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INTRODUZIONE ALLA CHIMICA GENERALE
La chimica è la materia che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le
trasformazioni della materia.
Si definisce materia tutto ciò che ha una massa ed occupa un volume.
La massa è la quantità di materia di un corpo e si misura quindi in kg (o suoi
multipli o sottomultipli). Lo strumento necessario per la determinazione della massa
è quindi la bilancia.
Il volume è lo spazio che un corpo occupa. Esso si può esprimere in litri, (l , cl, ml,
ecc.) o in metri cubi (cm3 , mm3 , ecc.). Ad esempio, il volume di un sassolino lo si
può determinare immergendolo in un cilindro graduato mezzo pieno d’acqua. Da
quanto aumenta il livello dell’acqua nel cilindro si ricava il volume del sasso.
La densità o, più correttamente, la massa volumica, (una volta chiamato peso
specifico) è la quantità di materia in unità di volume, per cui si ottiene dal rapporto
tra la massa e il volume: d = m
v
Si esprime in kg/m3 . Un corpo molto denso è quello che ha molta materia in poco
volume.
Elementi e composti.
La materia, i corpi e qualunque oggetto, sono costituiti da elementi. Il rapporto tra
corpi ed elementi è come quello tra un libro e le diverse lettere dell’alfabeto con cui
questo libro è scritto. Con una ventina di lettere è possibile costruire un’infinità di
parole! Analogamente, con circa un centinaio di elementi esistenti in natura, è
possibile costruire una infinità di “parole” che corrispondono ai composti.
Come la combinazione di due o più lettere dell’alfabeto forma le parole, la
combinazione di due o più elementi forma i composti.
La parte più piccola in cui può essere scomposto un elemento è l’atomo.
Gli atomi che costituiscono un elemento sono tutti uguali tra loro. Esistono in natura
tanti tipi di atomi quanti sono gli elementi.
Alcuni materiali omogenei (ad esempio il sale puro, lo zucchero puro, lo zolfo puro),
aventi sempre la stessa composizione, sono definiti sostanze.
La chimica si occupa in gran parte dello studio dei processi attraverso cui le sostanze
possono trasformarsi in altre sostanze. Secondo la Teoria Atomica la materia è
costituita da piccolissime particelle dette atomi. Le sostanze costituite da un solo
tipo di atomi vengono chiamate elementi. (ad es.: zolfo, ossigeno, idrogeno, azoto,
rame, ecc.). Le sostanze costituite da più di un tipo di atomo sono chiamate
composti (es.: zucchero, sale).
L’insieme di atomi da luogo a molecole, che risultano perciò costituite da atomi
uguali o diversi.
Gli atomi che costituiscono un composto sono presenti secondo un rapporto definito
e costante.
g. nalin
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LA MATERIA E I SUOI STATI DI AGGREGAZIONE
La materia può trovarsi in tre stati di aggregazione:
Solido
Liquido
Gassoso
Prendiamo l’acqua: in natura la si può trovare come acqua di fiume o di lago o di
mare, o solida come la neve o il ghiaccio; oppure, ancora, sotto forma di vapore
nell’aria.
I solidi hanno forma propria e volume proprio. Le particelle che formano un solido
sono strettamente avvicinate le une alle altre e disposte in ordine regolare, secondo
le tre direzioni dello spazio; non sono libere di muoversi come allo stato liquido o
gassoso.
I Liquidi hanno volume proprio, ma non hanno forma propria: assumono la forma
del recipiente che li contiene. Quando si parla di volume bisogna precisare sempre la
temperatura poiché, al variare di essa, il volume può subire un aumento o una
diminuzione.
Le particelle formanti un liquido sono meno strettamente avvicinate le une alle atre,
disposte con un certo disordine, con notevole libertà di movimento.
I gas non hanno forma propria né volume proprio, ma tendono ad occupare lo
spazio e ad assumere la forma del recipiente che li contiene. Le particelle formanti
un gas sono disposte con un disordine estremo e tanto distanziate le une dalle altre.
Le forze che tengono unite le particelle di un solido sono in genere molto intense. Le
forze esistenti fra le particelle formanti un liquido sono deboli. I gas hanno forze
attrattive debolissime, quasi inapprezzabili, data la distanza esistente fra particella e
particella. Ciò giustifica l’estremo disordine e la loro libertà di movimento.
g. nalin
2.1
I PASSAGGI DI STATO
I tre stati di aggregazione in cui può trovarsi la materia dipendono dalle condizioni
ambientali di temperatura e pressione in cui si trova. Al variare di queste condizioni si
può avere il passaggio da uno stato all’altro.
