà di un qualsiasi oggetto rigido (o di una disposizione
spaziale di punti e atomi) di avere un’immagine speculare nelle
tre dimensioni non sovrapponibile a sé. Un oggetto con tale proprietà viene definito chirale.
L’ENANTIOMORFISMO
E’ la trasformazione geometrica che converte un oggetto nella
sua immagine speculare. Di conseguenza, si dicono enantiomorfi
una coppia di entità molecolari che sono immagini speculari ciascuna dell’altra e non sovrapponibili; nel caso di molecole, si parla di enantiomeri anziché enantiomorfi.
L’ATTIVITA’ OTTICA E IL POTERE ROTATORIO
E’ la proprietà di far ruotare il piano di vibrazione della luce polarizzata posseduta dai composti chimici chirali e quindi otticamente attivi. Il potere ottico è la misura dell’attività ottica.
Con il termine generale di onda si indica una perturbazione che
nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio, trasportando energia senza comportare un associato spostamento
della materia. Le onde possono propagarsi attraverso un materiale o, più semplicemente, nel vuoto.
LE LORO CARATTERISTICHE
Un’onda può essere caratterizzata da una singola oscillazione
oppure da una successione (o treno) di onde aventi caratteristiche simili. In generale, le onde sono costituite da:
•
•
•
cresta
ventre
fronti d’onda di propagazione: presenti esclusivamente
nei treni di onde e possono essere classificati in longitudinali o trasversali
I PARAMETRI DI RIFERIMENTO
Le onde si diversificano una dall’altra per:
•
•
•
•
•
•
•
ampiezza
lunghezza d’onda
periodo
frequenza
fase
velocità di propagazione
energia e potenza associata alla velocità di propagazione
I MEZZI DI PROPAGAZIONE
Il mezzo in cui le onde viaggiano può essere classificato in:
•
limitato o illimitato
•
•
omogeneo
isotropo o anisotropo
GLI EFFETTI
Ciascun’onda assume un comportamento comune in situazione
standard e può subire i seguenti fenomeni:
•
•
•
•
•
•
•
attenuazione dell’ampiezza durante la propagazione del
mezzo
riflessione
rifrazione
diffrazione
dispersione
interferenza
effetto Doppler
TIPOLOGIE D’ONDA
Basandosi sulle differenti caratteristiche delle onde, esse possono essere classificate in categorie riguardanti:
il tipo di mezzo:
•
•
onde meccaniche (onde sonore)
onde non meccaniche (onde luminose)
le dimensioni del mezzo in cui si propagano:
•
•
•
onde unidimensionali o lineari (oscillazione di una corda)
onde bidimensionali (onde circolari su una superficie
d'acqua)
onde tridimensionali (onde sonore)
la loro direzione vettoriale di propagazione:
•
•
onde longitudinali (onde di pressione)
onde trasversali (onde elettromagnetiche)
la propagazione:
•
•
•
onde piane (onde su superficie d'acqua)
onde sferiche (onde di pressione)
onde cilindriche (onde adiacenti ad un antenna)
il mezzo in cui si propaga e della caratteristica fisica con cui la si
rappresenta:
•
•
onde elastiche o di spostamento
radiazioni elettromagnetiche (luce, onde radio, ultravioletti, raggi X)
LE ONDE SINUSOIDALI
Esse sono una soluzione particolare dell’equazione generale delle
onde:
v=
V=frequenza dell’onda
T= periodicità dell’onda
𝟏
𝑻
Infatti, se si considera un'onda monodimensionale, nel descriverla, si considerano la posizione orizzontale x dell'impulso ed il
tempo T a cui si osserva l'onda stessa: l'ampiezza dell'oscillazione
y delle particelle attorno alla posizione di equilibrio viene fatta
nei termini di questi elementi:
y= f(x,T)
y= oscillazione
x=dimensione temporale
T=tempo
I punti di vista sono quindi due:
•
scegliendo di valutare la dimensione temporale (x fissato), esprimeremo l'oscillazione y in dipendenza dal tempo T:
y= f(T)
•
scegliendo invece di focalizzare l'attenzione sullo stato di
un mezzo perturbato in un certo istante (T fissato) si ottiene l'oscillazione y espressa in funzione della posizione
x:
y= f(x)
LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Per onda elettromagnetica s’intende una perturbazione di natura
simultaneamente elettrica e magnetica che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro. Tale perturbazione è costituita dalla vibrazione simultanea di due enti
immateriali detti campo elettrico e campo magnetico attorno alla
loro posizione di equilibrio (che corrisponde all'assenza di perturbazione). Un’onda elettromagnetica viaggia in direzione sempre perpendicolare alle direzioni di oscillazione dei campi, si tratta, quindi, di un'onda trasversale. Le onde elettromagnetiche
hanno caratteristiche di propagazione nei mezzi o in presenza di
ostacoli dipendenti dalla frequenza (e quindi dalla lunghezza
d'onda).
