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
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La chimica: una scienza a tre livelli
• Macroscopico
• Microscopico
• Simbolico
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• 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?
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Le branche della chimica
•
•
•
•
•
•
•
Chimica Inorganica
Chimica Organica
Chimica Fisica
Chimica Analitica
Biochimica
Scienza dei Materiali
Etc.
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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,
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cessano di avere validità all’inizio e alla fine del tempo
Solar System
Earth’s upper continental crust
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Elementi chimici e vita degli organismi
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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
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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.
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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
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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.)
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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)
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Tre sono le leggi fondamentali che regolano l’andamento delle
reazioni chimiche:
1. Principio di Lavoisier, Legge di conservazione della massa (1797)
Durante una reazione chimica la quantità di materia è invariabile
A + B →AB
m1
m2
deve accadere: m1= m2
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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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) !!!!
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3. Legge delle proporzioni definite (Proust)
In qualunque composto il rapporto fra le quantità in peso degli elementi costitutivi
è definito e costante.
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]
7) N2O5
biossido di azoto
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.
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4. Legge delle proporzioni multiple (Dalton)
Quando due elementi (A e B) possono combinarsi
insieme in rapporti ponderali diversi per dare diversi
composti, le quantità (in grammi) di uno di essi che nei
vari casi si combinano con la medesima quantità
dell’altro possono essere espresse come un rapporto di
numeri interi (piccoli):
AB1
AB2
AB3
AB4
…
Ad esempio, 7 g di azoto (N) si combinano con l'ossigeno (O) nei
seguenti modi:
con 4 g di ossigeno formando 11 g di monossido di diazoto
con 8 g formando 15 g di monossido di azoto
con 12 g formando 19 g di triossido di diazoto
con 16 g formando 23 g di biossido di azoto
con 20 g formando 27 g di pentossido di diazoto.
Tale esempio esprime come i grammi di ossigeno necessari a reagire
con 7 g di azoto per formare composti diversi siano un multiplo di 4.
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Avvalendosi delle teorie chimiche del tempo
Dalton nel 1803 formulò la sua teoria atomica :
• materia formata da atomi, inalterabili ed indivisibili;
• in una stessa sostanza (elemento) gli atomi sono tutti uguali;
• gli atomi di diversi elementi differiscono per massa e per altre particolarità;
• le trasformazioni chimiche avvengono per unione o separazione di atomi tra di loro.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
40
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
41
Unità di massa atomica
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