Chimica
La Chimica è la scienza che descrive la
materia, le sue proprietà e le trasformazioni
che essa subisce, insieme alle variazioni
energetiche che accompagnano questi
processi
La Chimica è la scienza che cerca di
comprendere il comportamento della
materia studiando il comportamento di
atomi e molecole
1
La chimica: una scienza a tre livelli
• Macroscopico
• Microscopico
• Simbolico
2
• In che modo le sostanze si combinano per formare altre
sostanze? Quanta energia c’è in gioco nelle
trasformazioni che osserviamo?
• Come è costituita la struttura intima della materia? In che
modo gli atomi e le loro combinazioni si correlano a
quelle proprietà misurabili della materia come il colore, la
durezza, la reattività chimica e la conducibilità elettrica?
• Quali fattori fondamentali influenzano la stabilità di una
sostanza? Come possiamo far avvenire una certa
trasformazione energeticamente sfavorita? Quali fattori
controllano la velocità associata ad una trasformazione
chimica?
3
4
Le branche della chimica
•
•
•
•
•
•
•
Chimica Inorganica
Chimica Organica
Chimica Fisica
Chimica Analitica
Biochimica
Scienza dei Materiali
Etc.
5
6
METODO SCIENTIFICO
Consiste, da una parte, nella raccolta di
evidenza empirica e misurabile attraverso
l'osservazione e l'esperimento; dall'altra,
nella formulazione di ipotesi e teorie da
sottoporre nuovamente al vaglio
dell'esperimento.
7
8
ACCURATEZZA
L’accuratezza esprime la vicinanza del risultato
al valore vero o accettato come tale.
PRECISIONE
La precisione descrive l’accordo tra due o più
misure replicate.
9
10
Metodi diversi di calcolo basati sulla velocità di espansione dell’universo
e sul decadimento dei nuclidi a vita lunghissima hanno portato a stimare
un’età dell’universo intorno a 15 miliardi di anni a partire dal Big Bang.
Per confronto, si consideri che la Terra ha circa 4.5 miliardi di anni, che la
vita è comparsa sulla Terra circa 3.8 miliardi di anni fa, i primi organismi
multicellulari 500 milioni di anni fa, i primati 70 milioni di anni fa e
L’homo sapiens meno di 200.000 anni fa.
Nulla sappiamo sull’evento iniziale del Big Bang (t=0) né ha senso
chiederci che cosa ci fosse prima: il tempo è nato col Big Bang e le leggi
della fisica, compresa la legge della relatività generale di Einstein, 11
cessano di avere validità all’inizio e alla fine del tempo
Solar System
Earth’s upper continental crust
12
Elementi chimici e vita degli organismi
13
La materia è tutto ciò che possiede massa ed
occupa spazio
L’energia è definita come la capacità di compiere
lavoro o di trasferire calore
Nell’universo la somma delle quantità di energia e
materia è costante: E = mc2
In chimica, la sostanza è una forma pura e unica di materia
14
Le sostanze
La materia è costituita da sostanze
Quando esse sono formate da atomi di una sola
specie atomica si chiamano sostanze elementari
Quando esse sono formate da atomi di specie
diverse si chiamano sostanze composte o
composti
Le proprietà delle sostanze vengono
definite chimiche o fisiche a seconda
che sia coinvolta o meno la formazione
di nuove sostanze.
15
Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata
senza mutare l’identità della sostanza in esame
Una proprietà chimica si riferisce
all’attitudine di una sostanza a mutarsi in
un’altra
17
18
Le proprietà della materia possono essere ulteriormente
classificate a seconda che esse dipendano o meno dalla
quantità di sostanza presente
• Proprietà estensive (volume, massa, etc.)
• Proprietà intensive (temperatura, colore,
etc.)
19
La materia si presenta in diversi stati di aggregazione (solido, liquido,
gassoso) a seconda della temperatura e della pressione.
Gli stati della materia
Il Solido possiede forma e volume ben definiti
Il Liquido possiede un volume definito e forma del contenitore
Il Gas possiede forma e volume del contenitore
STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA:
Solido
Ordine
Liquido
Gas
Disordine
Stato
della
Materia
Posizione delle Molecole
Interazioni
fra molecole
Gassoso
Non interagenti
Separate da grandi distanze
Collisioni tra
molecole
Liquido
Fortemente interagenti ma
disordinatamente disposte
Forze
attrattive
Solido
Ordinate a formare un
reticolo
Grandi forze
attrattive
Quali sono le tipiche densità nei tre stati di aggregazione?
Gas
Liquidi-Solidi (Fasi condensate)
10-3 g/cm3
1-10 g/cm3
La materia è costituita da atomi che si differenziano per le loro
proprietà.
