le-sostanze-chimiche

Le sostanze chimiche
Ingredienti base della materia
La materia si presenta con diverse forme.
Accade perché esistono moltissimi «ingredienti di base»
che mescolandosi tra loro danno innumerevoli combinazioni.
Gli ingredienti base sono:
Le sostanze che costituiscono la materia
Una sostanza (o sostanza pura) è un tipo di materia dotata di proprietà specifiche che la distinguono
da qualunque altra sostanza
Ingredienti base della materia
Le sostanze sono un particolare tipo di materia con caratteristiche sue proprie, perché formata da un
certo numero di particelle (tomi o molecole).
Le sostanze possono trasformarsi …… cambiano cioè lo stato di aggregazione delle particelle che le
compongono
Esempio: l’acqua formata da atomi di idrogeno e ossigeno passa dallo stato solido a quello liquido
(fusione) o dallo stato liquido a quello solido (solidificazione) senza cambiare il tipo di materia
Cos’è allora che fa cambiare l’aspetto fisico della materia ma non la sua natura?
Un fenomeno fisico è una trasformazione che non cambia la natura delle sostanze
I fenomeni che comportano una trasformazione della materia prendono il nome di fenomeni chimici
Dalle trasformazioni fisiche alle trasformazioni chimiche
La materia è sottoposta in ogni momento a modificazioni e trasformazioni.
I cambiamenti della materia possono essere, per esempio, variazioni
• dello stato di aggregazione;
• delle dimensioni;
• del colore
La chimica è quella scienza che si occupa della
struttura della materia e le trasformazioni che
subisce
La fisica si occupa di quei fenomeni che
riguardano la materia lasciandone inalterata la
struttura
Trasformazioni fisiche
Le trasformazioni fisiche producono una modificazione fisica della materia e non producono
nuove sostanze.
Trasformazioni chimiche
Le trasformazioni chimiche sono modificazioni che comportano una variazione
della composizione chimica delle sostanze con formazione di nuove sostanze.
Trasformazioni chimiche
Nelle trasformazioni chimiche le sostanze originarie si dicono reagenti, le nuove
sostanze prendono il nome di prodotti.
reagenti
prodotti
Reazioni chimiche
Una reazione chimica è un processo che porta alla formazione di nuove sostanze,
i prodotti, trasformando profondamente le sostanze di partenza, i reagenti.
reazione chimica
REAGENTI
PRODOTTI
Trasformazioni chimiche
Nelle reazioni chimiche la quantità di materia usata come reagenti è la stessa nei prodotti
Legge della conservazione della massa o Legge di Lavoisier
(formulata nel 1789 da Antoine-Laurent Lavoisier)
In una reazione chimica la massa dei prodotti di reazione è uguale alla massa dei reagenti.
Reagente
Reagente
Prodotto
Reagente
Reagente
Prodotto
Trasformazioni chimiche
Le trasformazioni chimiche possono presentare alcuni cambiamenti caratteristici
• formazione di bollicine;
• variazione di colore;
• formazione o scomparsa di un solido;
• liberazione di prodotti gassosi profumati o maleodoranti;
• riscaldamento o raffreddamento del recipiente in cui avviene la reazione.
È solo attraverso l’analisi chimica
che si determina con certezza se una trasformazione è chimica o fisica.
Le sostanze
La sostanza che compone la materia è costituita a sua volta da piccolissime particelle che
Democrito (già 2400 anni fa) chiamò
ATOMI
Gli atomi a loro volta si possono attaccare ad altri
atomi formando le
atomo
MOLECOLE
L’atomo
L'atomo, la particella che come un mattone
costituisce tutta la materia, non è un
corpicciolo semplice.
Esso è a sua volta composto da particelle
elementari piccolissime: i protoni, i neutroni e
gli elettroni.
Atomo di Ossigeno
Elettrone
Neutrone
Protone
Struttura dell’atomo
La parola atomo deriva dal greco e significa indivisibile,
ma in realtà l’atomo contiene particelle ancora più piccole.
