8 [ C H I M I C A 8. Chimica ] Chimica inorganica La materia è tutto quello che ci circonda e che ha una massa, ha struttura discontinua ed è costituita da molecole e da atomi. La molecola è la più piccola quantità di materia che ancora possiede le proprietà caratteristiche della sostanza considerata. L’atomo è la più piccola quantità di elemento che può esistere o da solo o unito ad altri atomi. Fino a oggi si conoscono 104 atomi diversi che costituiscono l’Universo. L’atomo è costituito da un nucleo e dagli elettroni. Il nucleo – che varia per ciascun elemento – è costituito da protoni, che sono particelle aventi carica positiva, e da neutroni, che non hanno carica elettrica. La massa del protone e quella del neutrone hanno valore quasi identico, e cioè grammi 1,67 · 10-24. Gli elettroni (sono tutti eguali tra loro, qualunque sia l’elemento considerato) hanno carica negativa e una massa di grammi 9 · 10-25 ciascuno. In ogni atomo la carica totale positiva dei protoni è bilanciata dalla carica totale negativa degli elettroni. Gli elettroni si muovono intorno al nucleo con velocità molto elevata, nell’ordine di migliaia di chilometri al secondo, e hanno a disposizione uno spazio che è enorme rispetto alle loro dimensioni e alle dimensioni del nucleo. La materia è accompagnata dall’energia. L’energia è accompagnata dalla materia. La relazione tra queste due entità è regolata dall’equazione di Einstein: E c2 m. Nelle reazioni chimiche ordinarie la trasformazione della massa in energia avviene a spese di una quantità piccolissima di massa.Tale quantità possiamo ammettere che sia imponderabile. 153 C H I M I C A Nelle trasformazioni nucleari la trasformazione della massa in energia avviene a spese di una quantità maggiore di massa. L’energia, messa in gioco nelle reazioni chimiche, si può manifestare sotto varie forme: sotto forma di calore (energia termica); sotto forma di luce (energia luminosa); sotto forma di elettricità (energia elettrica) e così via. PROPRIETÀ FISICHE E CHIMICHE DELLE SOSTANZE Le proprietà fisiche sono quelle proprietà che possono essere misurate senza che la sostanza subisca trasformazioni nella sua costituzione chimica. Le proprietà chimiche sono quelle che riguardano la trasformazione a cui sono sottoposte le sostanze, le quali subiscono cambiamenti della loro costituzione chimica. La materia può presentarsi sotto tre diversi stati di aggregazione: stato solido, liquido e gassoso. È possibile il passaggio da uno stato di aggregazione all’altro. Il passaggio dallo stato solido a quello liquido si chiama fusione. La temperatura a cui avviene tale trasformazione si chiama temperatura di fusione. Il passaggio inverso, dallo stato liquido a quello solido, si chiama solidificazione. Il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore si chiama ebollizione. La temperatura a cui avviene tale trasformazione – che è quella temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido è uguale alla pressione atmosferica che preme sulla superficie del liquido – si chiama temperatura di ebollizione. Il passaggio inverso, dallo stato di vapore a quello liquido, si chiama condensazione e, se è dallo stato di gas a quello di liquido, si chiama liquefazione. Il passaggio dallo stato solido direttamente a quello di vapore si chiama sublimazione. La pressione critica è la pressione alla quale avviene la liquefazione del gas che si trova alla temperatura critica. La temperatura critica è la temperatura alla quale bisogna portare un gas, che è tenuto alla pressione critica, per farlo liquefare e al disopra della quale, qualunque sia la pressione, il gas non può essere liquefatto. Le molecole di tutte le sostanze sono in continuo movimento. L’energia che le agita si chiama energia cinetica. 154 Chimica inorganica 8 [ Il peso della materia si misura con la bilancia mediante confronto con masse note dette pesi. L’unità di peso è nel sistema C.G.S. il grammo (C.G.S. centimetro-grammo-secondo). Il volume della materia allo stato liquido o di gas si misura con il litro che è il volume occupato dalla massa di 1 kg campione di acqua distillata alla temperatura di 4 °C. L’unità di misura della temperatura è il grado centigrado. La densità è la massa dell’unità di volume. Il peso specifico è il peso dell’unità di volume. La densità relativa (o peso specifico relativo) è il rapporto tra la massa (o il peso) di una sostanza e la massa (o il peso) di un ugual volume di una sostanza di riferimento. C H I M I C A ] ELEMENTI E COMPOSTI L’Universo è costituito da un centinaio di elementi, che vengono rappresentati da simboli. I simboli sono costituiti dalla prima, o dalle prime lettere del nome italiano o latino dell’elemento. I composti sono costituiti da elementi uniti in proporzioni costanti di peso. Per riseparare gli elementi nel composto, sono necessarie azioni molto energiche. Le miscele provengono dalla unione di elementi o di composti in rapporto tra loro. La riseparazione dei costituenti di una miscela è spesso operazione agevole. La legge delle proporzioni definite afferma che gli elementi si uniscono in proporzione definita in peso per formare un composto. NUMERO ATOMICO E NUMERO DI AVOGADRO Il numero di