Indice generale - Libreria Universo

Indice generale
Riguardo gli autori
Prefazione xv
1
1-1
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
1-7
2
xiv
La materia: sue proprietà e misura 1
Il metodo scientifico 2
Proprietà della materia 4
Classificazione della materia 5
Misura della materia: unità SI (metriche) 8
Densità e composizione percentuale: il loro uso nella risoluzione di
problemi 13
Incertezza nelle misure scientifiche 18
Cifre significative 19
Sommario 23
Esempio integrativo 24
Esercizi 26
Esercizi integrativi ed avanzati 29
Problemi speciali 31
Esercizi di auto-verifica 32
Atomi e teoria atomica 34
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
Le prime scoperte in chimica e la teoria atomica 35
Gli elettroni ed altre scoperte in fisica atomica 38
L’atomo nucleare 42
Gli elementi chimici 44
Massa atomica 48
Introduzione alla tavola periodica 51
Il concetto di mole e la costante di Avogadro 54
Uso del concetto di mole nei calcoli 56
Sommario 59
Esempio integrativo 59
Esercizi 60
Esercizi integrativi ed avanzati 64
Problemi speciali 65
Esercizi di auto-verifica 66
3
Composti chimici 68
3-1
3-2
3-3
3-4
3-5
3-6
3-7
4
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
Tipi di composti chimici e loro formule 69
Il concetto di mole ed i composti chimici 73
Composizione dei composti chimici 76
Stati di ossidazione: un utile strumento per descrivere i composti chimici 84
Nomenclatura dei composti: composti organici ed inorganici 86
Nomi e formule dei composti inorganici 87
Nomi e formule dei composti organici 94
Sommario 100
Esempio integrativo 101
Esercizi 103
Esercizi integrativi ed avanzati 107
Problemi speciali 108
Esercizi di auto-verifica 110
Le reazioni chimiche 111
Reazioni chimiche ed equazioni chimiche 112
Equazioni chimiche e stechiometria 116
Reazioni chimiche in soluzione 123
Determinazione del reagente limitante 129
Altre considerazioni pratiche sulla stechiometria delle reazioni 132
Sommario 138
Esempio integrativo 139
Esercizi 140
Problemi speciali 148
Esercizi di auto-verifica 149
v
vi
Indice generale
5
Introduzione alle reazioni in soluzione acquosa 151
5-1
5-2
5-3
5-4
5-5
5-6
5-7
La natura delle soluzioni acquose 152
Reazioni di precipitazione 156
Reazioni acido–base 160
Reazioni di ossido–riduzione: alcuni principi generali 165
Bilanciamento delle equazioni di ossido–riduzione 170
Agenti ossidanti e riducenti 175
Stechiometria delle reazioni in soluzione acquosa: le titolazioni 177
Sommario 181
Esempio integrativo 182
Esercizi 183
Esercizi integrativi ed avanzati 187
Problemi speciali 189
Esercizi di auto-verifica 191
6
I gas 192
6-1
6-2
6-3
6-4
6-5
6-6
6-7
6-8
6-9
7
Proprietà dei gas: pressione dei gas 193
Le leggi semplici dei gas 198
Combinazione delle leggi dei gas: l’equazione dei gas ideali
e l’equazione generale dei gas 204
Applicazioni dell’equazione dei gas ideali 207
I gas nelle reazioni chimiche 210
Miscele di gas 212
Teoria cinetico-molecolare dei gas 216
Proprietà dei gas collegate alla teoria cinetico-molecolare 223
Gas non ideali (reali) 226
Sommario 229
Esempio integrativo 230
Esercizi 231
Esercizi integrativi ed avanzati 236
Problemi speciali 238
Esercizi di auto-verifica 240
Termochimica 241
7-1
7-2
7-3
7-4
7-5
7-6
7-7
7-8
7-9
Per cominciare: terminologia 242
Calore 244
Calori di reazione e calorimetria 248
Lavoro 252
La prima legge della termodinamica 255
Calori di reazione: ¢ U e ¢ H 259
Determinazione indiretta di ¢ H : la legge di Hess 266
Entalpie standard di formazione 268
Combustibili come fonti di energia 275
Sommario 281
Esempio integrativo 282
Esercizi 283
Esercizi integrativi ed avanzati 289
Problemi speciali 291
Esercizi di auto-verifica 292
8
Gli elettroni negli atomi 294
8-1
8-2
8-3
8-4
8-5
8-6
8-7
8-8
8-9
8-10
8-11
La radiazione elettromagnetica 295
Spettri atomici 300
Teoria dei quanti 302
L’atomo di Bohr 307
Due concetti che portano ad una nuova meccanica quantistica 313
Meccanica ondulatoria 317
Numeri quantici ed orbitali elettronici 324
Interpretazione e rappresentazione degli orbitali dell’atomo di idrogeno 327
