S
Sommario
Capitolo 1 Introduzione
1.1 Le origini della Chimica: utilizzazione e trasformazione delle materie
prime nel mondo antico
1.2 L'impatto della Chimica nella società moderna
1.3 Il ruolo della Chimica nell'ambito delle scienze fisiche e naturali
1
Capitolo 2 Materia ed energia
2.1 Le proprietà della materia. Grandezza fisiche e unità di misura
2.2 Le varie forme di energia
8
8
9
1
5
6
Capitolo 3 Gli stati di aggregazione della materia e sua classificazione chimica
3.1 Gli stati di aggregazione della materia
3.2 La classificazione chimica della materia
3.3 Definizione di fase. Sistemi omogenei ed eterogenei
3.4 Metodi di separazione delle fasi di un sistema eterogeneo
3.5 Separazione dei componenti di un sistema omogeneo
3.6 Criteri di valutazione della purezza delle sostanze
12
12
13
14
16
18
19
Capitolo 4 La natura atomica della materia
4.1 Le leggi fondamentali delle combinazioni chimiche
4.2 I simboli degli elementi e le formule dei composti
4.2.1 Peso di combinazione. Teoria atomica di Dalton
4.3 La determinazione delle masse atomiche e molecolari: l'ipotesi
di Avogadro e il metodo di Cannizzaro
4.4 Masse atomiche geonormali
4.5 Il concetto di mole e la costante di Avogadro. Il peso molare
21
21
22
23
Capitolo 5 Proprietà chimiche e reattività delle sostanze. La Tabella periodica
degli elementi e la struttura elettronica degli atomi
5.1 Proprietà chimiche e capacità di combinazione degli elementi: numeri di
ossidazione
5.1.1 Regole empiriche per la determinazione dei numeri di ossidazione
degli elementi e nei loro composti
5.1.2 Criteri per la formulazione corretta dei composti
5.2 Reazioni acido-base
5.3 Reazioni di ossido-riduzione
5.3.1 Reazioni di combustione
5.4 Periodicità delle proprietà degli elementi: la Tabella periodica
di Mendeleev
24
28
29
31
31
33
34
36
37
38
39
S
Sommario
5.5
5.6
5.7
ISBN 88-408-974-0
La Tabella periodica attuale
5.5.1 Struttura atomica e orbitali atomici
5.5.2 Configurazione elettronica e Tabella periodica degli elementi
Convenzioni usate per la numerazione dei gruppi
Proprietà atomiche degli elementi e proprietà delle sostanze elementari
Raggi atomici, ionici, covalenti e di van der Waals
Energia di ionizzazione
Affinità elettronica
Elettronegatività
Numero di ossidazione
Proprietà chimiche periodiche degli e lementi e dei loro ossidi
Elementi
Ossidi degli elementi
Capitolo 6 Formule e nomenclatura dei composti inorganici.
