Complementi di Chimica

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1 omplementi di himic Prof. Giovnni B. Giovenzn Diprtimento di Scienze del Frmco Univerità del Piemonte Orientle A. Avogdro Tel.: himic Anlitic Brnc dell chimic che tudi l compoizione qulittiv e quntittiv delle otnze Anlii Qulittiv Proceo di identificzione dei componenti di un cmpione Anlii Quntittiv Proceo di miur di un determint otnz in un cmpione Stechiometri Studio delle relzioni numeriche fr elementi e/o compoti, delle proporzioni con cui gli elementi i cominno tr di loro, delle quntità di elementi o compoti coinvolti in un rezione

2 Unità di miur fondmentli (elezione) del Sitem Internzionle (SI) Grndezz Unità (Simolo) Grndezz Unità (Simolo) Lunghezz Metro (m) Tempertur elvin () M ilogrmmo (g) Tempo Secondo () orrente Elettric Ampere (A) Quntità di otnz Mole (mol) Unità di miur derivte (elezione) del Sitem Internzionle (SI) Grndezz Unità Relzione con (Simolo) Unità SI Forz Newton (N) g m/ Preione Pcl (P) (N/m ) = g/(m ) Energi (lore, Lvoro) Joule (J) (N m) = g m / Potenz Wtt (W) (J/) = g/(m 3 ) Frequenz Hertz (Hz) -1 Potenzile Elettrico Volt (V) (W/A) = g m /(A 3 ) ric Elettric oulom () A Reitenz Ohm (Ω) (V/A) = g m /(A 3 ) Prefii per potenze 10 1 dec (d) 10-1 deci (d) 10 etto (h) 10 - centi (c) 10 3 kilo () 10-3 milli (m) 10 6 meg (M) 10-6 micro (μ) 10 9 gig (G) 10-9 nno (n) 10 1 ter (T) 10-1 pico (p) pet (P) femto (f) e (H) tto () 10 1 zett (Z) 10-1 zepto (z) 10 4 yott (Y) 10-4 yocto (y)

3 Epreione di riultti numerici ifre ignifictive: ifre che eprimono l ccurtezz dell miur fiic Accurtezz: minore ditnz dl vlore vero dell grndezz miurt Preciione: minore diperione nei vlori ottenuti dll eperimento (minore devizione td) N di ifre ignifictive: N di cifre certe (+ l prim incert) (in notzione cientific).1 3.S S S S S S. Non ignifictivi gli zeri initr del numero: i poono inglore nell notzione cientific Significtivi (e effettivmente miurti) gli zeri detr del numero

4 Il riultto di un operzione non può vere più cifre ignifictive dei dti di prtenz. Addizioni e ottrzioni: Il riultto viene epreo con tnte.s. qunte il dto che ne h meno Moltipliczioni, diviioni: Il riultto viene epreo con tnte.s. qunte il dto che ne h meno + 1 (Eli ll fine) Logritmi e ntilogritmi: Il riultto viene epreo con tnte.s. qunte quelle dell mnti Arrotondmenti ifr d eliminre < 5 per difetto (N t.q.) ifr d eliminre > 5 per ecceo (N ucceivo) ifr d eliminre = 5 Epreione di riultti numerici e l precedente l 5 è pri t.q. e dipri per ecceo l pri ucceivo L rrotondmento v ftto in un unic operzione (rrotondmenti ucceivi generno mggiori errori di ppro.).3(46750).3.346(750) (50).3468

5 MATERIA Nuclei (protoni, neutroni) Atomi Molecole Elementi otnze compote d tomi con lo teo numero tomico ompoti otnze compote d molecole Micele (omogenee, eterogenee) M del protone: g M del neutrone: g M dell elettrone: g M degli tomi: g Peo Atomico Stndrd: u.m.. 1 u.m.. = 1/1 m( 1 ) = g (= 1 d) Pei Atomici (PA) reltivi: riferiti llo tndrd ( 1 )

