Corso di Chimica
Medicina e Chirurgia
Università degli Studi di Foggia
Titolare
Prof. Nazzareno Capitanio
La Chimica studia la composizione, la struttura, le proprietà e le
trasformazioni della materia.
Cammino logico del corso
Chimica generale:
concetti fondamentali riguardanti la struttura
dell’atomo, i legami, le soluzioni,
gli equilibri, le reazioni, la termodinamica e
la cinetica chimica, l’elettrochimica.
LEZIONI ED ESERCITAZIONI
Chimica organica:
chimica del carbonio, principali gruppi
funzionali e loro reattività.
Propedeutica biochimica e biochimica:
studio delle principali molecole di interesse
biologico e loro ruolo nelle cellule viventi.
G
E
N
E
R
A
L
E
O
R
G
A
N
I
C
A
Esaminare la storia
della elaborazione di un
modello è importante per
rendersi conto di come avvenga
lo sviluppo della conoscenza scientifica
ed anche per capire che ogni modello non può
essere considerato definitivo e perfetto: lo è solo fino a
quando i dati sperimentali rientrano nel modello disegnato ed accettato;
quando essi divergono, occorre modificarlo o, addirittura, cambiarlo totalmente.
Schematizzazione dei processi che portano alla costruzione e al mantenimento di un modello
scientifico. Lo schema rappresenta una elaborazione delle teorie di Popper:
la realtà (cioè uno o più fenomeni reali), mediante processi di analogia, viene rappresentata in un modello;
questo viene implementato (costruito razionalmente), generalizzato (anche ad altri fenomeni analoghi) e
codificato (mediante strumenti e conoscenze matematiche viene espresso in modo "formale"); questa
sequenza di processi porta ad una teoria.
Ogni teoria deve essere poi falsificata (messa in crisi con nuove esperienze o utilizzando nuovi dati
sperimentali), particolarizzata (applicata al fenomeno specifico) ed estesa (ad altri fenomeni). Se questa
sequenza regge, il modello viene mantenuto; se non regge il modello deve essere adeguato (modificandolo)
oppure può essere necessario anche cambiarlo totalmente.
“La ricerca scientifica
equivale a fare sesso …
nel farla non si pensa alle
……conseguenze.”
(J. Robert Oppenheimer)
Leggi quantitative di base della chimica:
1. Conservazione delle masse (Lavoiser)
2. Proporzioni definite (Proust)
3. Proporzioni multiple (Dalton)
Jackson Polok, Alchemy, 1947
Antoine Laurent Lavoiser
(1743-1793)
Legge di conservazione delle
masse
Durante
una
trasformazione
chimica ordinaria non vi è
guadagno né perdita apprezzabile
di massa
Nulla si crea nulla si distrugge tutto si trasforma
M. ESCHER
Legge delle proporzioni
definite:
Quando gli elementi si
combinano per formare
composti, essi lo fanno
secondo proporzioni in
peso definite.
Proust
Verifica delle leggi di Lavoisier e Proust
CARBONIO + OSSIGENO ANIDRIDE CARBONICA
+
CARBONIO
(grammi)
OSSIGENO
(grammi)
ANIDRIDE CARBONICA
(grammi)
0.818
2.727
12.00
2.182
7.273
32.00
3.00
10.00
44.00
CARBONIO + OSSIGENO ANIDRIDE CARBONICA
+
32.0
12.0
+
15.0
44.0
32.0
+
44.0
3.0
carbonio
residuo
Legge delle proporzioni
multiple:
Quando due elementi si
combinano per formare più
di un composto, il loro
rapporto in peso in un
composto
diviso
per
il
rapporto in peso in uno
qualsiasi
degli
altri
composti, è dato da una
frazione
espressa
numeri interi semplici.
da
John Dalton
CARBONIO + OSSIGENO ANIDRIDE CARBONICA
+
7.273
2.727
C/O
0.375
O/C
2.667
10
CARBONIO + OSSIGENO MONOSSIDO DI CARBONIO
+
4.286
C/O
0.750
5.714
10
O/C
1.333
C/Oan.car. O/Can.car.