protoni contenuti in un atomo si chiama numero atomico. Esso è tipico dell’elemento. In ogni atomo il numero atomico, il numero dei protoni e il numero degli elettroni sono eguali tra loro. Gli elettroni si muovono intorno al nucleo su diversi livelli di energia quantizzata e si chiama orbitale lo spazio nel quale si ha la maggiore probabilità di trovare l’elettrone. L’orbitale è individuato, sia dal punto di vista energetico sia da quello spaziale da un numero quantico principale, che definisce gli strati 155 8.2 QUESITI DI CHIMICA TEST DI VERIFICA S O L U Z I O N I A P A G I N A 2 0 6 01 L’acqua ha calore specifico: ■ ■ ■ ■ a b c d 1 cal 0,5 cal 0,1 cal 0,02 cal 02 A – 273 °C la pressione di un qualsiasi gas diviene uguale a: ■ ■ ■ ■ a b c d una atmosfera 0,5 atmosfera dieci atmosfere zero 03 Per completare l’ottetto del livello di valenza il carbonio ha bisogno di altri: ■ ■ ■ ■ a b c d 4 elettroni 2 protoni 6 elettroni 4 protoni 04 Nelle grammomolecole delle varie sostanze è contenuto lo stesso numero di molecole. Tale numero è: ■ ■ ■ ■ a b c d il numero quantico il numero atomico il numero di ossidazione il numero di Avogadro 05 I composti che hanno la stessa formula molecolare ma hanno formule di struttura diverse sono detti: ■ ■ ■ ■ 200 a b c d isotopi esosi isomeri polimeri Quesiti di chimica 8 [ 06 I composti eterociclici contengono: a b c d C H I M I C A ■ ■ ■ ■ anelli di atomi di carbonio almeno un atomo diverso dal carbonio almeno un atomo di azoto catene carboniose ma non anelli 07 Derivano dalla combinazione di un non metallo con ossigeno: a b c d ] ■ ■ ■ ■ idrossidi idracidi ossidi acidi ossidi basici 08 È una reazione di scambio semplice: ■ ■ ■ ■ a b c d NaCl KNO3 → KCl NaNO3 H2SO4 Ca(NO3)2 → CaSO4 2HNO3 PbO2 SO2 → PbSO4 Mg 2HCl → MgCl2 H2 09 Possono essere considerati derivati dall’acido solfidrico, H – S – H, per sostituzione di ambedue gli atomi di idrogeno con gruppi organici: ■ ■ ■ ■ a b c d tioeteri alcoli ammine esteri 10 Rispetto alle strutture che lo costituiscono, un ibrido di risonanza è: ■ ■ ■ ■ a b c d più stabile di uguale stabilità meno stabile privo di stabilità 11 Comprende gli elementi C, Si, Ge, Sn e Pb: ■ ■ ■ ■ a b c d I gruppo III gruppo VII gruppo IV gruppo 12 Un legame simmetrico intorno all’asse internucleare è detto: ■ ■ ■ ■ a b c d legame pi greco (π) legame trigonale legame sigma (σ) legame ionico 201 Soluzioni Commenti ai quesiti di chimica (pagina 200) 01 a Il calore specifico è la quantità di calore assorbito da 1 kg della sostanza considerata per aumentare la sua temperatura di 1 °C CH2O 1 Kcal/kg · °C 1 cal/g · °C 02 d Si applichi la legge di Gay-Lussac. 1 p p0 (1 αt); α ––––––, t –273 °C 273 1 p p0 1 ––––– • (–273) 0 27 03 a Il Carbonio si può considerare come elemento di transizione nel senso che può cedere ma anche acquistare elettroni. 04 d Una grammomolecola di qualsiasi sostanza contiene 6,02 · 1023 molecole; 6,02 · 1023 è il numero di Avogadro. 05 c L’isomeria o epimeria è un fenomeno per il quale due composti aventi la stessa formula chimica differiscono per le proprietà chimicofisiche. Un esempio è rappresentato dal carbonio (C) che può formare forme grafite o diamante. 06 b I composti eterociclici sono composti organici insaturi con struttura ad anello penta o esa-atomico. La loro caratteristica è la presenza nell’anello di uno o più atomi di elementi diversi dal carbonio. 07 c Dalla reazione di un non metallo con ossigeno si forma un ossido acido, cioè un’anidride. 08 d Le reazioni a e b sono di doppio scambio. Nella reazione c non vi è scambio. La a è una reazione di scambio semplice. 09 a Gli alcoli sono composti organici caratterizzati dal gruppo ossidrile 206 – OH legato a un gruppo alchilico; le ammine sono derivati dell’ammoniaca per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno con altrettanti gruppi alchilici o arilici; gli esteri derivano dalla condensazione di un acido e di un alcol. 10 a Il concetto di risonanza è stato introdotto da Heisenberg, considerando che i doppietti elettronici non accoppiati oscillino con una determinata frequenza lungo gli assi della molecola anziché formare doppi legami in posizioni fisse. Secondo il numero di doppi legami teorici e delle posizioni che potrebbero assumere, si dice che il sistema «risuona» fra due o più strutture, assumendo una configurazione detta «ibrido di risonanza» che non contiene nessun legame insaturo ma risulta invece stabilizzata dalla energia assorbita dal movimento oscillatorio della nube elettronica. 11 d Gli elementi Carbonio, Silicio, Germanio, Stagno e Piombo appartengono al quarto gruppo della tavola periodica: si tratta di metalloidi tetravalenti. 12 c Il legame σ è simmetrico intorno all’asse intenucleare. 13 c Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che hanno stesso numero di protoni (numero atomico) ma diverso numero di neutroni e conseguentemente diversa massa atomica. Tutti gli elementi hanno uno o più isotopi, naturali o artificiali, stabili o instabili (radioattivi). 14 b Gli alcani o idrocarburi paraffinici, hanno formula generale CnH2n2 e sono caratterizzati dalla presenza di legami semplici. n 1 CH4 metano n 2 C2H6 etano n 3 C3H8 propano n 4 C4H10 butano