CHE COSA SUCCEDE IN UN’ONDA ELETTROMAGNETICA
Un elettrone immobile genera, a causa della sua carica, una forza
elettrica nello spazio circostante, il campo elettrico, che diminuisce come l'inverso del quadrato della distanza. Facendo oscillare
un primo elettrone, il campo elettrico viene perturbato nei punti
circostanti a causa del cambiamento di distanza dall’elettrone
durante la sua oscillazione. Una variazione di campo elettrico genera un campo magnetico. Queste oscillazioni del campo elettrico — e quindi anche del campo magnetico — si propagano dall'elettrone generando le onde elettromagnetiche. Un secondo elettrone, che si trova fermo ad una certa distanza dal primo, comincerà ad oscillare non appena investito dall'onda elettromagnetica
prodotta da quell'elettrone. Anche il campo elettrico del secondo
elettrone, allora, verrà perturbato dalle sue oscillazioni e genererà a sua volta un campo magnetico, consentendo così la propagazione dell'onda stessa. Le dimensioni dell’onda, cioè la sua ampiezza, danno una misura dell'intensità dell'onda elettromagneti-
ca, ovvero dell'energia del campo elettromagnetico da essa trasportata.
La radiazione di un’onda elettromagnetica, dunque, è composta
da onde elettromagnetiche, consistenti nell'oscillazione concertata di un campo elettrico e di un campo magnetico. Queste onde si propagano in direzione ortogonale a quella di oscillazione.
Infine, un'onda elettromagnetica viene emessa ogni qual volta
una particella carica subisce un'accelerazione a causa di una
qualche forza.
LA LORO CLASSIFICAZIONE
E’ consueto classificare le diverse onde magnetiche in:
•
•
•
•
•
•
•
•
onde a radiofrequenza
microonde
spettro dell’infrarosso
spettro visibile
luce, prodotta da transizioni quantiche di atomi o molecole. A seconda della lunghezza d’onda, essa colpisce la
retina
raggi ultravioletti (sole)
raggi X
raggi gamma
LA LUCE LINEARMENTE POLARIZZATA
La luce linearmente polarizzata (o polarizzata su un piano) è
l’energia risultante dal passaggio di luce ordinaria attraverso un
filtro polarizzatore ottico, dove la luce emergente è un raggio il
cui vettore elettrico vibra su un singolo piano. In realtà, la luce
piano-polarizzata è la risultante di due componenti polarizzate
circolarmente opposte, dirette verso destra e verso sinistra, in
concordanza di fase e con uguale frequenza ed ampiezza. Quando la luce polarizzata interagisce con un mezzo chirale, il suo piano di polarizzazione varia la sua orientazione rispetto alla direzione di propagazione: tale distorsione è nota come rotazione ottica, per cui l’attività ottica è la capacità di una sostanza, detta
otticamente attiva, di far ruotare il piano della luce polarizzata.
GLOSSARIO
Ampiezza: massima variazione
un'oscillazione periodica
•
•
di
una
grandezza
in
campo elettrico
campo magnetico
Cresta: punto più alto dell’onda
Diffrazione: diffusione delle onde (esempio: quando passano attraverso una fessura stretta)
Dispersione: divisione dell'onda in sotto onde in dipendenza della
loro frequenza
Effetto Dopler: spostamento di frequenza di un'onda periodica
viaggiante rispetto alla direzione di osservazione
entrambi oscillanti e che variano il loro verso ed intensità rapidissimamente.