C/Omon.car. O/Cmon.car.
1:2
2 :1
La legge delle proporzioni multiple è valida per quanto piccole siano le
masse prese in considerazione. E’ quindi verosimile che andando a
ritroso nell’infinitamente piccolo possiamo immaginare che le
sostanze siano costituite da particelle elementari che si combinano
secondo rapporti definiti.
SE
C/Oan.car. O/Can.car.
C/Omon.car. O/Cmon.car.
1:2
2 :1
Se assumiamo che il monossido di carbonio sia la sostanza più semplice,
con una particella di carbonio per ogni particella di ossigeno, vuol dire
che nella anidride carbonica vi è una quantità di particelle di ossigeno
doppia rispetto a quelle di carbonio ed è possibile definire per questa
una formula chimica minima che sarà: CO2
Il monossido di carbonio avrà conseguentemente formula CO.
C
1g
+
O
1.33 g
O
1.33 g
O
1.33 g
C
1g
O
1.33 g
Anidride carbonica
CO2
C
1g
+
O
1.33 g
O
1.33 g
C
1g
Monossido di carbonio
CO
“Dividere un corpo significa separare gli
esseri semplici, gli ‘ atomi’ che lo
compongono; essi sono eterni,
intrasformabili, indivisibili,impenetrabili.
Gli atomi muovendosi in tutte le direzioni,
possono urtarsi e rimbalzare mutando
velocità; gli urti avvenuti di striscio
originano i vortici che a loro volta sono
capaci di generare corpi e mondi”.
…………
“Secondo le convenzioni vi è un dolce ed un
(Democrito di Abdera) amaro, un caldo ed un freddo, e secondo le
convenzioni vi è un ordine. In verità vi sono
atomi e vuoto.”
Dal De Rerum Naturae di Lucrezio
Teoria atomica di Dalton
1. Gli atomi degli elementi sono le
particelle basilari della materia.
Essi sono indivisibili e non possono
essere né creati né distrutti.
2. Gli atomi di un dato elemento sono
identici, avendo lo stesso peso e le
stesse proprietà chimiche.
3. Gli atomi di elementi diversi si
combinano tra di loro in rapporti di
numeri interi semplici per formare
le molecole di composti.
4. Gli atomi di elementi diversi
possono combinarsi in più di un
rapporto di numeri interi semplici
per formare più di un composto.
ELEMENTI, COMPOSTI , MISCELE
Classificazione della materia :
sostanze pure
materia
miscele
elementi ( es. oro,ferro)
composti(es. acqua,sale)
di elementi(es. miscela Zn/Cu)
di composti(es. miscela sale/acqua)
di elementi e composti
(es. miscela di azoto, ossigeno,
ossido nitrico,anidride carbonica)
Gli ELEMENTI sono sostanze formate da atomi dello stesso tipo.
I COMPOSTI sono sostanze più complesse formate da atomi differenti che per
mezzo di reazioni chimiche si decompongono in elementi.
L’ ATOMO è la più piccola parte dell’elemento che conserva tutte le
caratteristiche strutturali per l’identificazione dell’elemento
a cui appartiene.
Def. di FASE Per fase si deve intendere una porzione di materia che presenta
una composizione omogenea e costante senza alcuna superficie di
separazione.
Una miscela in cui è presente una sola fase è detta omogenea. Tipico esempio sono
le soluzioni (sale sciolto in acqua). Una miscela in cui è possibile evidenziare più di
una fase è detta eterogenea o miscuglio. (Es. miscela di acqua e sabbia).