Queste sono
Gli elettroni  eI protoni
 p+
I neutroni  n
(privi di carica)
Caratteristiche delle particelle fondamentali dell’atomo
• I neutroni sono privi di carica
•
I protoni hanno carica elettrica positiva
• I neutroni e protoni hanno massa quasi uguale
(massa= quantità di materia che costituisce l’elemento stesso)
•
Gli elettroni:
- hanno carica elettrica negativa
- sono presenti nello stesso numero dei protoni
- ruotano attorno al nucleo senza seguire
un'orbita precisa
Normalmente, in un atomo il numero degli elettroni è uguale al numero dei
protoni perciò l’atomo risulta neutro (le cariche negative degli elettroni
neutralizzano quelle dei protoni se presenti in numero uguale)
Gli strati o gusci
Gli elettroni si trovano intorno al nucleo.
Occupano regioni quasi sferiche chiamate strati o gusci via via più grandi
Gli elettroni si dispongono nei vari strati a partire da quelli più interni.
STRATI O GUSCI
DELL ATOMO
n° ELETTRONI
OSPITATI
1° STRATO
2 e-
2° STRATO
8 e-
3° STRATO
8 e-
4° STRATO
18 e-
5° STRATO
18 e-
6° STRATO
32 e-
7° STRATO
32 e-
Ma con quale ordine gli elettroni occupano un guscio invece che un altro?
Gli elettroni occupano dapprima il primo strato quando questo è completo passano
a occupare il secondo strato finchè anche questo non risulta pieno, e così via
Gli strati o gusci
Per esempio:
L’idrogeno possiede 1 protone e 1 quindi un elettrone
L’elio possiede 2 protoni e due elettroni
Il litio possiede 3 protoni e 3 elettroni
Il neon ha in tutto 10 elettroni così da completare sia il primo che secondo strato
Il sodio ha 11 elettroni
L’argo completa anche il terzo strato con 18 elettroni
La natura elettrica della materia
Lo strofinio di qualsiasi oggetto provoca la comparsa su di esso di una carica elettrica che può
attrarre piccoli oggetti.
La carica elettrica può essere positiva o negativa.
Cariche di segno opposto si attraggono, cariche di segno uguale si respingono.
Un corpo è elettricamente neutro quando presenta un uguale numero di cariche positive e negative.
Lo strofinio fa migrare da un corpo ad un altro cariche negative chiamate elettroni.
Un oggetto elettricamente carico può caricare un altro corpo per induzione.
Numero atomico
Ciò che distingue un elemento da un altro è
Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico (Z).
Se l’atomo è neutro, questo numero è uguale a quello degli elettroni.
Per esempio, l’alluminio (Z = 13)
dispone 2 elettroni nel primo guscio,
8 elettroni nel secondo e
i restanti 3 elettroni nel terzo guscio
Numero di massa
Il numero di particelle complessive contenute nel nucleo di un atomo si ottiene sommando il
numero di protoni al numero di neutroni.
Il numero di massa (A) è uguale alla somma del numero di protoni (Z) e del numero di neutroni
(n°) contenuti nel nucleo
A = Z + n°
Il numero di massa dà un’idea di quanto è massiccio un atomo, dato che tutta la sua massa è
concentrate nel nucleo
Isotopi
Cosa sono gli isotopi???
Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento con un numero diverso di neutroni.
Il numero di massa (= al numero dei neutroni) può variare per uno stesso elemento
In un elemento il numero di protoni resta uguale ma, può cambiare il numero di neutroni
Peso atomico o massa atomica
Quanto pesano gli atomi dei vari elementi?
Quanto gli uni sono più pesanti degli altri?
Il peso atomico non mi dà la misura del peso assoluto in grammi di un atomo.
ATTENZIONE PERO’ CHE
La massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo ed è rappresentata da neutroni e protoni che hanno massa
uguale.
