Capitolo 1: I concetti alla base della chimica. La chimica si occupa delle trasformazioni della materia. Per fare ciò si richiede la raccolta di informazioni sia qualitative che quantitative. Le informazioni quantitative sono i dati numerici, come la temperatura alla quale una sostanza fonde o la sua massa; le informazioni qualitative, invece, sono osservazioni non numeriche, come il colore di una sostanza o la sua morfologia. CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA Una proprietà della materia facilmente osservabile è il suo stato di aggregazione, cioè se una sostanza è un solido, un liquido o un gas. Un solido ha forma propria e un volume definito, che cambia poco col variare della temperatura e della pressione; i liquidi hanno volume fisso ma sono fluidi e prendono la forma del contenitore. I gas sono pure fluidi, ma il volume del gas è determinato dalla dimensione del suo contenitore. Il volume di un gas, col variare della temperatura e della pressione, cambia di + di quello di un liquido. In teoria, a T sufficientemente basse, tutta la materia si trova allo stato solido. Con l’aumentare di T i solidi fondono, i liquidi evaporano. Normalmente i passaggi di stato sono accompagnati da variazioni di volume: per una determinata massa di materia, di solito con la fusione si ha un piccolo aumento di volume- l’acqua è una eccezione rilevante- mentre con l’evaporazione si verifica un notevole aumento di volume. La teoria cinetico-molecolare della materia aiuta a interpretare le proprietà dei solidi, dei liquidi e dei gas. In accordo con questa teoria, tutta la materia è formata da particelle estremamente piccole (atomi, molecole e ioni) che sono in costante movimento: Nei solidi queste particelle sono impaccate strettamente fra loro, in ordine regolare. Le particelle vibrano intorno alla posizione di equilibrio, ma raramente una particella in un solido si allontana dalle particelle vicine per venire a contatto con delle altre. Le particelle di un liquido sono disposte a caso. I liquidi e i gas sono dei fluidi in quanto le particelle non sono vincolate da posizioni specifiche e possono muoversi occupando l’una la posizione dell’altra. In condizioni normali, le particelle di un gas sono distanti fra loro. Esse si muovono rapidamente, collidendo fra loro e con le pareti del recipiente. Un aspetto importante di questa teoria cinetico-molecolare è che maggiore è T, maggiore è la velocità delle particelle. L’energia associata al movimento delle particelle (energia cinetica) si oppone alle forze di attrazione fra le particelle. Un solido fonde per formare un liquido quando la sua T si innalza fino al punto in cui le particelle vibrano così tanto da sfuggire all’attrazione delle particelle vicine per passare allo stato liquido. LE SOSTANZE PURE Porzione di materia con composizione uniforme: elementi (atomi uguali) e composti (atomi diversi). Ogni sostanza pura presenta un insieme di caratteristiche che ne permette il riconoscimento: punto di fusione e di ebollizione (se si vuole dimostrare che tipo di sostanza è sapendo che fonde a 0C e bolle a 100C, siamo sicuri che è acqua; nessun’altra sostanza nota ha queste esatte T). Una seconda caratteristica di una sostanza pura è che essa non può essere separata in sostanze diverse attraverso tecniche fisiche (se il campione si potesse separare, sarebbe una miscela). MISCELE OMOGENEE ED ETEROGENEE Una miscela è composta da due o più sostanze pure che possono essere separate mediante tecniche fisiche. In una miscela eterogenea la natura mista del materiale spesso si può vedere ad occhio nudo; tuttavia a volte no, esempio latte, rocce e sangue. In una miscela eterogenea le proprietà di una regione sono differenti da quelle di un’altra. Una miscela omogenea è formata da due o più sostanze nella stessa fase, sono spesso chiamate soluzioni (aria, benzina, bibite). Quando una miscela viene separata nei suoi componenti, si dice che i componenti sono stati purificati, attraverso dei procedimenti di separazione**. GLI ELEMENTI Attualmente si conoscono 118 