Stati di aggregazione della materia e passaggi di stato
gassoso
brinamento
ebollizione
condensazione
sublimazione
solidificazione
liquido
fusione
solido
Stato gassoso : la materia è presente sotto forma di particelle in continuo
movimento che occupano in modo omogeneo tutto il volume
del recipiente di cui assumono la forma.
diminuizione di T
diminuizione di P
Stato liquido : la materia è presente sotto forma di particelle tra le quali si
esercitano forze di coesione che prevalgono su quelle di
movimento che tendono ad allontanarle; pertanto i liquidi
assumono la forma del recipiente ma hanno volume proprio.
diminuizione di T
diminuizione di P
Stato solido : la materia è formata da particelle legate da forze attrattive
o di coesione per cui le sostanze solide assumono una disposizione
obbligata nello spazio avendo forma e volume propri.
VISIONE SEMPLIFICATA DELL’ATOMO
Un atomo può essere assimilato ad una minuscola sfera che occupa
la parte centrale ( il nucleo), circondata da una nube di elettroni.
p Protone : ha carica elettrica positiva (+) e presenta e
n Neutrone :
non ha carica elettrica ma presenta
una massa pari a 1.674 x 10-24 grammi.
e
e
e
e
una massa pari a 1.672 x 10-24 grammi.
nucleo
e
e
e
e
e
Elettrone : ha carica elettrica con valore uguale a quella
e
n
pn p p
p
p nn
p
p
p
n
n n p nn
p p npn
e
e
e
e
e
e
e
e
ne
del protone ma con segno negativo (-) e possiede
una massa di circa 1840 volte inferiore rispetto
a quella del protone.
Un atomo neutro, chiaramente deve avere un uguale numero
di protoni ed elettroni :
p + e = carica elettrica netta uguale a zero
e
e
e
e
e
e
Numero atomico (Z): n.ro dei protoni
e
e
Ione positivo o catione
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
e
Ione negativo o anione
Numero di massa (A): n.ro dei protoni + n.ro dei neutroni
Le proprietà chimiche di un atomo e quindi il suo comportamento, dipendono dalla
configurazione dello strato più esterno di elettroni appartenenti ad esso.
Se questa figura fosse disegnata nella scala data da protoni
e neutroni i quark e gli elettroni avrebbero le dimensioni di
circa un millimetro e l’atomo di circa un chilometro
18 Settembre 2002
Recentemente antiatomi di anti-idrogeno (anti-H = anti-p + e+) sono stati prodotti al
CERN, decelerando antiprotoni e antielettroni tenuti "imbottigliati" nel vuoto tramite
campi magnetici. L'anti-idrogeno è più difficile da "imbottigliare" perché
elettricamente neutro; la maggior parte degli antiidrogeni raggiunge una parete dove
annichila con un atomo del mezzo.
Oggi l'antimateria è usata ogni
giorno in medicina per
analizzare lo stato del
cervello, tramite la tecnica
chiamata Positron Emission
Tomography (PET). La PET è
un metodo di indagine che
permette di misurare funzioni
metaboliche e reazioni
biochimiche in vivo ed ha larga
applicazione nelle
neuroscienze, in oncologia e
cardiologia.
Nella PET i
positroni provengono dal
decadimento di nuclei
radioattivi che vengono
incorporati in un fluido
speciale, iniettato poi per via
endovenosa al paziente. I
positroni emessi
annichilano con gli
elettroni degli atomi vicini
e danno luogo a due raggi
gamma emessi in direzioni
opposte. Essi vengono rivelati
tramite opportuni rivelatori ,
disposti in "anelli" attorno al
paziente, per individuare e
registrare i punti in cui si sono
verificate le annichilazioni e
quindi ricostruire dove si è
distribuito il radiofarmaco nel
corpo.
Tipica immagine di un esame PET che rappresenta l'attività metabolica
cerebrale. La corteccia cerebrale e il cervelletto mostrano un'attività elevata
(rosso), mentre le strutture profonde sono meno attive (verde e blu).
Brain imaging with positron emission tomography (PET) reveals the different regions
of the human brain active during various verbal tasks.
Si definiscono ISOTOPI o NUCLIDI di un elemento, atomi che hanno lo
stesso numero atomico Z, ma differiscono per il numero di massa A.
numero di massa
A
X
Z
numero atomico
ISOTOPI DEL CARBONIO
e-
n
simbolo dell’elemento
Alcuni isotopi sono stabili, altri ( i radioisotopi) sono instabili
e tendono alla stabilità emettendo radiazioni (, o )
disintegrandosi in elementi stabili.