I legami chimici
6.1 Formule e nomenclatura delle sostanze elementari
6.2 Formule empiriche, formule vere e formule di struttura dei composti
6.2.1 Nomenclatura dei composti binari
6.2.2 Composti ternari. Ossiacidi e sali
6.3 I legami chimici
6.3.1 I diversi tipi di legame chimico e le loro caratteristiche fisiche
Relazioni tra tipo di legame e proprietà fisiche delle sostanze
Energie di legame
Distanze e angoli di legame
Proprietà magnetiche
6.3.2 Il legame ionico
La polarizzazione delle nuvole elettroniche: il parziale carattere
covalente dei composti ionici
6.3.3 Il legame covalente
Le formule di struttura di Lewis
La regola dell'ottetto e i suoi limiti
Legami semplici e multipli
I radicali
Mesomeria e formule di risonanza: legami localizzati
e delocalizzati
Numero di ossidazione e carica formale
Rappresentazione delle formule limite. Il principio di
elettroneutralità
Acidità e basicità delle molecole secondo Lewis
La configurazione sterica delle molecole
Gli orbitali ibridi
VIII
40
40
43
49
50
50
52
53
54
54
55
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63
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68
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70
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76
78
80
81
81
82
83
84
85
89
90
93
Capitolo 7 Le equazioni chimiche
7.1 Equazioni chimiche
7.2 Il formalismo delle equazioni chimiche
7.3 Bilancio delle equazioni chimiche acido-base
7.4 Bilancio delle equazioni chimiche d'ossido-riduzione
7.4.1 Reazioni di dismutazione
7.5 Il significato delle equazioni chimiche. Calcoli stechiometrici
7.5.1 Rapporti stechiometrici e rapporti di miscelamento
7.5.2 Il reagente limitante
7.5.3 Rese di trasformazione
7.5.4 Reazioni che coinvolgono sostanze gassose
99
99
100
101
102
106
106
107
107
107
108
Capitolo 8 Il comportamento fisico dei gas
8.1 La pressione
8.2 Variazione del volume con la pressione. Legge di Boyle
109
109
112
ISBN 88-408-974-0
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
Sommario
Variazione del volume con la temperatura. Legge di Charles
e Gay-Lussac. Temperatura assoluta
Equazione di stato del gas ideale
Miscele gassose. Legge di Dalton
La dissociazione gassosa. Grado di dissociazione
La teoria cinetica dei gas
8.7.1 Il modello del gas ideale
8.7.2 Il comportamento dei gas reali. Equazione di van der Waals
Capitolo 9 Termodinamica chimica
9.1 Scopi e limiti della termodinamica chimica
9.2 Sistemi e funzioni di stato
9.3 Lavoro e calore
9.4 Capacità termiche. Calori specifici e calori molari
9.5 Energia interna e primo principio della termodinamica
9.6 Entalpia e stato di riferimento standard
9.7 Entalpie di formazione, di reazione e di trasformazione
9.8 Calorimetria. Calori di combustione e Legge di Hess
9.9 Trasformazioni spontanee, o irreversibili, e trasformazioni reversibili
9.10 Il degrado dell'energia. Concetto termodinamico e statistico
dell'entropia
9.11 Secondo principio della termodinamica
9.12 Terzo principio della termodinamica
9.13 L'energia libera
9.13.1 Dipendenza dell'energia libera dalle altre funzioni di stato
9.13.2 L'energia libera nelle trasformazioni chimiche.
Costanti d'equilibrio
9.13.3 Dipendenza della costante d'equilibrio
dalla temperatura. Equazione di van't Hoff
S
113
116
118
119
121
121
125
128
128
129
129
132
133
133
135
137
139
141
145
146
147
149
151
156
Capitolo 10 Equilibri di fase e diagrammi di stato delle sostanze pure
10.1 Transizioni di stato
10.1.1 Equilibrio solido-liquido
10.1.2 Equilibri liquido-vapore e solido-vapore. Equazione
di Clausius-Clapeyron
10.1.3 Il principio di Le Chatelier-Braun
10.2 Il diagramma di stato P,T
10.2.1 Diagrammi di stato di alcuni sistemi reali
Acqua
Diossido di carbonio
10.3 Il diagramma di stato P,V. Diagramma di Andrews e temperatura critica