6 MATERIA Alcuni elementi ono monoiotopici: 19 F N P Peo Atomico Reltivo Medio = Peo Atomico reltivo medito u tutti gli iotopi E. 14 N (99.633%) 15 N (0.367%) Medi pet: u.m.. Peo Molecolre (PM) = Σ (Pei Atomici Reltivi Medi di TUTTI gli tomi cotituenti l molecol) N O 3 = = u.m.. 6 H 1 O 6 = = u.m.. Peo Formul (PF) = Σ (Pei Atomici o Molecolri di TUTTI i cotituenti dell formul) (E. uso 4 5H O)

7 MOLE E ALOLI RELATIVI Mole = Unità di miur dell quntità di mteri; definit come l quntità di mteri che contiene lo teo numero di entità elementri preenti in 1 g dell iotopo 1 1 Mole (mol) contiene N A (Numero di Avogdro = ) entità elementri Opertivmente, l mole rppreent un multiplo mcrocopico dell molecol Un quntità in grmmi pri l PA o l PM contiene N A tomi o molecole, ripettivmente L unità di m tomic (u.m..) è dimenionlmente pri g/mol (i.e.: grmmi per ogni mole) E. PM(H O) = u.m g di cqu ono 1 mole e contengono N A molecole di cqu Mole (mol) grmmomole (gmol), grmmotomo (g), grmmoformul (gf) M /PM Moli (n) N A Molecole PM /N A ompoizione percentule dei compoti: rpporto ( 100) tr le me degli elementi cotituenti Formul minim = Rpporto reltivo tr gli tomi preenti nell molecol del compoto Formul molecolre (o rut) = Ntur e numero effettivo degli tomi preenti nell molecol del compoto E. Glucoio: 40.00%, H 6.71%, O 53.9%, Fml Minim: H O, Fml Brut: 6 H 1 O 6

8 Epreioni dell concentrzione di oluzioni Soluzione = Soluto + Solvente Solvente = omponente dell oluzione preente in quntità mggiore Soluto = omponente dell oluzione preente in quntità minore Volumi di liquidi diveri non ono dditivi 1) Percentule peo/peo % p/p = [m oluto (g) / m oluzione (g) 100 = [m oluto (g) / (m oluto + m olvente ) (g). 100 ) Percentule peo/volume %p/v = [m oluto (g) / V oluzione (ml) 100 [m oluto (g) / (V oluto + V olvente ) (ml) ) Percentule volume/volume %v/v = [V oluto (ml) / V oluzione (ml) 100 [V oluto (ml) / (V oluto + V olvente ) (ml). 100

9 Epreioni dell concentrzione di oluzioni Per oluzioni cquoe diluite: 4) Prti per milione (ppm) ppm = [m oluto (mg) / m oluzione (g) [m oluto (mg) / V oluzione (L) 5) Prti per ilione (pp) ppm = [m oluto (µg) / m oluzione (g) [m oluto (µg) / V oluzione (L) 6) Prti per trilione (ppt) ppm = [m oluto (ng) / m oluzione (g) [m oluto (ng) / V oluzione (L)

10 Epreioni dell concentrzione di oluzioni 7) Molrità M = [moli oluto (mol) / V oluzione (L) = {m oluto (g) / [PM oluto (g/mol) V oluzione (L)} 8) Normlità N = [equivlenti oluto (eq) / V oluzione (L) = {m oluto (g) / [PE oluto (g/mol) V oluzione (L)} PE = PM/Z N = M Z Z = N idrogeni cidi (cidi), N oidrili ici (i), N elettroni cmiti (redo), ecc. 9) Mollità m = moli oluto (mol) / m olvente (g) 10) Frzioni molri i = moli i / (Σ moli i ) Σ i = 1 11) Frzioni molri percentuli i% = [moli i / (Σ moli i ) 100 Σ i% = 100 (mm, µm, nm)

