CHIMICA: è la scienza che studia la struttura, le proprietà e le

CHIMICA:
è la scienza che studia la struttura, le proprietà e
le trasformazioni della materia che ci circonda
In passato si credeva che tutta la materia fosse
formata dall’insieme di quattro elementi: ARIA,
TERRA, FUOCO ed ACQUA (Aristotele 350 a.c.)
La nascita della chimica moderna viene fatta
risalire alla seconda metà del XVII secolo, con
la pubblicazione da parte di Robert Boyle del
libro “The sceptical chymist” (Il chimico
scettico, 1661), in cui sosteneva che la
materia fosse costituita da particelle e le
sostanze da atomi diversi.
Già Democrito nel 400 a.c. sosteneva
che la materia fosse costituita da corpi
piccolissimi uniti in uno spazio vuoto
Nel V secolo d.c. si sviluppa l’ALCHIMIA; il cui
obiettivo principale era quello di trasformare i vili
metalli nel nobile oro.
Antoine Lavoisier nella seconda metà del 1700
enuncia il principio di conservazione della massa in
una trasformazione chimica: “in una reazione
chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale
alla massa dei prodotti in un sistema chiuso”.
È la fine dell’ALCHIMIA, da ora in poi si parlerà solo
di CHIMICA
In natura esistono 90 diversi atomi: ELEMENTI
Combinandosi…
energia
inquinamento
+
+
COMPOSTI
Milioni di composti diversi
- Formazione di nuovi composti
Reazione chimica =
- emissione (o assorbimento) di energia
- inquinamento e sue conseguenze
DA DOVE VENGONO GLI ELEMENTI CHIMICI ?
NUCLEOSINTESI
- Big Bang: H, He, (Li)
- Stelle: He
Fe (Co, Ni)
- Supernove Fe in poi
- Decadimento radioattivo
Le supernove rilasciano nello spazio gli
elementi sintetizzati.
ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI CHIMICI NEL SISTEMA SOLARE
ELEMENTO
SOSTANZA PURA
(O2, Fe, S8, Au)
(H2O, O2, Fe, S8, NaCl, Au)
COMPOSTO
(H2O, NaCl)
MATERIA
Atomico (Fe, Au)
Molecolare (O2, S8)
Molecolare (H2O)
Ionico (NaCl)
OMOGENEA (aria, latte)
MISCELA
ETEROGENEA (acqua + olio)
SOSTANZA PURA: costituita da una sola specie, o di atomo o di molecola
MISCELA: gruppo di due o più sostanze che sono mescolate fisicamente
S8
H2O
NaCl
Fe
ELEMENTO:
stato più semplice della materia, con
proprietà fisiche e chimiche esclusive. È
costituito da una sola specie di atomo.
COMPOSTO: materia costituita da due o
più elementi chimicamente
legati tra loro.
COMPITO DELLA CHIMICA:
STUDIARE LA TRASFORMAZIONE DELLA MATERIA
A QUALE SCOPO?
1. SINTETIZZARE NUOVI MATERIALI (Utilizzando RISORSE NATURALI)
2. OTTIMIZZARE UN PROCESSO CHIMICO (aumentando rese e velocità)
3. MINIMIZZARE INQUINAMENTO
STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA
SOLIDO
LIQUIDO
GAS
LIVELLO
MICROSCOPICO
(Chimici)
Determina
proprietà
LIVELLO
MACROSCOPICO
Per spiegare le proprietà MACROSCOPICHE della materia (osservabili ad
occhio nudo), occorre considerare il livello MICROSCOPICO
(atomi, molecole ioni)
DI COSA E’ FATTA LA MATERIA?
DALTON: STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA
Dalton fu il primo chimico a formulare, nel 1803 una teoria atomica basata
sulle intuizioni di Democrito vissuto 2500 anni fa. Tale teoria si fonda sui
seguenti postulati:
1.
La materia è costituita da particelle indivisibili: ATOMI
2.
L’atomo è la più piccola parte di un ELEMENTO
3.
Gli atomi di un elemento sono tutti uguali
4.
Le reazioni chimiche avengono tra atomi interi
5.