Prendiamo ancora ad esempio l’acqua: portandola da liquida alla temperatura di 0 °C e
alla pressione di 760 mm Hg, essa comincerà a trasformarsi in ghiaccio, quindi a passare
dallo stato liquido a quello solido. Questo passaggio si chiama solidificazione.
Prendiamo ora il ghiaccio: aumentiamo gradatamente la temperatura e vedremo che, ad
un certo punto esso comincia a sciogliersi. Questo fenomeno si chiama fusione.
Le temperature in cui avvengono i due passaggi di stato si chiamano rispettivamente:
temperatura di solidificazione e temperatura di fusione, ed hanno lo stesso valore,
ciò coincidono.
E’ interessante osservare come, durante questi due passaggi la temperatura della materia
(acqua o ghiaccio) rimanga costante finché non ne è avvenuta la completa fusione o
solidificazione.
L’altro passaggio di stato è l’evaporazione: con un ulteriore aumento della temperatura
alcune molecole di acqua abbandonano la superficie della massa liquida e passano allo
stato di vapore. Quando ciò avviene in maniera rapida si chiama ebollizione, e la
temperatura in cui inizia a verificarsi è la temperatura di ebollizione.
Il passaggio inverso, da vapore a liquido, si chiama condensazione; la condensazione è
un fenomeno molto comune, basti pensare alla formazione della rugiada, della nebbia e
delle nuvole.
Può succedere che una sostanza passi direttamente dallo stato solido a quello di vapore,
senza passare per lo stato liquido: questo fenomeno è la sublimazione (ne è un esempio
la naftalina).
Può succedere però anche il fenomeno inverso: che una sostanza gassosa diventi solida,
senza passare attraverso lo stato liquido. In natura succede, ad esempio, che l’umidità
dell’aria (acqua allo stato di vapore) in seguito all’abbassamento brusco della
temperatura al di sotto degli 0 °C, diventi ghiaccio e si formi la brina. Il fenomeno si
chiama brinamento.
Ogni volta che si ha un passaggio di stato, oltre a dover precisare il valore della
temperatura, occorre precisare anche quello della pressione.
I passaggi di stato sono semplici trasformazioni dello stato fisico della materia,
mentre le proprietà chimiche non subiscono alcuna variazione. I passaggi di stato sono,
inoltre, trasformazioni reversibili, cioè possono avvenire nelle due opposte direzioni.
Variando le condizioni di temperatura o di pressione si può, quindi, far avvenire un
cambiamento di stato o quello opposto.
g. nalin
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LA TEORIA ATOMICA, L’ATOMO DI DALTON E IL PESO ATOMICO
All’inizio dell’800, un chimico inglese, John Dalton, in seguito ad alcuni esperimenti,
elaborò una teoria atomica che può essere riassunta nei seguenti punti:
a) la materia è costituita da atomi;
b) l’atomo è indivisibile;
c) l’atomo è la più piccola parte di un elemento;
d) gli atomi non si possono trasformare in altri atomi;
e) gli atomi non possono essere né creati, né distrutti;
f) gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro, cioè hanno tutti lo stesso
peso, la stessa forma, le stesse dimensioni;
g) le reazioni chimiche consistono nella unione e nella separazione di atomi;
h) alle reazioni chimiche gli atomi partecipano sempre integri, senza mai frazionarsi.
Se gli atomi sono talmente piccoli da risultare invisibili anche ai più sofisticati microscopi,
figuriamoci se può essere possibile determinarne direttamente il peso!
Però è facile immaginare e possibile constatare che i diversi elementi abbiano un loro
diverso peso, come il punto f) ci dice. Conoscendo dalla formula chimica in quale
rapporto gli atomi degli elementi si uniscono per formare un composto e misurando
direttamente la quantità in peso con cui questi elementi si combinano, è possibile
ottenere un rapporto che corrisponde a quante volte un elemento pesa più di un altro
elemento. Si ottiene così un peso relativo, il Peso Atomico.
Il Peso Atomico di un elemento esprime quante volte l’atomo di un elemento pesa più
dell’unità prescelta.
L’unità di riferimento stabilita corrisponde alla dodicesima parte del peso di un atomo di
carbonio (P.A. = 12). Questa unità prende il nome di unità di massa atomica
(U.M.A.).*
Sapendo a quanti grammi corrisponde detta unità di misura, si può immediatamente
risalire al peso assoluto, in grammi, di un qualunque atomo: moltiplicando il peso
atomico per il peso in grammi dell’unità di riferimento. Una unità di massa atomica
equivale a 1,66 x 10-24 grammi.