Lo spin elettronico: un quarto numero quantico 333
Atomi multielettronici 336
Configurazioni elettroniche 339
Indice generale
8-12
Configurazioni elettroniche e tavola periodica 344
Sommario 348
Esempio integrativo 349
Esercizi 351
Esercizi integrativi ed avanzati 357
Problemi speciali 358
Esercizi di auto-verifica 359
9
La tavola periodica ed alcune proprietà atomiche 360
9-1
9-2
9-3
9-4
9-5
9-6
9-7
10
Classificazione degli elementi: la legge periodica e la tavola
periodica 361
Metalli e nonmetalli e loro ioni 364
Dimensioni di atomi e ioni 367
Energia di ionizzazione 374
Affinità elettronica 378
Proprietà magnetiche 379
Proprietà periodiche degli elementi 381
Sommario 386
Esempio integrativo 386
Esercizi 389
Esercizi integrativi ed avanzati 391
Problemi speciali 392
Esercizi di auto-verifica 393
Il legame chimico I: concetti di base 395
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
La teoria di Lewis: introduzione 396
Il legame covalente: introduzione 399
Legami covalenti polari e mappe del potenziale elettrostatico 402
Scrittura delle strutture di Lewis 408
Risonanza 416
Eccezioni alla regola dell’ottetto 418
Forme delle molecole 421
Ordine di legame e lunghezze di legame 433
Energie di legame 434
Sommario 438
Esempio integrativo 439
Esercizi 440
Esercizi integrativi ed avanzati 446
Problemi speciali 447
Esercizi di auto-verifica 448
11
Il legame chimico II: altri aspetti 449
11-1
11-2
11-3
11-4
11-5
11-6
11-7
11-8
Cosa deve fare una teoria del legame 450
Introduzione al metodo del legame di valenza 451
Ibridizzazione degli orbitali atomici 453
Legami covalenti multipli 461
Teoria degli orbitali molecolari 465
Elettroni delocalizzati: il legame nella molecola del benzene 474
Il legame nei metalli 480
Alcuni problemi irrisolti: come possono aiutare i diagrammi di
densità di carica elettronica? 484
Sommario 489
Esempio integrativo 489
Esercizi 491
Esercizi integrativi ed avanzati 494
Problemi speciali 495
Esercizi di auto-verifica 497
12
Forze intermolecolari: liquidi e solidi 498
12-1
12-2
12-3
12-4
12-5
12-6
12-7
Forze intermolecolari 499
Alcune proprietà dei liquidi 508
Alcune proprietà dei solidi 520
Diagrammi di fase 522
Solidi a reticolo covalente e solidi ionici 526
Strutture cristalline 530
Variazioni di energia nella formazione dei cristalli ionici 542
Sommario 545
Esempio integrativo 546
vii
viii
Indice generale
Esercizi 547
Problemi speciali
554
Esercizi integrativi ed avanzati 552
Esercizi di auto-verifica 556
13
Le soluzioni e le loro proprietà fisiche 557
14
Cinetica chimica 602
15
Principi dell’equilibrio chimico 655
Tipi di soluzioni: un po’ di terminologia 558
Concentrazione delle soluzioni 558
Forze intermolecolari e processo di dissoluzione 562
Formazione di soluzioni ed equilibrio 567
Solubilità dei gas 570
Tensione di vapore delle soluzioni 573
Pressione osmotica 577
Abbassamento del punto di congelamento ed innalzamento del punto
di ebollizione di soluzioni di non elettroliti 581
13-9 Soluzioni di elettroliti 584
13-10 Miscele colloidali 587
Sommario 590
Esempio integrativo 591
Esercizi 592
Esercizi integrativi ed avanzati 597
Problemi speciali 599
Esercizi di auto-verifica 600
13-1
13-2
13-3
13-4
13-5
13-6
13-7
13-8
La velocità di una reazione chimica 603
Misura della velocità di reazione 605
Effetto della concentrazione sulle velocità di reazione: la legge di velocità 608
14-4 Reazioni di ordine zero 611
14-5 Reazioni del primo ordine 612
14-6 Reazioni del secondo ordine 619
14-7 Cinetica delle reazioni: un riassunto 620
14-8 Modelli teorici per la cinetica chimica 622
14-9 L’effetto della temperatura sulle velocità di reazione 626
14-10 Meccanismi di reazione 629
14-11 Catalisi 637
Sommario 642
Esempio integrativo 643
Esercizi 645
Esercizi integrativi ed avanzati 650
Problemi speciali 652
Esercizi di auto-verifica 654
14-1
14-2
14-3
15-1
15-2
15-3
15-4
15-5
15-6
15-7
16
16-1
16-2
Equilibrio dinamico 656
L’espressione della costante di equilibrio 656
Relazioni che coinvolgono le costanti di equilibrio 663