10.4 Liquefazione dei gas
10.5 Gas umidi
158
158
159
Capitolo11 Le proprietà dei solidi
11.1 Le proprietà fisiche dei solidi cristallini
11.2 La struttura dei cristalli
11.2.1 Cristalli metallici
11.2.2 Cristalli molecolari
11.2.3 Cristalli ionici
11.2.4 Cristalli covalenti (macromolecolari)
11.3 Polimorfismo, allotropia e isomorfismo
173
173
175
178
181
182
185
186
Capitolo 12 Le proprietà dei liquidi e delle soluzioni
12.1 La struttura dei liquidi
12.2 Viscosità e tensione interfacciale
12.3 Le soluzioni. Modi per esprimere la loro composizione
188
188
190
197
161
164
164
166
166
166
167
170
171
IX
S
X
Sommario
ISBN 88-408-974-0
12.4 La solubilità e i fattori che la influenzano
12.4.1 Le proprietà fisiche dell'acqua
12.5 La ripartizione di un soluto tra due solventi: la legge di riparetizione
12.5.1 Solubilità dei gas nei liquidi: la legge di Henry
12.5.2 Applicazioni pratiche della legge di ripartizione: estrazione con
solventi, adsorbimento, cromatografia e scambio ionico
12.6 Le dispersioni (o soluzioni) colloidali
12.6.1 Detergenti e tensioattivi
12.7 Le soluzioni elettrolitiche
12.7.1 La conducibilità elettrica delle soluzioni acquose. Elettroliti
forti e deboli
12.8 La tensione di vapore delle soluzioni ideali: legge di Raoult
12.9 Soluzioni di soluti non volatili: le proprietà colligative
12.9.1 Crioscopia ed ebullioscopia
12.9.2 Osmosi e pressione osmotica. Osmometria
12.9.3 Diagrammi di stato delle soluzioni acquose
saline. Miscele frigorifere
12.10 Soluzioni di soluti volatili. Soluzioni ideali e reali
12.10.1 La distillazione frazionata
12.11 Essiccazione delle sostanze umide. Deliquescenza ed efflorescenza
198
204
204
205
Capitolo 13 L'equilibrio chimico
13.1 L'equilibrio chimico nei sistemi chiusi
13.2 Sistemi in condizioni di non-equilibrio: sistemi metastabili ed equilibri
congelati
13.3 Influenza delle variabili intensive sulla posizione dell'equilibrio.
Il principio di Le Chatelier-Braun
13.4 Equilibri simultanei
233
233
Capitolo 14 Equilibri acido-base in soluzione acquosa
14.1 Elettroliti forti e deboli
14.2 Acidi e basi secondo Lewis
14.3 Acidi e basi secondo Brönsted
14.4 Acidi e basi in soluzione acquosa diluita
14.4.1 Prodotto ionico dell'acqua. Acidità, basicità e pH
14.4.2 Costanti di dissociazione degli acidi e delle basi
14.4.3 Acidi poliprotici, poliossiacidi e anfoliti
14.5 Relazioni tra formula di struttura e forza degli acidi
14.6 Reazioni tra acidi e basi in soluzione acquosa
14.7 Il pH delle soluzioni acquose diluite
14.7.1 Acidi e basi forti e deboli
14.7.2 Le soluzioni saline. Reazioni di idrolisi
14.7.3 Le soluzioni tampone e il potere tampone
14.8 Gli indicatori e le titolazioni acidimetriche
14.9 Costanti di stabilità degli ioni complessi
14.10 Acidi e basi in solventi non acquosi
240
240
241
243
244
244
248
249
252
255
257
257
261
262
264
272
273
Capitolo 15 Equilibri acido-base nei sistemi eterogenei
15.1 Sali poco solubili: prodotto di solubilità
15.2 Influenza dello ione in comune. Precipitazione frazionata
15.3 Dissoluzione dei sali poco solubili causata dalla formazione
di ioni complessi
15.4 Reazioni di spostamento di acidi e basi forti dai loro sali
276
276
277
Capitolo 16 Elettrochimica
16.1 Celle galvaniche o pile
16.1.1 Reazioni di ossido-riduzione e semireazioni elettrodiche
281
281
281
206
208
211
212
212
216
217
217
220
223
225
230
232
236
237
238
278
279
ISBN 88-408-974-0
16.2
16.3
16.4
16.5
16.6
16.7
16.8
16.9
16.10
16.11
Sommario
Bilancio delle semireazioni elettrodiche
16.1.2 Elettrodi e potenziali díelettrodo
16.1.3 Celle galvaniche o pile. Equazione di Nernst
Pila Daniell
Pila a singolo elettrolita
Pile a concentrazione
Potenziali elettrodici di riduzione standard (potenziali normali)
Forza relativa degli ossidanti e dei riducenti