11 L cqu i dioci econdo l equilirio (rezione di utoprotolii): H O H + + OH per l qule: [H [OH 16 eq [H O [H O = M, pproimtivmente cotnte L epreione dell cotnte di equilirio può inglore il termine cotnte [H O: eq [H O [H [OH W W è definito prodotto ionico dell cqu. Il uo vlore dipende dll tempertur: (0 ) (5 ) (50 ) (100 )

12 In cqu pur 5 i h: H O H + + OH [H + = [OH - [H + [OH - = [H + = [OH - = mol/l Definizione: px = -Log X = -Log [H + poh = -Log [OH - + poh = p W = 14 In cqu pur: = poh = -Log = 7.0 Soluzione neutr Soluzioni con [H + > [OH - < 7 poh > 7 Soluzioni cide Soluzioni con [H + < [OH - > 7 poh < 7 Soluzioni iche

13 Acidi forti monoprotici lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Sono elettroliti completmente diociti. E. Hl, HBr, HI, HNO 3, HlO 4 HNO 3 H + + NO [H + = = -Log [H + = -Log Acidi forti poliprotici ome nel co precedente, m i diocino più volte dndo >1 ione H +. E. H SO 4 H SO 4 H + + SO [H + = = -Log [H + = - Log ( ) Nel co generico di un cido forte poliprotico che diocindoi gener n ioni H + : = - Log (n ) Bi forti monoiche Sono elettroliti completmente diociti. E. NOH, LiOH, OH, OH, R 4 N + OH OH + + OH - B B B [OH - = B poh = -Log [OH - = -Log B + poh = 14 = 14 + Log B Bi Forti Poliiche ome nel co precedente m i diocino più volte dndo > 1 ioni OH -. E. Mg(OH), (OH), Sr(OH), B(OH) (OH) + + OH - B B B [OH - = B poh = -Log [OH - = -Log ( B ) + poh = 14 = 14 + Log ( B ) Nel co generico di un e forte poliic che diocindoi gener n ioni OH - : = 14 + Log (n B )

14 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Acidi deoli monoprotici Sono elettroliti przilmente diociti. E. HNO, HlO, HN, HN 3, HF, H 3 OOH, HOOH HA H + + A - con cotnte di equilirio Per cidi con < 10-3, [H [A [HA [H Log Per cidi con > 10-3 o oluzioni molto diluite formul enz pproimzioni: Acidi deoli poliprotici Sono elettroliti poliprotici przilmente diociti. E. H O 3, H SO 3, H 3 PO 4, cidi policroilici (trtrico, citrico, ecc.) Log 4 H A H + + HA - con cotnte di equilirio,1 HA - H + + A - con cotnte di equilirio, Per cidi deoli poliprotici, i può umere che gli ioni H + provengno qui completmente dl primo equilirio diocitivo H A H + + HA Per cidi con < 10-3,,1 [H [HA [H A,1 [H,1 E inoltre poiile pplicre l formul non pproimt del co precedente, utilizzndo l,1 nziché. Log,1

15 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Bi deoli monoiche Sono elettroliti przilmente diociti. Tipico eempio è l mmonic (NH 3 ), m nche le mmine orgniche ono i deoli. NH 3 + H O NH OH - con cotnte di equilirio Per i con < 10-3, 4 [NH [OH [NH OH 4 [OH 14 Log Per i con > 10-3 o oluzioni molto diluite formul enz pproimzioni: 14 Log 4 Bi deoli poliiche Sono elettroliti poliici przilmente diociti. I pochi eempi di quet ctegori rigurdno compoti orgnici con più gruppi mminici (idrzin, etilendimmin, piperzin, DABO, ecc.). ome nel co degli cidi deoli poliprotici, i hnno più equiliri diocitivi conecutivi. Per i deoli poliiche, i può umere che gli ioni OH - provengno qui completmente dl primo equilirio diocitivo, trcurndo nei clcoli gli equiliri ucceivi l primo. [OH,1 14 Log,1 E inoltre poiile pplicre l formul non pproimt del co precedente, utilizzndo l,1 nziché :