In una reazione chimica gli atomi degli elementi rimangono INALTERATI in NUMERO e
QUALITÀ
Il punto 4 è diretta conseguenza della legge di Lavoisier sulla CONSERVAZIONE DELLA MASSA
(cardine di tutta la chimica): in tutte le reazioni chimiche la massa si conserva, cioè la massa dei
reagenti è uguale alla massa dei prodotti.
L’ATOMO SECONDO DALTON (1803):
sferetta indivisibile di materia neutra
Nella seconda metà del 1800 William Crookes scopre i
raggi catodici
Nel vuoto spinto del tubo catodico le particelle negative viaggiano ad alta
velocità verso l'anodo e possono oltrepassarlo percorrendo creando un
“ombra” sullo schermo retrostante sensibilizzato.
Nel 1886 Eugene Goldstein particelle che viaggiano in
direzione opposta ai raggi catodici. È la prima evidenza
de’’esistenza di particelle cariche positivamente
Scoperta dell’elettrone: il modello di Joseph John Thomson (1897)
Thomson osservò che in un tubo sotto vuoto, con all’estremità due elettrodi
collegati ad un generatore, si forma una scarica elettrica proveniente dal
catodo. Questi raggi catodici deviavano se sottoposti ad un campo magnetico
esterno, quindi devono essere costituiti da particelle cariche. Inoltre, sottoposti
ad un campo elettrico esterno, deviano verso il polo positivo, e quindi le
cariche devono essere negative.
Poiché i raggi non dipendevano dalla natura del catodo Thomson comprese
che queste particelle negative erano proprie di ogni atomo. Queste particelle
prendono il nome di ELETTRONI.
Modello dell’atomo di Thompson: PLUM PUDDING MODEL (1904)
Gli elettroni “galleggiano” in
una nuvola di cariche positive,
i protoni.
N° PROTONI = N° ELETTRONI = ATOMO NEUTRO
Robert Millikan nel 1909 determina la carica dell’elettrone
qe = 1,602 • 10−19 C
Nel 1911 Ernest Rutherford esegue l’esperimento che porta
il suo nome. A lui viene attribuita la scoperta del protone
“Era l’evento più incredibile mi fosse mai
capitato nel corso della mia vita. Era quasi
tanto incredibile quanto l’avere sparato un
proiettile di 15 pollici contro un foglio di
carta velina ed essere stati colpiti dal
proiettile rimbalzato sulla carta”.
Se fosse valida la teoria di Thomson tutte le particelle α avrebbero dovuto
attraversare gli atomi di oro (Tm) e nessuna avrebbe potuto “rimbalzare”
all’indietro. Rutherford demolisce la teoria di Thomson ed introduce il
concetto di ATOMO NUCLEARE (Rm).
Ciò significa che l’atomo debba essere un’entità
pressochè vuota, in cui quasi tutta la massa è
concentrata nel nucleo ed, a distanze più o meno
elevate rispetto al raggio del nucleo, si trovano gli
elettroni.
N° PROTONI = N° ELETTRONI = ATOMO NEUTRO
Qualche dato…
Elettrone:
Carica: 1.6 • 10-19 C (-1); massa: 9.11 • 10-28 Kg
Protone:
Carica: 1.6 • 10-19 C (+1); massa: 1.67 • 10-24 Kg
9.11 • 10-28 Kg
= 1836
-24
1.67 • 10 Kg
Massa Protone = 1836 volte la massa Elettrone
COM’È FATTO L’ATOMO?
12-
L’atomo è una struttura VUOTA (nucleo centrale contenente i
protoni ed i neutroni circondato da e- che ruotano intorno.
La materia occupa una regione limitatissima dello spazio
disponibile (se l’atomo fosse grande come lo stadio San Siro,
il nucleo, che contine la massa effettiva, sarebbe
rappresentabile con una ciliegia al centro del campo).
rnucleo = 10-15m dnucleo = 1011 - 1014 g/cm3
Se la d media della Terra fosse 1012 g/cm3 sarebbe 2.5Km…
3-
ratomo = 10-10m
- raggio atomo è 100.000 volte maggiore del raggio nucleo
- se il nucleo fosse grande come un punto su un foglio
peserebbe 100 tonnellate!!!