Reazioni redox tra reagenti puri o in soluzione concentrata. Reazioni
esplosive
Misura potenziometrica del pH e titolazioni potenziometriche
Titolazioni potenziometriche
Celle galvaniche di importanza tecnologica: pile a secco,
accumulatori e celle a combustibile
Pila Leclanché
Pile alcaline
Pile a mercurio
Pile al litio
Accumulatori
Celle a combustibile
Celle elettrolitiche. Elettrolisi
16.7.1 Tensione di decomposizione e sovratensione
16.7.2 L'elettrolisi dell'acqua
16.7.3 Previsione dei prodotti di reazione nelle elettrolisi in soluzione
acquosa
Elettrolisi dei sali fusi
Le leggi dell'elettrolisi. Leggi di Faraday e determinazione
del numero di Avogadro
Corrosione e passivazione dei metalli
Passivazione dei metalli
Inibizione della corrosione e pulizia superficiale dell'argento
Processi elettrochimici industriali
16.11.1 Produzione e raffinazione dei metalli
Raffinazione del rame
16.11.2 Elettrolisi delle soluzioni acquose di cloruro di sodio: ipoclorito,
soda caustica, cloro
Ipoclorito di sodio
Idrossido di sodio
Produzione di perosso-composti
S
282
284
290
293
294
294
295
298
299
301
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305
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307
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309
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316
317
319
320
321
322
323
325
325
326
327
327
327
330
Capitolo 17 Cinetica chimica e catalisi
17.1 La velocità delle reazioni chimiche
17.2 Le equazioni cinetiche e l'ordine delle reazioni
17.3 Meccanismi di reazione e processi elementari
17.4 Velocità di reazione e costanti d'equilibrio
17.5 Reazioni a catena e reazioni fotochimiche
17.6 La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura. Energia di
attivazione ed equazione di Arrhenius
17.7 La catalisi
17.7.1 Catalisi omogenea
17.7.2 Catalisi eterogenea
17.7.3 Catalisi enzimatica
17.7.4 Gli inibitori
331
331
333
336
337
338
Capitolo 18 Radioattività e chimica nucleare
18.1 La radioattività naturale
18.2 La natura e gli effetti delle radiazioni nucleari
348
348
348
340
342
344
345
345
347
XI
S
Sommario
ISBN 88-408-974-0
18.3 Rivelazione e misura delle radiazioni
18.4 Il decadimento radioattivo. Le famiglie radioattive naturali
18.4.1 Decadimenti in serie ed equilibrio secolare
18.5 Chimica nucleare e radioattività artificiale
18.5.1 Uso degli isotopi radioattivi
18.6 Il difetto di massa e l'energia di legame dei nucleoni
18.6.1 Fissione nucleare e reattori nucleari
18.6.2 Fusione nucleare
350
351
355
357
361
362
365
367
Capitolo 19 Complementi sulla struttura atomica e sui legami chimici
369
19.1 Le basi sperimentali della moderna teoria atomica
369
19.1.1 Interazioni tra elettricità e materia
370
19.1.2 La conducibilità elettrica nei gas rarefatti. Esperienza di Thomson 371
19.1.3 La determinazione della carica elementare
375
19.1.4 L'esperienza di Rutherford: il nucleo atomico
376
19.1.5 Lo spettrometro di massa: isotopi e difetto di massa
378
19.1.6 Le radiazioni elettromagnetiche. Spettri atomici
380
19.1.7 La quantizzazione dell'energia: l'ipotesi di Planck e l'effetto
fotoelettrico
386
19.1.8 Il modello atomico di Bohr
389
19.1.9 Il principio di indeterminazione di Heisenberg
391
19.1.10 Il dualismo onda-particella: ipotesi di De Broglie
393
19.2 La nascita della meccanica quantistica: l'equazione d'onda
di Schrödinger
395
19.2.1 Funzioni d'onda e funzioni di probabilità
396
19.2.2 Le funzioni d'onda dell'idrogeno e degli atomi idrogenoidi: orbitali
atomici e numeri quantici
396
19.2.3 Le funzioni d'onda e i livelli energetici degli atomi polielettronici 407
19.3 Il legame chimico. I principi della teoria del legame molecolare
409
19.3.1 Regole di combinazione degli orbitali atomici. Legami s e p
414
19.3.2 Molecole biatomiche omonucleari ed eteronucleari
417