Atomi con le stesse proprietà costituiscono gli elementi
Ogni elemento ha un suo nome e simbolo, costituito da una o
due lettere che normalmente corrispondono a quelle iniziali
del relativo nome latino (Es N da nitrogenium, Au da aurum,
Na natrium)
24
Fase
Porzione omogenea di materia limitata da superfici di
separazione ben definite
Miscela
Insieme di più individui chimici
a) Omogenea : l’insieme degli individui chimici che
costituiscono un’unica fase. Si chiama anche soluzione
b) Eterogenea: l‘insieme degli individui chimici che
costituiscono fasi diverse
Differenza tra miscele e composti
Miscela
I componenti si
possono separare
con l’ausilio di
tecniche fisiche
La composizione è
variabile
Le proprietà sono
affini a quelle dei
componenti
Composto
I componenti non si
possono separare
con l’ausilio di
tecniche fisiche
La composizione è
costante
Le proprietà sono
diverse da quelle dei
componenti
Tecniche di separazione
Le miscele si separano ricorrendo alle
differenze di proprietà fisiche tra i
componenti; tra le tecniche basate su
questo criterio vi sono la decantazione,
la filtrazione, la cromatografia e la
distillazione
Uno specifico tipo di materia viene chiamato sostanza
Sostanza pura
Miscela
• Una sostanza è un tipo particolare di materia che non
può essere ulteriormente decomposta o purificata con
metodi fisici. Ogni sostanza possiede proprie
caratteristiche specifiche che sono diverse dall’insieme
delle proprietà di ogni altra sostanza
• Un composto è quella sostanza che, mediante metodi
chimici, può essere trasformata in sostanze più semplici
che mantengono sempre lo stesso rapporto di massa
• Un elemento è una sostanza che non può essere
decomposta in sostanze più semplici mediante delle
trasformazioni chimiche
31
Le molecole
Le molecole sono aggregati discreti di atomi
tenuti insieme da legami chimici
Lo zolfo elementare brucia
all’aria con una fiamma
azzurra e produce SO2
32
TEORIA ATOMICA
La materia è continua solo su scala
macroscopica.
Per mettere in evidenza alcune proprietà
fondamentali della materia si deve
assumere un modello discontinuo, si deve
cioè ammettere che essa sia costituita da
particelle elementari, ma appare continua
alla nostra percezione visiva.
33
Tubo di Crookes
34
Modello di Thomson
Campo elettrico in grado di deviare i raggi catodici, portando
sostegno all’ipotesi della loro natura corpuscolare. Con il suo
esperimento, Thomson chiarì che i raggi catodici erano
particelle cariche negativamente (elettroni) e riuscì a misurare
il rapporto carica/massa. I suoi studi misero anche in
evidenza l’esistenza di altre particelle, di carica opposta e di
massa molto maggiore. (protoni)
Nel 1898 Thomson formulò il primo modello atomico.
35
36
MILLIKAN
37
Esperimento di Rutherford
Schermo fluorescente
di solfuro di zinco
Particelle deviate
Particelle riflesse
Sorgente radioattiva
Raggio di particelle alfa
Lamina d’oro
38
Modello di Rutherford
Rutherford evidenzia l’esistenza del nucleo dell’atomo
39
Il raggio di un atomo è dell'ordine di 1 Å
Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å
40
Atomi
Gli atomi sono costituiti da particelle
subatomiche dette elettroni, protoni e neutroni.
Protoni e neutroni formano un minuscolo, denso
corpo centrale detto nucleo dell’atomo.
Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio
intorno al nucleo.
41
Particelle subatomiche
Particella Carica
Carica Massa
(simbolo) assoluta relativa assoluta
x +1
1.6726 x
protone +1.6021773
10-19 C
10-24 g
(p)
Massa
relativa
1.0073
elettrone
(e)
-1.6021773 x
10-19 C
-1
9.109390 x
10-28 g
0.0005486
neutrone
(n)
0
0
1.6749 x
10-24 g
1.0087
42
Struttura dell’atomo
•Gli atomi sono costituiti da un
nucleo positivo e da elettroni
negativi.
•Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å.
•Il raggio di un atomo è dell'ordine
di 1 Å.
Proporzione: 100m vs 1mm
43
Nuclidi
A
Z
X
Un nuclide è un atomo caratterizzato dal numero atomico Z (numero di protoni) e
dal numero di massa A (numero di neutroni e di protoni).
Il nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni.
Il numero Z caratterizza la specie atomica.
1
1
H
12
6
16
C
8
O
44
Isotopi
Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che differiscono per il numero di
massa.
Isotopi hanno lo stesso Z (numero atomico) ma differente A (numero di massa)
Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela
isotopica naturale.
Le specie atomiche sono 106, di cui 90 naturali; di queste, 81 hanno almeno un
nuclide stabile.