Fronti d’onda di propagazione: insiemi dei punti che vibrano
concordemente, in modo tale che, per ciascuno di essi, lo spostamento dalla posizione di equilibrio assuma lo stesso valore in
ogni istante
Interferenza: somma vettoriale (anche nulla) di due onde che entrano in contatto tra loro
Luce ordinaria: luce costituita da onde elettromagnetiche che vibrano in tutte le direzioni perpendicolari alla direzione secondo
cui essa viaggia, cioè, si propaga sotto forma di onde che si sviluppano su diversi piani lungo la linea di propagazione. Un suo
raggio è costituito da due componenti che vibrano su piani perpendicolari tra loro
Lunghezza d’onda: distanza tra due creste o fra due ventri della
sua forma d'onda
Mezzo isotropo: le proprietà fisiche in un suo punto qualsiasi non
cambiano in seguito ad una rotazione da quel punto
Mezzo limitato: mezzo che ha un’estensione finita
Mezzo omogeneo: le proprietà fisiche in un suo punto qualsiasi
non variano in seguito ad una traslazione
Microonda: onda con lunghezza d’onda compresa tra 0,3m e
1mm. Tale categoria, prodotta da speciali prodotti elettronici,
trova impiego nei sistemi radar e in quelli di particolari mezzi di
comunicazione
Onda a radiofrequenza: onda con lunghezza d’onda che varia da
qualche km fino a 0,3m. Tale categoria è usata nei sistemi trasmettenti della radio e della televisione ed è generata da particolari dispositivi elettronici
Onda cilindrica: onda che si sviluppa nello spazio in modo simmetrico rispetto ad un asse
Onda elastica: onda meccanica in cui le caratteristiche fisiche del
mezzo sono di tipo elastico e in cui sia verificata la legge di Hooke
Onda gravitazionale: fluttuazione del campo gravitazionale
Onda longitudinale: la sua vibrazione è concorde con la direzione
di propagazione d’onda
Onda meccanica: onda che si propaga esclusivamente in mezzi
materiali diversi dal vuoto in quanto sfruttano le proprietà di elasticità del mezzo per la loro propagazione
Onda non meccanica: onda che si propaga in mezzi non materiali
cioè il vuoto
Onda oceanica di superficie: perturbazione che si propagano
nell'acqua
Onda piana: onda a frequenza costante i cui fronti d'onda sono
infiniti piani paralleli di ampiezza costante normali al vettore
d'onda
Onda sferica: onda il cui fronte d'onda è una sfera e, quindi, la
sua sorgente è puntiforme in modo che il fronte d'onda si propaghi in proporzione alla distanza r dalla sorgente
Onda trasversale: la sua vibrazione è perpendicolare alla direzione di propagazione d’onda
Radiazione elettromagnetica: forma di energia associata
all'interazione elettromagnetica e responsabile della propagazione nello spazio-tempo del campo elettromagnetico sotto forma
di onde elettromagnetiche
Raggio gamma: onda con lunghezza d’onda compresa tra
1*10-10m e 1*10-14m. Ha origine nucleare e viene utilizzato in particolari terapie
Raggio ultravioletto: onda i cui valori di lunghezza d’onda sono
compresi tra 3,8*10-7m e 6*10-7m. Trova impiego in alcune applicazioni mediche e in processi di sterilizzazione
Raggio X: onda che si estende da 1nm a 1*10-11m. Prodotta da
transizioni quantiche degli elettroni più interni delle strutture
atomiche (più fortemente legati al nucleo), è molto penetrante
Riflessione: cambio di direzione di propagazione dell’onda a causa di uno scontro con un materiale riflettente
Rifrazione: cambio di direzione dell’onda causata dal cambio del
mezzo di propagazione (esempio: differente densità)
Rotazione ottica: rotazione, espressa in gradi, del piano della luce polarizzata causata dal passaggio di questa attraverso una soluzione di una sostanza otticamente attiva
Sostanza otticamente attiva: sostanza in grado di ruotare il piano di vibrazione della luce polarizzata
Spettro all’infrarosso: onda di lunghezza d’onda che varia da
1mm a 7,8*10-7m. Si tratta di un’onda prodotta da molecole eccitate e da corpi caldi; viene utilizzata nell’industria e nella medicina
Spettro visibile: stretta banda di onde percepibili dalla retina
dell’occhio umano. Si tratta di un’onda che ha una lunghezza
d’onda compresa tra 7,8*10-7m e 3,8*10-7m
Suono: onda meccanica che si propaga attraverso gas (in genere
aria), liquidi o solidi, la cui frequenza può essere percepita
dall'apparato uditivo
Traslazione: trasformazione affine dello spazio euclideo che sposta tutti i punti di una distanza fissa nella stessa direzione
Ventre: punto più basso dell’onda
Il polarimetro è lo strumento utilizzato per la misurazione del potere rotatorio di sostanze otticamente attive.