+
12
6C
p+
n = 12 - 6 = 6
sorgente radioattiva
e-
n
p+
radioisotopo
14
6C
n = 14 - 6 = 8
Deviazione delle radiazioni , e
sotto l’azione di un campo elettrico.
La stabilità o l’instabilità di un nuclide dipende dal rapporto n/p
Grafico di stabilità e decadimento degli isotopi
Curva di energia di legame per nucleone
Fissione
Gli isotopi in questa
area emettono -
Fusione
Gli isotopi in questa
area emettono +
Regione
di massima
stabilità
Difetto di massa
Parte della massa (m) di un nucleo
è stata convertita in energia (E)
utilizzata come energia di legame
nucleare :
E = (m)c2
MASSA ATOMICA
Nucleoni (protoni e neutroni)
Ordine di grandezza : 10-24 g
Si è convenuto di utilizzare la seguente grandezza come unità di riferimento:
1/12 della massa dell’isotopo 12C = 1.6605 x 10-24 g
Tale massa è chiamata unità di massa atomica (u.m.a.)
o equivalentemente Dalton (Da).
Qualsiasi massa atomica quindi, è rapportata alla massa presa come riferimento
(u.m.a.); pertanto la massa atomica è una grandezza relativa, e di conseguenza
il valore numerico è puro, adimensionale.
Massa atomica in g
Riferimento : 1.66 x 10-24 g
H
: 1.673 x 10-24 g
O
: 2.656 x 10-23 g
U
: 3.951 x 10-22 g
Massa atomica di riferimento Massa atomica relativa
/
/
/
/
1.66 x 10-24 g
1.66 x 10-24 g
1.66 x 10-24 g
1.66 x 10-24 g
1
1.008
15.99
238.03
Numero di massa
massa espressa in Daltons
contribuita dai protoni + neutroni
presenti nel nucleo atomico
A
Z
Numero atomico
E
numero dei protoni presenti
nel nucleo
Simbolo dell’elemento
10.811
B
5
Numero di massa
10.811
Numero atomico
5
B
Simbolo dell’elemento Boro
n: neutrone
p: protone
e: elettrone
10 B
5
: 10.0129 uma
19.91 %
11 B
5
% naurale degli
Isotopi del BORO
: 11.0093 uma
80.09 %
Massa atomica del Boro in natura:
19.91x10.0129 + 80.09x11.0093 = 10.811
100
Per MOLECOLA si deve intendere la più piccola unità discreta,
costituita da 2 o più atomi uguali o diversi, che mantiene le stesse
caratteristiche chimiche del composto , ad es. H2O , NH3 , C6H12O6
.
Peso Molecolare: somma dei pesi atomici di tutti gli atomi che costituiscono
la molecola “discreta”.
Per composti costituti da un insieme continuo di atomi si parla di formula
empirica, che indica solo il tipo di atomi e in quale rapporto sono presenti,
essendo per tali composti impossibile identificare una singola molecola, caso ad
esempio dei composti ionici, ad es. NaCl , o delle strutture cristalline dei metalli.
Peso Formula: somma dei pesi atomici di tutti gli atomi che costituiscono
la formula empirica.
Elementi
e
Allotropia
Gli elementi sono sostanze formate da atomi dello stesso tipo; gli elementi
possono essere formati da singoli atomi isolati (ad es. gas nobili come Ar o il
Ne); oppure possono essere formati da un ben definito numero di atomi legati
covalentemente (ad es. H2 , O2 , S8); inoltre possono essere costituiti da un
insieme continuo di atomi sempre legati in maniera covalente (ad es. diamante,
grafite), ed infine possono essere formati da un insieme continuo di atomi
legati con legame metallico (ad es. Fe, Al).
Si definiscono forme allotropiche quelle strutture molecolari che pur
avendo lo stesso tipo di atomo differiscono per il numero di atomi e per il
modo in cui sono legati tra loro.