Se conosciamo il numero totale dei protoni e dei neutroni di un atomo, cioè il suo numero di massa, lo
possiamo confrontare con il numero di massa di un altro atomo, così da poter dire quante volte pesa il primo
relativamente al secondo .
Per fare questo confronto si prende in considerazione la
u.m.a.  unità di massa atomica
Rappresentata dalla dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio
Peso atomico
Il peso atomico (p.a.) o massa atomica relativa di un elemento, esprime quante volte
l’atomo di quell’elemento pesa più della dodicesima parte dell’atomo di carbonio (che
ha numero di massa 12).
Esempio: se leggiamo che il p.a. (peso atomico) dell’ossigeno è circa 16,
significa che la massa di un atomo di ossigeno è 16 u.m.a.
Quando gli atomi si uniscono: La molecola
Come si chiamano atomi uniti insieme?
Atomi attaccati insieme fanno una molecola.
La molecola è la più piccola particella di una sostanza che ne conserva tutte le proprietà
1 atomo di ossigeno + 1 atomo di idrogeno + 1 atomo di idrogeno = 1 molecola d’acqua
Atomi tutti uguali attaccati insieme 
Atomi diversi attaccati insieme

MOLECOLA SEMPLICE
MOLECOLA COMPOSTA
Elementi e Composti
Osservando gli atomi che compongono una molecola possiamo
distinguere tutte le sostanze in due grandi gruppi:
Gli Elementi
I Composti
Elementi e Composti
Le sostanze pure formate da componenti più semplici si chiamano composti.
Le sostanze che non possono essere trasformate in sostanze più semplici si chiamano elementi.
•Gli elementi a oggi conosciuti sono 118
• 92 sono presenti in natura*;
• 26 sono stati scoperti**.
•* più che altro sotto forma di composti e raramente nella forma elementare;
•** nel corso di ricerche sull’energia atomica oppure con reazioni nucleari.
Elementi chimici
Gli elementi sono sostanze
la cui molecola è costituita
da atomi tutti uguali tra loro.
L'ossigeno che respiriamo, per esempio, è un elemento, perché
la sua molecola è formata da due atomi di ossigeno.
Anche il rame è un elemento, perché è costituito da molecole
formate ognuna da un atomo di rame.
Un elemento chimico è una sostanza che non può essere
scomposta in altre sostanze più semplici.
Elementi chimici
Gli elementi chimici che esistono in natura sono 90 e quindi sono 90 anche i tipi di atomi, uno
per elemento.
Ad ogni elemento corrisponde un nome ed un simbolo.
Le molecole di un elemento possono contenere un solo atomo, come nell’ elio (simbolo He)
Oppure possono contenere più atomi, come il gas ossigeno che è formato da molecole che
contengono ognuna due atoni di ossigeno (simbolo O) per cui la sua formula sarà O2.
Anche l’azoto (simbolo N) ha formula N2.
Elementi chimici
La quantità e la distribuzione degli elementi presenti in natura sono molto diverse.
Elementi chimici: la formula chimica
La formula chimica di una sostanza è il modo di scrivere di come è fatta una sua molecola
ed indica quali atomi contiene e in quale numero
Composti
I composti sono sostanze la cui molecola è
costituita da atomi tra loro diversi.
Il sale da cucina (o cloruro di sodio), in cui
sono presenti atomi di cloro e atomi di
sodio, è appunto un composto, e così l’acqua
e tante altre.
Sono sostanze che si possono scomporre
per ottenere sostanze più semplici
Composti
In ogni molecola d’acqua ci sono 2
atomi di idrogeno (simbolo H) e un
atomo di ossigeno (simbolo O)
CO2  C O2
In ogni molecola di anidride
carbonica ci sono 2 atomi di
ossigeno (simbolo O)
e un atomo di carbonio (simbolo C)
CH4  C H H H H
In ogni molecola di metano ci sono
4 atomi di idrogeno (simbolo H) e
un atomo di carbonio (simbolo C)
La tavola periodica
La classificazione degli elementi oggi utilizzata è stata proposta dal russo Dmitrij Mendeleev nel 1869.