DESCRIZIONE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Sorgente luminosa: led di colori diversi con lunghezze d’onda (λ) differenti
Commutatore per la scelta del led
Lente
Primo polarizzatore
Tubo porta campione
Secondo polarizzatore per misurazione del potere rotatorio
Goniometro e Nonio
Disco di rotazione manuale
9. Cilindro di protezione esterna completo di base d’appoggio
CARATTERISTICHE TECNICHE
Precisione di misurazione dell’angolo: ± 0,1 mm
Lunghezza tubo porta campione: 100 cm
Peso: 3,25 Kg
Dimensioni: l 22 cm; h 122 cm; p 22 cm
Sorgente luminosa monocromatica: led
colore
lunghezza d'onda
[nm]
blu
giallo
verde
rosso
465
588
590
620
tensione di
alimentazione [V]
3.2
1.8
2.1
1.9
METODO OPERATIVO
PREPARAZIONE:
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•
•
•
Effettuare la misurazione del bianco per fissare la posizione dello zero iniziale
Riempire il tubo porta campione con il solvente da analizzare
Inserire il tubo porta campione nel polarimetro
Posizionare il goniometro in testa al tubo porta campione
Accendere il led del colore desiderato selezionandolo con
il commutatore
Ruotare il goniometro finché la luce del led si oscura
Controllare la posizione di zero iniziale
MISURAZIONE DELL’ATTIVITA’ OTTICA:
•
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•
•
•
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•
•
•
•
Preparare la soluzione da analizzare
Versare la soluzione all’interno del tubo di misura
Inserire il tubo porta campione con la soluzione nel polarimetro
Posizionare il goniometro in testa al tubo porta campione
Misurare il livello del liquido nel tubo porta campione
Accendere il led del colore desiderato selezionandolo con
il commutatore
Ruotare il goniometro finché la luce del led si oscura
Leggere il valore sul goniometro e calcolare l’angolo per
differenza con lo zero del campione
Ripetere la misurazione dimezzando la lunghezza del
cammino (ossia dimezzare la quantità di liquido) nel tubo
di misura
Se il nuovo angolo corrisponde ad α/2 oppure α/2 ±180°
la sostanza considerata è detta destrogira, invece se si
ottengono valori pari ad α-180°/2 oppure α-180°/2 ±
180° la sostanza è detta levogira
•
Applicare la formula della rotazione ottica per ottenere la
concentrazione del composto oppure il potere rotatorio
specifico della sostanza stessa:
𝛂=𝐜∙𝐥∙𝐤
α= angolo di rotazione sperimentale
c= concentrazione del composto
l= lunghezza del cammino
k=potere rotatorio specifico
AVVERTENZE
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•
•
•
•
Lo strumento deve essere mantenuto in ambiente pulito
e ventilato con temperatura e umidità entro valori normali (circa 20°C 50 % UHR)
Dopo l’utilizzo il tubo di misura deve essere accuratamente pulito con acqua distillata
Non utilizzare materiali abrasivi per pulire le parti ottiche
dello strumento (carta compresa)
Tenere lo strumento sempre coperto (quando non in utilizzo) per evitare l’introduzione di polvere
Non smontare lo strumento; eventuali errori
nell’assemblaggio sia meccanici che di allineamento possono pregiudicare irrimediabilmente la precisione dello
strumento