Il valore della costante di equilibrio 669
Il quoziente di reazione, Q: previsione della direzione di una
reazione 670
Alterazione delle condizioni di equilibrio: il principio di Le
Châtelier’s 673
Calcoli sull’equilibrio: alcuni esempi illustrativo 679
Sommario 686
Esempio integrativo 686
Esercizi 688
Esercizi integrativi ed avanzati 693
Problemi speciali 694
Esercizi di auto-verifica 695
Acidi e basi 697
Un riassunto della teoria di Arrhenius 698
La teoria di Brønsted–Lowry degli acidi e delle basi 698
Indice generale
16-3
16-4
16-5
16-6
16-7
16-8
16-9
L’auto-ionizzazione dell’acqua e la scala del pH 703
Acidi forti e basi forti 706
Acidi deboli e basi deboli 708
Acidi poliprotici 717
Ioni come acidi e basi 723
Struttura molecolare e comportamento acido–base 727
Acidi e basi di Lewis 732
Sommario 736
Esempio integrativo 736
Esercizi 738
Esercizi integrativi ed avanzati 742
Problemi speciali 743
Esercizi di auto-verifica 744
17
Altri aspetti degli equilibri acido–base 745
17-1
17-2
17-3
17-4
17-5
17-6
Effetti dello ione comune negli equilibri acido–base 746
Soluzioni tampone 750
indicatori acido–base 759
Reazioni di neutralizzazione e curve di titolazione 762
Soluzioni di sali di acidi poliprotici 770
Calcoli dell’equilibrio acido–base: un riassunto 771
Sommario 773
Esempio integrativo 773
Esercizi 775
Esercizi integrativi ed avanzati 779
Problemi speciali 782
Esercizi di auto-verifica 783
18
Solubilità ed equilibri di ioni complessi 784
18-1
18-2
18-3
18-4
18-5
18-6
18-7
18-8
18-9
Costante del prodotto di solubilità, Kps 785
Relazione tra solubilità e Kps 786
Effetto dello ione comune negli equilibri di solubilità 788
Limiti del concetto di Kps 790
Criteri per la precipitazione e sua completezza 792
Precipitazione frazionata 795
Solubilità e pH 797
Equilibri che coinvolgono ioni complessi 799
Analisi qualitativa dei cationi 805
Sommario 810
Esempio integrativo 810
Esercizi 812
Esercizi integrativi ed avanzati 815
Problemi speciali 816
Esercizi di auto-verifica 817
19
Trasformazioni spontanee: entropia ed energia di
Gibbs 819
19-1
19-2
19-3
19-4
19-5
19-6
19-7
19-8
20
20-1
20-2
Spontaneità: il significato di trasformazione spontanea 820
Il concetto di entropia 821
Valutazione dell’entropia e delle variazioni di entropia 827
Criteri per la spontaneità di una trasformazione: la seconda legge
della termodinamica 832
Variazione di energia di Gibbs standard, ¢ G° 836
Variazione dell’energia di Gibbs ed equilibrio 837
¢ G° e K in funzione della temperatura 848
Reazioni accoppiate 851
Sommario 852
Esempio integrativo 853
Esercizi 854
Esercizi integrativi ed avanzati 858
Problemi speciali 860
Esercizi di auto-verifica 861
Elettrochimica 863
Potenziali di elettrodo e loro misura 864
Potenziali standard di elettrodo 869
ix
x
Indice generale
20-3
20-4
20-5
20-6
20-7
20-8
Epila, ¢ G e K 874
Epila in funzione delle concentrazioni 880
Batterie: produzione di elettricità tramite reazioni chimiche 888
Corrosione: celle voltaiche indesiderate 894
Elettrolisi: forzare reazioni non spontanee a decorrere 896
Processi industriali di elettrolisi 900
Sommario 904
Esempio integrativo 905
Esercizi 907
Esercizi integrativi ed avanzati 912
Problemi speciali 914
Esercizi di auto-verifica 915
21
Chimica degli elementi dei gruppi principali I:
gruppi 1, 2, 13 e 14 917
21-1
21-2
21-3
21-4
21-5
22
22-1
22-2
22-3
22-4
22-5
22-6
23
23-1
23-2
23-3
23-4
23-5
23-6
23-7
23-8
23-9
24
24-1
24-2
24-3
Andamenti periodici e densità di carica 918
Gruppo 1: i metalli alcalini 920
Gruppo 2: i metalli alcalino terrosi 933
Gruppo 13: la famiglia del boro 941
Gruppo 14: la famiglia del carbonio 951
Sommario 968
Esempio integrativo 969
Esercizi 970
Esercizi integrativi ed avanzati 972
Problemi speciali 974
Esercizi di auto-verifica 974
Chimica degli elementi dei gruppi principali II:
gruppi 18, 17, 16, 15 e idrogeno 976
Andamenti periodici nel legame 977
Gruppo 18: i gas nobili 979
Gruppo 17: gli alogeni 985
Gruppo 16: la famiglia dell’ossigeno 994
Gruppo 15: la famiglia dell’azoto 1004