L’atomo è elettricamente neutro:
N° PROTONI = N° ELETTRONI
L’ATOMO DEL CHIMICO
NUCLEO: mai interessato nelle reazioni chimiche
ELETTRONI: ruolo fondamentale nelle reazioni chimiche entrano in gioco
nella formazione dei legami fra atomi uguali (elementi: O2, N2, Cl2) e/o
diversi (composti: H2O, NH3, CO2) dei vari elementi.
Le energie in gioco nelle reazioni chimiche (in cui sono coinvolti solo gli
elettroni con la rottura e formazione di nuovi legami) sono milioni di volte
inferiori alle energie in gioco nelle reazioni nucleari (in cui sono coinvolte
solo le particelle del nucleo).
Per rompere un legame occorre fornire energia
Nella formazione di un legame si sviluppa energia
GLI ELEMENTI CHIMICI – LA TAVOLA PERIODICA
Il chimico russo Dmitrij Ivanovič Mendeleev si accorse di
una certa somiglianza nelle proprietà chimiche di alcuni
elementi e li ordinò in una tabella (1871). Gli elementi
con proprietà chimiche simili erano ordinati lungo le
colonne. Le caselle vuote sarebbero poi state occupate
da elementi scoperti successivamente!!!
Nasce la
TAVOLA PERIODICA
DEGLI ELEMENTI
ELEMENTI CHIMICI
NUMERO DI MASSA
A
NUMERO ATOMICO
Z
X
Elemento
generico
NUMERO DI MASSA = n° protoni + n° neutroni nel nucleo
NUMERO ATOMICO = n° di protoni nel nucleo, DETERMINA L’ELEMENTO
12
6
C
14
6
C
235
92
U
238
92
U
ISOTOPI = atomi con uguale N° atomico Z ma diverso N° di massa A
Le PROPRIETÀ CHIMICHE di un atomo DIPENDONO SOLO DA Z
perché rappresentando il numero di protoni, ed essendo l’atomo
neutro, questo numero coincide con il numero di e- che entrano in
gioco nelle reazioni chimiche e quindi determinano le proprietà
chimiche di un atomo.
ELEMENTI CHIMICI
NUMERO DI MASSA
A
NUMERO ATOMICO
Z
X
Elemento
generico
Parleremo quindi di:
Carbonio 12
12
6
C
Uranio 235
14
6
C
Carbonio 14
235
92
U
238
92
U
Uranio 238
COME SI PESANO GLI ATOMI ?
La Massa Atomica Assoluta (MMA) è scomoda da usare perche i valori sono piccolissimi
209
12
MMA 6 C = 1.99 • 10-23g
MMA 83Bi = 3.47 • 10-23g
1
MMA 1H = 1.67 • 10-24g
Si utilizza allora uno standard e si parla di unità di massa atomica (uma)
MASSA ATOMICA RELATIVA
Il Sistema Internazionale (SI) ha scelto la dodicesima parte dell’atomo di 12C
Massa assoluta = 1/12
12C
= 1 uma =
Massa atomica relativa (uma) =
1.99 • 10-23g
12
= 1.66 • 10-24g / uma
Massa assoluta (g)
1.66 • 10-24g/uma
Bi = 209.98 uma
Quindi non avremo più a che fare
con numeri estremamente piccoli
H = 1.0079 uma
C = 12.0107 uma
H = 1.0079 uma
Perché non 1 ???
C = 12.0107 uma
Perché non 12 ???
Sulla TAVOLA PERIODICA è riportata la MASSA ATOMICA MEDIA, media
pesata degli isotopi di quell’elemento.
Esempio: isotopi
12
massa atomica
C
12.00000 uma
C
13
C
6
13.00335 uma
6
14
6
14.00324 uma
Massa atomica media C = 12.00000 x
abbondanza %
98.89 %
1.109 %
<0.001 % (trascurabile)
1.109
98.89
+ 13.00335 x
= 12.011
100
100
Attenzione: massa, non peso!!! La massa è indipendente dalle forze gravitazionali
MASSA ATOMICA, MOLECOLARE E FORMULA
Gli ELEMENTI possono essere costituiti da singoli atomi o da MOLECOLE di
atomi uguali (esempio: O2, C)
I COMPOSTI sono formati da atomi di elementi diversi e, a seconda del tipo
di legame fra questi atomi si parla di COMPOSTO MOLECOLARE (legame
covalente) o COMPOSTO IONICO (legame ionico).