Mendeleev classificò gli elementi in base alle loro proprietà chimiche e fisiche, ordinandoli in una
struttura detta tavola periodica.
La tavola periodica permette di classificare gli elementi
Nella tavola periodica gli elementi possono essere suddivisi in quattro classi
• metalli;
• non metalli;
• semimetalli.
Gli elementi nella tavola periodica sono ordinati in 7 righe orizzontali dette PERIODI
e in 8 colonne verticali dette GRUPPI
La tavola periodica
La tavola periodica
La classe più numerosa è quella dei metalli, che sono:
• lucenti;
• buoni conduttori di calore;
• buoni conduttori di elettricità;
• duttili;
• malleabili.
I non metalli occupano la parte destra della tavola periodica e sono
• variamente colorati;
• gassosi, ma anche liquidi e solidi;
• cattivi conduttori di calore ed elettricità;
• buoni conduttori di elettricità;
• né duttili, né malleabili.
I semimetalli nella tavola periodica
I semimetalli presentano proprietà intermedie fra i metalli e i non metalli
• a temperatura ambiente sono solidi;
• sono semiconduttori (né conduttori né isolanti).
Per questo a volte vengono assimilati nella tavola periodica nella categoria dei non metalli
I semimetalli sono eccellenti semiconduttori quando contengono
impurezze di altri elementi vicini.
Germanio e silicio sono impiegati nei transistor e nei circuiti integrati.
L’energia di legame
Ci sono 90 elementi presenti in natura che producono 15 milioni di sostanze diverse.
Nonostante l’enorme numero di combinazioni possibili fra gli atomi, non tutte sono realizzabili:
un composto si forma solo se la sua energia potenziale è minore dei singoli atomi che lo
costituiscono.
L’energia di legame è la quantità di energia che è necessaria fornire a una mole di
sostanza per rompere il legame che tiene insieme i suoi elementi
Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni
partecipano all’operazione.
Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame.
I gas nobili e la regola dell’ottetto
La regola dell’ottetto fu enunciata da Lewis nel 1916.
Un atomo è particolarmente stabile quando ha otto elettroni nello strato di valenza.
Il motivo della stabilità dei gas nobili risiede nel fatto che la loro configurazione
elettronica presenta otto elettroni (due nel caso dell’elio) nello strato di valenza,
che quindi è completo.
Alla struttura con 8
elettroni nello strato
esterno corrisponde
quindi una particolare
stabilità.
I gas nobili e la regola dell’ottetto
Un atomo raggiunge il massimo della stabilità acquistando, cedendo o condividendo elettroni
con un altro atomo in modo da raggiungere l’ottetto nella sua configurazione elettronica
esterna, simile a quella del gas nobile nella posizione più vicina nella tavola periodica.
La regola enuncia che quando un atomo possiede il livello elettronico esterno completo (detto "guscio di valenza"), in
genere costituito da otto elettroni, esso è in una condizione di particolare stabilità energetica, e tende a non formare
ulteriori legami.
Legami chimici
I legami chimici sono speciali forze attrattive che tengono uniti gli atomi all’interno delle molecole.
Gli atomi sono in grado di combinarsi tra loro per formare milioni di sostanze diverse, formando i legami chimici
Esistono tre tipi di legami chimici principali:
- Legame ionico
- Legame covalente
- Legame metallico
Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni partecipano all’operazione.
Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame.
Il legame covalente
Il legame covalente si stabilisce tra atomi che mettono in comune alcuni elettroni
Nel legame covalente gli elettroni che vengono condivisi e non ceduti, appartengono ad entrambi gli atomi che
stanno partecipando alla reazione chimica.
Gli elettroni vengono condivisi per raggiungere l’ottetto elettronico.
Il legame covalente si forma quando due atomi
mettono in comune una coppia di elettroni.
Se i due atomi sono identici il legame è
covalente puro.