elementi. L’atomo è la particella più piccola di un elemento che conserva le proprietà chimiche caratteristiche dell’elemento stesso. I COMPOSTI Una sostanza pura come lo zucchero, il sale o l’acqua, composta da due o più elementi differenti tenuti insieme da legami chimici, viene denominata composto. Quando gli elementi diventano parte di un composto, le loro proprietà originarie come il colore, la durezza e il punto di fusione sono sostituite dalle proprietà caratteristiche del composto. Alcuni composti sono formati da molecole (le più piccole unità che conservano le caratteristiche chimiche del composto) come acqua e zucchero o da ioni tipo il sale. È importante fare una distinzione fra composto e miscela**: un composto presenta caratteristiche radicalmente diverse da quelle degli elementi che lo compongono e ha una ben definita composizione percentuale (in massa). Legge di conservazione della massa Lavoisier, 1783 somma dei reagenti = somma prodotti. Legge delle proporzioni definite, Proust 1799 l’affermazione che un composto ha sempre una precisa composizione percentuale in massa. Prima teoria atomica universale, Dalton 1802 3 postulati 1. Tutti gli elementi sono formati da atomi (uguali negli elementi, diversi nei composti) 2. Gli atomi conservano la loro identità. 3. Gli atomi di elementi diversi formano composti. Legge delle proporzioni multiple quando 2 elementi si combinano tra loro, le quantità in peso sono fisse. Proprietà fisiche Densità: rapporto fra massa e volume. Temperatura La densità e la T sono correlate quando l’acqua si raffredda, la densità aumenta e l’acqua più densa affonda. ** Il volume cambia con la T e quindi anche la densità. Proprietà estensive: dipendono dalla quantità di sostanza, esempio massa volume o quantità di calore. Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di sostanza, esempio temperatura di ebollizione. TRASFORMAZIONI CHIMICHE E FISICHE In una trasformazione fisica l’identità di una sostanza viene conservata, anche se è cambiato il suo stato fisico o la dimensione. Una trasformazione fisica non porta alla formazione di una nuova sostanza: le specie (atomi, molecole o ioni) presenti sono gli stessi. In una trasformazione chimica i reagenti vengono trasformati in prodotti. L’energia: alcuni principi base Le reazioni chimiche quasi sempre rilasciano o assorbono energia. L’energia può essere classificata in cinetica o potenziale. L’energia cinetica è l’energia associata al movimento: Il movimento di ioni, molecole o atomi a livello submicroscopico (energia termica); tutta la materia possiede energia termica. Il moto di oggetti in movimento (energia meccanica) Il movimento degli elettroni in un conduttore (energia elettrica) L’energia potenziale deriva dalla posizione di un oggetto e comprende: L’energia posseduta da una palla tenuta sopra il pavimento (energia potenziale gravitazionale) L’energia immagazzinata in una molla estesa. L’energia immagazzinata nei combustibili (energia chimica). Legge di conservazione dell’energia: afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, quindi l’energia totale dell’universo è costante. Unità di misura LE SCALE PER MISURARE LA TEMPERATURA Celsius: definita assegnando il valore zero al punto di congelamento dell’acqua pura, zero, e 100 al suo punto di ebollizione. Kelvin: assegna lo zero alla T più bassa ever, zero assoluto (-273,15 C). ALCUNE COSE IN Più 1 Litro= 1000 cm3 = 1000 mL = 0,001 m3 1 mL = 1 cm3 1 L= 1 dm3 Il Joule è legato direttamente all’unità di misura utilizzata per l’energia 2 2 meccanica: 1 J = 1kg x m /s La caloria è definita come l’energia sotto forma di calore che è necessaria per innalzare la T di 1 g di acqua pura liquida da 14,5 gradi a 15,51 caloria= 4,184 J LE MISURE La precisione di una misura indica quanto sono in accordo fra loro diverse determinazioni della tessa quantità. L’accuratezza rappresenta l’accordo che esiste fra la misura e il valore vero. ERRORE SPERIMENTALE: valore determinato in laboratorio - valore accettato. ERRORE PERCENTUALE: errore nella lettura/ valore accettato x100