19.3.3 Molecole poliatomiche. Orbitali molecolari p delocalizzati
423
Molecole organiche
428
19.3.4 Molecole elettrondeficienti
430
19.4 Il legame metallico
431
19.4.1 Conduttori, isolanti e semiconduttori elettrici
431
Conduttori elettrici
433
Isolanti
434
Semiconduttori
435
19.5 Forze di legame intermolecolari. Forze di van der Waals
438
19.5.1 Interazioni tra dipoli indotti. Forze di London
438
19.5.2 Interazioni tra dipoli e dipoli indotti. Forze di Debye
441
19.5.3 Interazioni tra dipoli. Il legame d'idrogeno
442
19.5.4 Interazioni tra ioni e dipoli
444
Capitolo 20 La chimica inorganica degli elementi dei gruppi principali
20.1 Gli elementi e la Tabella periodica
20.2 L'idrogeno e i suoi isotopi
20.2.1 Gli idruri
20.3 Elementi dei gruppi principali e loro composti
20.3.1 I metalli alcalini e i loro composti
20.3.2 I metalli alcalino-terrosi e i loro composti
Cenni sul ruolo biologico degli ioni Na+, K+, Mg2+, Ca2+
20.3.3 I metalli terrosi
20.3.4 Elementi del gruppo 14, o del carbonio
20.3.5 Elementi del gruppo 15, o dell,azoto
20.3.6 Elementi del gruppo 16: i calcogeni
XII
445
445
447
449
451
451
455
457
458
461
468
473
ISBN 88-408-974-0
Sommario
20.3.7 Gli elementi del gruppo17: gli alogeni
20.4 I prodotti della grande industria chimica inorganica
20.4.1 Ammoniaca
20.4.2 Acido nitrico
20.4.3 Acido solforico
20.4.4 Vetri e ceramiche
20.4.5 Cementi
20.4.6 Acido fosforico e superfosfati
20.4.7 Silicati e alluminosilicati naturali e di sintesi
481
484
484
485
486
488
494
496
497
Capitolo 21 La chimica inorganica degli elementi di transizione
21.1 Gli elementi di transizione
21.2 Cenni sulla chimica dei più comuni elementi di transizione d
21.3 I composti di coordinazione
21.4 I leganti
21.5 Un semplice approccio ai composti di coordinazione
21.6 Perché gli ioni complessi dei metalli di transizione sono colorati
21.7 Alcuni esempi sul ruolo degli elementi di transizione d
in sistemi biologici
I complessi del platino nella terapia del cancro
503
503
505
511
514
516
519
522
526
Capitolo 22 Geochimica
22.1 La struttura della Terra
22.2 La litosfera
22.2.1 L'abbondanza degli elementi nella litosfera
22.2.2 I principali minerali delle rocce
22.3 L'idrosfera
22.3.1 Le acque marine
22.3.2 Le acque dolci
22.3.3 Processi di addolcimento delle acque
22.4 L'atmosfera
22.4.1 La circolazione dei componenti atmosferici
Ciclo dell'azoto
Cicli dell'ossigeno e del carbonio
Ciclo dell'acqua
528
528
529
530
530
533
534
536
538
539
540
540
541
543
Capitolo 23 Metallurgia
23.1 I metalli in natura
23.2 Le tecniche metallurgiche
23.2.1 I principi termodinamici che regolano i processi
termici di riduzione
23.3 La metallurgia del ferro
23.4 La metallurgia del rame
545
545
546
547
549
552
Capitolo 24 Inquinamento ambientale
24.1 Inquinamento dell'aria
24.2 Inquinamento delle acque
Processi di depurazione dei reflui urbani e industriali
24.3 Inquinamento del suolo
553
554
556
557
558
Capitolo 25 Grandezze fisiche e unità di misura
25.1 Grandezze fisiche fondamentali e derivate
25.2 Sistema Internazionale delle unità di misura
25.3 Sensibilità degli strumenti. Precisione e accuratezza delle misure
25.4 Cifre significative e notazione esponenziale
25.5 Tabelle
560
560
561
566
566
568
S
XIII
S
Sommario
ISBN 88-408-974-0
Costanti fisiche fondamentali
Simboli, masse e numeri atomici degli elementi
Tensioni di vapore dell'acqua
Costanti di dissociazione acide e basiche
Prodotti di solubilità
Costanti di stabilità di ioni complessi a 25 °C
Potenziali standard di riduzione in ambiente
normal-acido (pH=0)
Potenziali standard di riduzione in ambiente
normal-basico (pH=14)
Potenziali redox di importanza biologica (pH=7)
Densità di soluzioni acquose più comuni a 20 °C
Alfabeto greco
Indice analitico
XIV
568
569
570
571
573
574
575
576
577
578
579
581