Il legame covalente
Gli elettroni sono messi in compartecipazione per raggiungere l’ottetto e appartengono in
contemporanea a entrambi gli atomi che li condividono.
Il legame covalente è caratteristico delle molecole diatomiche, ma la tendenza a mettere in
comune elettroni si manifesta anche tra atomi di natura diversa (HF, H2O, NH3, CH4 ecc.).
Il legame covalente
I legami tra gli atomi possono essere rappresentati con la simbologia di Lewis oppure con dei trattini.
Il legame covalente
Il legame covalente può essere
•
singolo: se è condivisa una sola coppia di elettroni;
•
doppio: se sono condivise due coppie di elettroni;
•
triplo: se sono condivise tre coppie di elettroni.
La scala dell’elettronegatività e i legami
Se due atomi identici sono uniti da legami covalenti, esercitano la stessa forza di attrazione
sugli elettroni di legame.
Pertanto il legame covalente sarà covalente puro.
Atomi di natura diversa possono mettere in compartecipazione i loro elettroni di valenza, ma
esercitano sugli elettroni di legame una diversa forza attrattiva (elettronegatività) e si forma
così un legame covalente polare.
Tanto maggiore è la differenza di elettronegatività fra due atomi che formano il legame tanto
più elevati sono il carattere ionico e la polarità del legame.
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Se la differenza di elettronegatività fra i due elementi che intendono legarsi è
superiore a 1,9 avviene un trasferimento di elettroni da un atomo all’altro.
L’atomo più elettronegativo diventa uno ione negativo, l’altro uno ione positivo.
Gli ioni si attraggono per forza elettrostatica formando un legame ionico.
Il legame ionico si forma quando la differenza di elettronegatività tra due atomi è maggiore di 1,9.
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Una volta formatosi, lo ione negativo assume la configurazione del gas nobile successivo,
mentre lo ione positivo assume quella del gas nobile che lo precede nella tavola periodica.
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Dalla posizione sulla tavola periodica si può dedurre che
•
gli elementi metallici (a sinistra nella tavola periodica) tendono a cedere elettroni diventando
ioni positivi;
•
i non metalli (a destra nella tavola periodica) tendono ad acquistare elettroni trasformandosi
in ioni negativi.
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Quando gli atomi si avvicinano per formare un legame solo gli elettroni più esterni partecipano all’operazione.
Gli elettroni dello strato più esterno vengono chiamati elettroni di valenza o di legame.
Prendiamo in esempio il sale da cucina che ha formula chimica NaCl  cloruro di sodio
Guardando nella tavola periodica notiamo che il sodio (Na) ha 11 come numero atomico (Z) che sappiamo
corrispondere al numero di protoni di un atomo che a sua volta è uguale al numero di elettroni.
Quindi il sodio (Na) ha Z= 11  (11 protoni = 11 elettroni)
Come sono disposti gli elettroni del sodio nei gusci dell’atomo?
Sodio
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
L’atomo di sodio (Na) presenta nel suo terzo guscio un solo elettrone eQuesto elettrone rappresenta il più esterno e quindi quello che può partecipare al legame chimico
L’atomo di sodio quindi potendo condividere ad un altro atomo un elettrone, quindi una carica negativa,
diventa uno ione positivo Na+
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Prendiamo in esempio il sale da cucina che ha formula chimica NaCl  cloruro di sodio
Guardando nella tavola periodica notiamo che il cloro (Cl) ha 17 come numero atomico (Z) che sappiamo
corrispondere al numero di protoni di un atomo che a sua volta è uguale al numero di elettroni.
Quindi il sodio (Na) ha Z= 17  (17 protoni = 17 elettroni)
Come sono disposti gli elettroni del sodio nei gusci dell’atomo?
Nel terzo guscio il cloro ospita 7 elettroni, per completare il terzo guscio
manca un solo elettrone.