14
12
6
C
6
C
45
Unità di massa atomica
46
Isotopi naturali di alcuni elementi
Nuclide
Massa relativa
% di nuclidi
1H
1,007825
2H
2,014102
3He
3,016030
4He
4,002604
6Li
6,015126
7Li
7,01605
9Be
9,012186
10Be
10,013535
10B
10,012939
11B
11,009305
11C
11,011433
12C
12
13C
13,003354
14C
14,003142
99,985
0,015
~ 10-4
~ 100
7,42
92,58
~ 100
tracce
19,6
80,4
tracce
98,89
1,11
tracce
47
Il peso atomico di un elemento è
il numero, computato in uma, che
esprime il valore della media
ponderata della massa dei nuclidi
isotopi che compongono
quell’elemento
48
In analogia al peso atomico si definisce anche un peso molecolare. Per
esempio, se avessimo un composto di formula A2BC3, il suo peso
molecolare sarebbe dato da:
p.m.= 2·p.a.(A) + p.a.(B)+ 3·p.a.(C)
Ed ha lo stesso significato, cioè ci dice quanto il composto è più pesante
49
del riferimento
1 mole = 6.0221415⨯1023 particelle
1 mole di atomi di qualunque specie contiene un numero di
Avogadro di atomi cioè 6.022·1023 atomi .
1 mole di qualunque composto contiene un numero di
Avogadro di molecole del composto cioè 6.022·1023 molecole.
Massa molare si intende la massa in grammi di una mole
Il peso in grammi di un atomo è pari alla sua massa molare
diviso il numero di Avogadro
50
La mole è la quantità di sostanza di un sistema
contenente tante entità elementari quanti atomi sono
contenuti in 12 g di 12C
51
Qual è il significato del simbolismo chimico?
Le formule (così come le reazioni chimiche) hanno un doppio
significato:
Qualitativo: perché ci dicono quali elementi entrano in gioco nella
formazione di un composto.
Quantitativo: perché entrano nel merito dei rapporti tra gli elementi che
costituiscono il composto.
Consideriamo per esempio la formula di:
H2SO4
Significato qualitativo
Contiene:
Idrogeno
Zolfo
Ossigeno
Significato quantitativo
Contiene:
2 atomi d’idrogeno
1 atomo di zolfo
4 atomi di ossigeno
53
Le formule delle sostanze
Le sostanze elementari ed i composti sono rappresentati graficamente con
simboli convenzionali: le formule chimiche
FORMULA MINIMA: (detta anche empirica) di una sostanza indica il numero
relativo di atomi dei diversi elementi contenuti nella sostanza.
In pratica indica il rapporto tra il numero di atomi presenti nella sostanza.
FORMULA MOLECOLARE: Quanti atomi di ciascun elemento entrano a fare
parte di una molecola di composto.
Indica il numero effettivo, totale, di tutti gli atomi presenti in una molecola
CH2O è la formula minima del glucosio
C6H12O6 è la formula molecolare del glucosio
Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete e pertanto
esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl2, Fe, C,
SiO2
54
Composti molecolari
Composti ionici
55
I composti ionici devono essere elettricamente neutri
- e- eformazione
M
M+
M2+ di un catione
__________________________
+ e- + e
X
XX2-
formazione
di un anione
Ora poiché da un acido si possono ottenere più anioni:
H2SO4
H3PO4
H2O + CO2
HSO4-
H2PO4-
HCO3-
SO42-
HPO42-
CO32-
PO43-
è possibile prevedere la formazione di diversi sali.
56
Che cos’è una reazione chimica?
A + B
reagenti
→ AB
prodotti
L’equazione chimica non s’inventa!
57
Principio di Lavoisier, Legge di conservazione della
massa (1797)
In una trasformazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale a
quella dei prodotti ovvero
“Nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma”
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Tre sono le leggi fondamentali che regolano l’andamento delle
reazioni chimiche:
1. Legge della conservazione della materia o della costanza della
massa: durante una reazione chimica la quantità di materia è
invariabile,
A + B →AB
m1
m2
deve accadere: m1= m2
2. Legge dell’invariabilità delle sostanze elementari: non si può
trasformare un elemento in un altro:
A ( elemento)
B ( elemento)
A → B non avverrà mai (in una reazione
chimica) !!!!
59
3. Legge delle proporzioni definite: ogni composto ha una composizione
costante, cioè contiene sempre gli stessi elementi secondo rapporti
definiti e costanti, caratteristici del composto:
1) H2O
acqua
2) H2O2
perossido d’idrogeno
3) N2O
ossido di diazoto o protossido di azoto
4) NO
ossido di azoto
5) N2O3
triossido di diazoto o anidride nitrosa
6) NO2 [N2O4]
biossido di azoto
7) N2O5
pentossido di diazoto o anidride nitrica
I composti 1-7 sono sempre formati dagli stessi elementi: idrogeno ed
ossigeno (1-2), azoto ed ossigeno (3-7), ma ogni composto individua
una sostanza con caratteristiche chimiche e fisiche differenti.
60
Molarità
• La molarità del soluto in una soluzione è la
quantità di soluto in moli diviso il volume
della soluzione espresso in litri
• Diluendo una soluzione ad un volume
maggiore, il numero totale delle moli di
soluto non cambia, però si riduce la
concentrazione del soluto