Per fare un esempio, un atomo di idrogeno, il cui peso atomico è 1,008 U.M..A, ha un
peso assoluto che è uguale a:
1,008 X 1,66 X 10-24 g = 1,673 x 10-24
g.
(prova a fare qualche esempio anche tu).
(* l’unità di massa atomica è detta anche Dalton. Essa corrisponde al peso di un protone
o di un neutrone).
g. nalin
Per rappresentare un atomo possiamo disegnare qualcosa che ci ricorda il sistema
solare, in cui gli elettroni sono come i pianeti in orbita attorno al sole, che
rappresenta il nucleo dell’atomo:
orbita
protone (carica
elettrica positiva)
neutrone (senza carica
elettrica)
nucleo
elettrone(carica
elettrica negativa)
l’atomo qui rappresentato ha:
il numero atomico = 1
il numero di massa = 2
ed è elettricamente neutro
I protoni e gli elettroni hanno cariche uguali ma opposte; il numero di elettroni è
uguale a quello dei protoni, quindi un atomo è neutro.
Il neutrone è una particella priva di carica e avente più o meno la stessa massa del
protone.
La massa di un atomo è dato dalla somma dei protoni e dei neutroni presenti nel
nucleo di un atomo.
NB: il nucleo è la zona dell’atomo in cui è concentrata quasi tutta la massa e la
carica positiva dell’atomo. Esso ha un raggio di circa 10.000 volte più piccolo di
quello dello stesso atomo.
g. nalin
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IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA
Sebbene vi siano poco più di cento elementi, esistono milioni di composti conosciuti
dai chimici. Evidentemente è più comodo rappresentare gli elementi ed i composti
mediante simboli e formule, per semplificare le scritture.
Simboli e formule chimiche ci aiutano a riconoscere e a classificare un vasto numero
di sostanze con le quali il chimico lavora, e costituiscono la base del linguaggio
chimico.
I simboli chimici degli elementi sono una forma di semplificazione, in quanto
sostituiscono l’intero nome di un elemento: così, ad esempio, Al rappresenta
l’atomo di alluminio.
La formula chimica è una combinazione di simboli e spesso dei numeri, i quali
informano sul tipo e sulla quantità di atomi che formano la molecola di un composto.
I numeri, posti in basso a destra del simbolo, indicano dunque le proporzioni nelle
quali gli elementi si trovano in un composto. L’acqua, per esempio, è costituita dagli
elementi idrogeno H e ossigeno O, e la sua formula chimica è H2O. Il numero 2,
piccolo e posto in basso, dopo l’H sta ad indicare che in quella molecola vi sono 2
atomi di idrogeno. L’ossigeno non è seguito da nessun numero, perciò è sottinteso
che nella molecola di acqua è presente solo un atomo di ossigeno.
Una formula mette quindi in evidenza due cose:
gli elementi presenti nel composto (informazione qualitativa)
il numero relativo di atomi presenti di ciascun elemento (informazione
quantitativa).
Esempio: quali e quanti atomi di ciascun elemento sono presenti nei composti di questa tabella?
COMPOSTO
FORMULA
ELEMENTI e rispettiva quantità
Ammoniaca
Glucosio
Sale da cucina
Acqua ossigenata
Candeggina
NH3
C6H12O6
NaCl
H2O2
NaClO
Azoto (1) ammoniaca (3)
Carbonio (6) idrogeno (12) ossigeno (6)
Sodio (1) Cloro (1)
Idrogeno (2) ossigeno (2)
Sodio (1) Cloro (1) Ossigeno (1)
g. nalin
Gli elementi si possono trovare costituiti da atomi singoli, come ad esempio l’elio
(He), il ferro (Fe), ecc.; alcuni elementi sono, invece, costituiti da molecole e
vengono rappresentati con formule:
P4 è una molecola di fosforo formata da 4 atomi;
Se scrivo: 2P4 voglio quindi indicare due molecole di fosforo.
Molti elementi hanno molecole “biatomiche”, come ad esempio:
l’idrogeno H2
l’ossigeno O2
l’azoto
N2
il ferro
F2
il cloro
Cl2
il bromo Br2
lo iodio
I2
Proviamo a rappresentare con disegni le diverse situazioni:
P4
è una molecola di fosforo
4He sono quattro atomi di elio
3H2 sono tre molecole biatomiche di idrogeno
g. nalin