Quando avviene il legame chimico tra sodio e cloro
Il Cloro acquista dal sodio una carica negativa
diventando perciò lo ione negativo Cl-
Cloro
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
L’atomo di Cloro nel suo terzo guscio ha un posto libero per ospitare un altro elettrone
Quando il Cloro acquista questo elettrone si carica negativamente diventando uno ione negativo
Il Cloro nel legame chimico con il Sodio acquista questo elettrone dal sodio stesso
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
Il legame ionico: attrazione tra ioni di carica opposta
I composti ionici
Gli ioni in un composto ionico sono disposti secondo uno schema ben
preciso e possono dar luogo a un reticolo cristallino.
Per esempio:
Il sale da cucina
I composti ionici
I composti ionici hanno alti punti di fusione,
sono solidi a temperatura ambiente, sono
buoni conduttori di elettricità sia allo stato
fuso sia in soluzione.
Legame covalente metallico:
elettroni che si muovono liberamente
Gli atomi metallici possono mettere in comune gli elettroni di valenza,
che vengono condivisi tra più nuclei.
Legame covalente metallico:
elettroni che si muovono liberamente
Il legame metallico è dovuto all’attrazione fra gli ioni metallici positivi e gli elettroni
mobili che li circondano.
Tanto più forte è il legame metallico, tanto più sono numerosi gli elettroni mobili.
La tavola periodica e i legami tra gli elementi
Osservando la tavola periodica si può affermare che
1. i metalli formano tra loro legami metallici;
2. i non metalli formano tra loro legami covalenti puri;
3. se gli atomi di non metallo sono uguali il legame è covalente puro; se sono diversi il legame è
covalente polare;
4. i metalli e i non metalli formano tra loro legami ionici;
5. il carattere ionico del legame aumenta all’aumentare della differenza di elettronegatività.
Le equazioni chimiche o equazione di reazione
Una reazione chimica è un processo che porta alla formazione di nuove
sostanze, i prodotti, trasformando profondamente le sostanze di
partenza, i reagenti.
reazione chimica
REAGENTI
PRODOTTI
I coefficienti stechiometrici sono numeri opportuni con cui è possibile mantenere, per
ciascuna specie, l’uguaglianza tra il numero di atomi dei reagenti e dei prodotti.
Le equazioni chimiche o equazione di reazione
Per scrivere una equazione di reazione bisogna
• stabilire quali sono reagenti e prodotti;
• scrivere le formule esatte dei reagenti e dei prodotti;
• bilanciare la reazione, ponendo davanti alle molecole gli opportuni coefficienti stechiometrici
fino al raggiungimento dell’uguaglianza degli atomi in gioco.
Per bilanciare una reazione si seguono le seguenti regole:
1. per primi si bilanciano gli atomi dei metalli e dei non metalli;
2. si bilanciano gli ioni poliatomici, come fossero un unico gruppo di atomi;
3. si bilanciano per ultimi gli atomi di idrogeno e di ossigeno se presenti.
Le equazioni chimiche o equazione di reazione
Esempio: combustione di un atomo di carbonio
Per bruciare un atomo di carbonio
C
+
O2
=
CO2
occorre una molecola di O2 si produce
1 molecola di anidride carbonica
Le equazioni chimiche o equazione di reazione ci danno informazioni su quali siano i reagenti
e i prodotti ma anche su quante molecole di reagenti e di prodotti sono coinvolte
Esempio: combustione di un atomo del metano
Il numero di atomi che si trovano nei reagenti
si ritrovano anche nei prodotti ma
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
diversamente combinati.
Viene rispettata la
Legge della conservazione della massa
Legge della conservazione della massa
Tutti gli atomi presenti a sinistra della freccia si devono ritrovare anche a destra
Combustione del metano
CH4 + 2O2
1 atomo di C 2 molecole
di O2
4 atomi di H
Quindi 4 atomi di O
CO2 + 2H2O
1 atomo di C
2 atomi di O
2 molecole di acqua
Quindi
2 atomi di O
e
4 atomi di H
•Conoscendo il numero atomico e il numero di massa di
un elemento si può calcolare il numero di neutroni
contenuti nel suo nucleo
•
n° = A - Z