L’idrogeno: un elemento unico 1017
Sommario 1021
Esempio integrativo 1022
Esercizi 1023
Esercizi integrativi ed avanzati 1026
Problemi speciali 1028
Esercizi di auto-verifica 1029
Gli elementi di transizione 1031
Proprietà generali 1032
Principi di metallurgia estrattiva 1037
Metallurgia del ferro e dell’acciaio 1044
Metalli della prima serie di transizione: da scandio a
manganese 1046
La triade del ferro: ferro, cobalto e nichel 1052
Gruppo 11: rame, argento e oro 1054
Gruppo 12: zinco, cadmio e mercurio 1056
I lantanidi 1059
Superconduttori ad alta temperatura 1059
Sommario 1062
Esempio integrativo 1062
Esercizi 1063
Esercizi integrativi ed avanzati 1066
Problemi speciali 1067
Esercizi di auto-verifica 1068
Ioni complessi e composti di coordinazione 1069
La teoria di Werner dei composti di coordinazione: una
panoramica 1070
I leganti 1072
Nomenclatura 1075
Indice generale
Isomeria 1076
Il legame negli ioni complessi: la teoria del campo cristallino 1083
Proprietà magnetiche dei composti di coordinazione e teoria del
campo cristallino 1088
24-7 Il colore e i colori dei complessi 1090
24-8 Aspetti degli equilibri negli ioni complessi 1093
24-9 Reazioni acido–base negli ioni complessi 1095
24-10 Alcune considerazioni sulla cinetica 1096
24-11 Applicazioni della chimica di coordinazione 1097
Sommario 1102
Esempio integrativo 1103
Esercizi 1104
Esercizi integrativi ed avanzati 1106
Problemi speciali 1108
Esercizi di auto-verifica 1109
24-4
24-5
24-6
25
Chimica nucleare 1111
25-1
25-2
25-3
25-4
25-5
25-6
25-7
25-8
25-9
25-10
25-11
Radioattività 1112
Isotopi radioattivi naturali 1115
Reazioni nucleari e radioattività artificiale 1117
Elementi transuranici 1118
Velocità del decadimento radioattivo 1119
Energetica delle reazioni nucleari 1125
Stabilità nucleare 1128
Fissione nucleare 1130
Fusione nucleare 1133
Effetti della radiazione sulla materia 1134
Applicazioni dei radioisotopi 1137
Sommario 1139
Esempio integrativo 1140
Esercizi 1141
Esercizi integrativi ed avanzati 1144
Problemi speciali 1145
Esercizi di auto-verifica 1146
26
Strutture dei composti organici 1147
27
Reazioni dei composti organici 1208
26-1
26-2
26-3
26-4
26-5
26-6
26-7
26-8
27-1
27-2
27-3
27-4
27-5
27-6
27-7
27-8
27-9
Un’introduzione ai composti e alle strutture organiche 1148
Alcani 1155
Cicloalcani 1161
Stereoisomeria nei composti organici 1168
Alcheni ed alchini 1175
Idrocarburi aromatici 1179
Composti organici contenenti gruppi funzionali 1181
Dalla formula molecolare alla struttura molecolare 1192
Sommario 1195
Esempio integrativo 1197
Esercizi 1198
Esercizi integrativi ed avanzati 1204
Problema speciale 1205
Esercizi di auto-verifica 1207
Un’introduzione alle reazioni organiche 1209
Introduzione alle reazioni di sostituzione nucleofila 1211
Introduzione alle reazioni di eliminazione 1225
Reazioni degli alcoli 1234
Introduzione alle reazioni di addizione: reazioni degli alcheni 1239
Sostituzione elettrofila aromatica 1244
Reazioni degli alcani 1248
Polimeri e reazioni di polimerizzazione 1250
Sintesi di composti organici 1254
Sommario 1256
Esempio integrativo 1257
Esercizi 1259
Esercizi integrativi ed avanzati 1263
Problema speciale 1264
Esercizi di auto-verifica 1265
xi
xii
Indice generale
28
28-1
28-2
28-3
28-4
28-5
28-6
Chimica della materia vivente 1266
La struttura chimica della materia vivente: un’introduzione 1267
Lipidi 1268
Carboidrati 1271
Proteine 1279
Aspetti del metabolismo 1286
Acidi nucleici 1292
Sommario 1295
Esempio integrativo 1296
Esercizi 1297
Esercizi integrativi ed avanzati 1300
Problemi speciali 1301
Esercizi di auto-verifica 1302
APPENDICI
A
B
C
D
E
F
G
Operazioni matematiche A1
Alcuni concetti fisici di base A11
Unità SI A15
Tabelle di dati A17
Mappe concettuali A37
Glossario A39
Risposte ai quesiti di verifica dei concetti A55
Fonti delle illustrazioni PC1
Indice analitico I1
Riguardo gli autori
Ralph H. Petrucci
Ralph Petrucci si è laureato in Chimica all’Union College, Schenectady, NY, ed
ha ottenuto il dottorato di ricerca alla University of Wisconsin–Madison.