Es.: O2 (ossigeno molecolare) ; O3 (ozono)
forme allotropiche dell’elemento ossigeno (O)
grafite
FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO
diamante
fullerene
MOLE
MOLE: il chimico progetta operazioni per le quali
deve misurare quantità di sostanza in base ad una
espressione simbolica che rappresenta la reazione.
Poiché non è pensabile che possa "contare" atomi o
molecole, è utile definire una quantità di sostanza
proporzionale al numero di entità (atomi, molecole,
ioni...) che la costituiscono; si chiama mole una
quantità di sostanza che contiene tante unità quanti
atomi sono contenuti in 0,012 kg (12g) di 12C, cioè in
una mole di isotopo 12 del carbonio, il consueto
isotopo di riferimento. Il numero di unità contenute
in una mole si chiama numero o costante di
Avogadro (NA o N).
Il suo valore si può ricavare dal rapporto fra 0,012
kg e 12 volte la massa unitaria:
NA = 0,012 / (12 x 1,660531 x 10-27) = 6,022169 x
1023 mol-1
Il chimico usa questa costante non solo per misurare quantità di
sostanza, ma anche per riferirsi a proprietà fisiche o chimiche;
perciò normalmente una grandezza viene espressa rispetto ad una
mole anziché ad un singolo atomo o molecola. Per esempio, l'E di
ionizzazione E.I., che per un atomo di H è 21,8 x 10-19 J , viene
generalmente espressa per una mole di H: E.I. = 21,8 x 10-19 J x
6,022 x 10-23 mol-1 = 131,28 x 104 J mol-1.
Se si misura il volume di una mole di un elemento solido, questo
volume, diviso per NA dà circa il volume di un atomo di
quell'elemento.
MOLE
Quantità espressa in grammi pari alla massa della sostanza
(atomo o molecola) espressa in unità di massa atomica.
Es. NaCl (cloruro di sodio)
P.A. Na : 22.99 d
P.A. Cl : 35.45 d
P.M. NaCl : 58.44 d
1 mole di NaCl
58.44 g
Una mole di una qualsiasi sostanza contiene lo stesso numero di
particelle , detto numero di Avogadro : N = 6.023 x 1023
Il numero di moli contenuto in una nota massa di una sostanza
può essere calcolato dalla seguente relazione :
Problema : dati 233.76 g di NaCl
Risposta :
n?
n (moli) =
numero di molecole ?
n = 233.76 = 4 ; numero di molecole : 4 x N = 24 x1023 = 2.4 x1024
58.44
m (g)
P.M. (g/mole)
MA GLI ATOMI SI POSSONO
VEDERE ?
Scanning
Tunneling
Microscopy
Scanning Tunneling Microscopy
Ferro su Rame
ATOMO
IN GIAPPONESE
Molecola di DNA
a doppia elica
Da " Pensieri " 1670 (72° pensiero)
Blaise Pascal (1623-1662)
….. Io voglio fargli osservare ancora un nuovo
abisso. Voglio dipingergli non solamente l'universo
visibile, ma l'immensità che si può concepire nella
natura, nel recinto di questo compendio di atomo.
Ch'egli vi veda una infinità di universi, di cui
ciascuno abbia il suo firmamento, i suoi pianeti, la
sua terra, nella medesima proporzione del mondo
visibile; ……..
……Perché infine, che cosa è l'uomo nella natura ?
un nulla rispetto all'infinito, un tutto rispetto al
nulla: una via di mezzo tra tutto e nulla.
Infinitamente lontano dal comprendere gli estremi,
per lui la fine e il principio delle cose sono
invincibilmente
nascosti
in
un
segreto
impenetrabile: egualmente incapace di vedere il
nulla donde egli è tratto e l'infinito nel quale è
inghiottito. Che farà egli dunque, se non percepire
qualche apparenza dello stato medio delle cose in
una disperazione eterna di non conoscere né il loro
principio, né la loro fine ?