ATOMI
MASSA ATOMICA (uma)
MOLECOLE
MASSA MOLECOLARE (uma)
COMPOSTI IONICI
MASSA FORMULA (uma)
La massa molecolare e la massa formula si determinano sommando le masse
atomiche degli elementi che costituiscono le molecole e i composti ionici.
Esempi: O2 = 2 x 16 uma = 32 uma
H2O = (2 x 1 uma) + 16 uma = 18 uma
NaCl = 23 uma + 35.5 uma = 58.5 uma
LA MOLE
Pesare una molecola nella vita comune è impossibile, per questo è stata
introdotta la MOLE:
MOLE = massa atomica espressa in grammi
Quindi: 1 mole di C = 12 g di C
(approssimando i valori)
1 mole di H2 = 2 g di H2
1 mole di H2O = 18 g di H2O
Una mole contiene lo STESSO NUMERO DI PARICELLE ELEMENTARI
(atomi, molecole, ioni, elettroni), quindi LA MOLE È L’UNITA’ DI
CONTEGGIO DEL CHIMICO
N° di partcielle in una MOLE = 6.022 x 1023 (N) = N° di AVOGADRO
Quindi: 1 mole di C (= 12 g/mole di C) contiene N atomi di C
1 mole di H2 (= 2 g/mole di H2) contiene N molecole di H2
1 mole di H2O (= 18 g/mole di H2O) contiene N molecole di H2O
1 mole di He contiene 2 moli di e1 mo,e di NaCl contiene 2 moli di ioni
LA MOLE
N è un numero incredibilmente grande!!! ~ centomila miliardi di miliardi
Se vincessi alla lotteria una mole di euro (= 6.02 • 1023 €), spendendo
10 miliardi di € al secondo dalla nascita, al 90° compleanno mi rimarrebbe un
capitale pari al 99.995% della vincita!!!
Non ci credete? Facciamo i conti:
Numero di secondi in 90 anni: 90 (anni) x 365 (giorni/anno) x 24 (h/giorno) x 3600 (s/h) = 2.84 • 109 s
€ spesi in 90 anni: 10.0 • 109 (€/s) x 2.84 • 109 (s) = 2.84 • 1019 €
% € spesi sulla vincita: =
2.84 • 1019 (€)
6.02 • 1023 (€)
x 100 ~ 0.005 %
0.005 % della somma vinta alla lotteria!!!!!!!!
Determiniamo N:
N=
Massa molare (g/mol)
Massa assoluta (g)
=
n° particelle
mole di particelle
Ricordando che 1 uma = 1.66 • 10-24 g si ha:
N = n° atomi di 12C in 1 mole (12 g) = 12 (g/mol) / [12 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (atomi/mol)
N = n° molecole di H2 in 1 mole (2 g) = 2 (g/mol) / [2 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (molecole/mol)
N = n° molecole di H2O in 1 mole (18 g) = 18 (g/mol) / [18 x 1.66 • 10-24(g)] = 6.022 • 1023 (molecole/mol)
1
1
N=
= 6.022 • 1023 =
uma
1.66 • 10-24
1 mole di oggetti significa sempre 6.022 • 1023 oggetti.
1 mole di H2O = 18 g di H2O
La MOLE nei calcoli stechiometrici:
Reazione chimica:
Va bilanciata:
H2 + O2
H2O
2H2 + O2
2H2O
COEFFICIENTE STECHIOMETRICO
Micro:
Macro:
Moli:
Massa:
1 molecola di O2 + 2 molecole H2
N molecole di O2 + 2 x N molecole H2
1 mole di O2 + 2 moli H2
32 g O2 + 4 g H2
Espressione qualitativa
Per la Legge di conservazione
della massa, che gli atomi restano
inalterati in numero e qualità.
Quindi: 1° membro = 2° membro
2 molecole di H2O
N molecole di H2O
LEGGE DI
2 moli di H2O
36 g H2O
CONSERVAZIONE DELLA MASSA