Dopo dieci anni di insegnamento, ricerca, consulenza e direazione degli NSF
Institutes for Secondary School Science Teachers alla Case Western Reserve
University, Cleveland, OH, il Dr. Petrucci si unì al gruppo che ha pianificato il
nuovo campus della California State University a San Bernardino nel 1964. Lì,
oltre alla sua attività di insegnamento, ha ricoperto le funzioni di Presidente
della Natural Sciences Division e di Dean of Academic Planning. Il Professor
Petrucci, oggi in pensione, è anche coautore di Chimica generale con John W.
Hill, Terry W. McCreary e Scott S. Perry.
F. Geoffrey Herring
Geoff Herring ha ottenuto sia la laurea sia il dottorato di ricerca in Chimica
Fisica presso la University of London. Oggi è Professore Emerito al
Dipartimento di Chimica della University of British Columbia, Vancouver. Il
Dr. Herring si interessa di chimica biofisica ed ha pubblicato più di 100 articoli
in chimica fisica e in fisica chimica. Recentemente, il Dr. Herring ha iniziato a
studiare l’uso della tecnologia e dei metodi interattivi di coinvolgimento nell’insegnamento della chimica generale, con l’obiettivo di migliorare la comprensione e l’apprendimento da parte degli studenti. Il Dr. Herring ha insegnato chimica a tutti i livelli per 30 anni ed ha vinto due volte il Killam Prize
for Excellence in Teaching.
Jeffry D. Madura
Jeffry D. Madura è professore nel Dipartimento di Chimica e Biochimica alla
Duquesne University di Pittsburgh, PA. Si è laureato al Thiel College nel 1980
ed ha ottenuto il dottorato di ricerca in Chimica Fisica alla Purdue University
nel 1985. Il dottorato è stato seguito da un’attività post-dottorale in biofisica con
il Professor J. Andrew McCammon alla University of Houston. Gli interessi di
ricerca del Dr. Madura riguardano la chimica computazionale e la biofisica. Ha
pubblicato più di 80 articoli in chimica fisica e fisica chimica. Il Dr. Madura ha
insegnato chimica a tutti i livelli per 20 anni ed ha vinto il Dreyfus TeacherScholar Award. Ha anche ricevuto il Bayer School of Natural and
Environmental Sciences e il Duquesne University Presidential Award for
Excellence in Scholarship nel 2007.
Carey Bissonnette
Carey Bissonnette insegna al Dipartimento di Chimica alla University of
Waterloo, Ontario. Si è laureato alla University of Waterloo nel 1989 ed ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1993 alla University of Cambridge in
Inghilterra. I suoi interessi di ricerca sono concentrati sullo sviluppo di metodi
di modellazione di processi dinamici in molecole poliatomiche in fase gas. Ha
vinto molti premi per l’eccellenza dell’insegnamento, tra cui lo University of
Waterloo’s Distinguished Teacher Award nel 2005. Il Dr. Bissonnette ha usato in
modo estensivo la tecnologia sia in classe che in laboratorio per creare un
ambiente interattivo in cui gli studenti possano imparare ed esplorare. Negli
ultimi anni, è stato attivo nella progettazione di curriculum, in attività di collegamento con le scuole superiori e nel coordinamento dei giochi della chimica,
cui partecipano ogni anno studenti di tutto il mondo.