16 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Sli di cido forte e e forte E. Nl, NO 3, N SO 4 Tutti i li i diocino completmente (rre eccezioni, e. Hgl ) Gli ioni N + e l -, eendo ripettivmente cido coniugto di e forte e e Nl N + + l - coniugt di cido forte non mnifetno tendenz riociri con ioni OH e H (fenomeni di idrolii ), non influenzndo il che in tli ci è perciò neutro. - 7 Sli di cidi deoli monoprotici e i forti E. NNO, NlO, N, NN 3, LiF, H 3 OON, HOO Diocizione (complet) NA N + + A - Succeivmente, l nione A -, e coniugt di un cido deole - - (HA), tende riformre l cido deole teo, cquitndo uno - ione H + dll cqu (e lcindo quindi liero uno ione OH - ; tle fenomeno è detto idrolii d effetto ico) A - + H O HA + OH - - con cotnte di equilirio: - i [HA [OH - [A L cotnte di idrolii è legt ll cotnte di diocizione cid dell cido deole, ttrvero l relzione: [HA [OH - [A [HA [OH [H [A [H i - w Ricvndo = [OH - dll epreione dell cotnte di idrolii in funzione di e è poiile ricvre il : [OH i w poh Log w 14 Log w

17 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Sli di i deoli monoiche e cidi forti E. NH 4 l, NH 4 NO 3, NH 4 Br, NH 4 lo 4 Diocizione (complet) NH 4 l NH l - Succeivmente, NH 4+, cido coniugto di un e deole - - (NH 3 ), tende riformre l e deole te, cedendo uno - ione H + ll cqu (idrolii d effetto ico) NH 4+ + H O NH 3 + H 3 O con cotnte di equilirio: - i [NH 3 [H [NH 3 4 O L cotnte di idrolii è legt ll cotnte di diocizione cid dell cido deole, ttrvero l relzione: i [NH 3 [H [NH 3 4 O [NH 3 [H [NH 3 4 O [OH [OH w Ricvndo = [H 3 O + dll epreione dell cotnte di idrolii in funzione di e è poiile ricvre il : [H w 3O i Log w Log w Sli di cido deole monoprotico e e deole monoic E. H 3 OONH 4, HOONH 4, NH 4 NO, NH 4 N Effettundo lcune emplificzioni, i giunge ll formul pproimt: Log w Formul complet: Log w

18 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Sli di cidi deoli poliprotici e i forti E. N O 3, 3 PO 4, N SO 3, citrto di odio, trtrto di odio, ecc. Diocizione (complet) N n A n N + + A n- Succeivmente, l nione A n-, e coniugt di un cido deole - - (H n A), tende riformre l cido deole teo ttrvero fenomeni - n di idrolii conecutive, cquitndo più ioni H + dll cqu e lierndo di coneguenz vri ioni OH -. A n- + H O HA (n-1) - + OH - - con cotnte di equilirio: i,1 = w /,n - HA (n-1) - + H O H A (n-) - + OH - - con,n cotnte di equilirio: i, = w /,(n-1) - y y y e coì vi... fino ll riprotonzione complet: 14 Log H (n-1) A - + H O H n A + OH y - - con cotnte di equilirio: i,n = w /,1 y - z z z In generle le idrolii ucceive ll prim ono trcurili. i i riconduce quindi ll formul impiegt nel clcolo del di li di cidi deoli monoprotici e di i forti, vlutndo olo il primo equilirio di idrolii (notre che l prim cotnte di idrolii è in relzione con l ultim cotnte di diocizione dell cido poliprotico) : Un formul nlog puo eere pplict l co rro del clcolo del di li neutri di i deoli poliiche e cidi forti (con le deite otituzioni (14+Log con -Log e,n con,n ). w

19 lcolo del di oluzioni cquoe di elettroliti Sli cidi di cidi deoli poliprotici e i forti E. NHO 3, N HPO 4, NH PO 4, NHSO 3, ecc.. Diocizione (complet) NHA N + + HA - Succeivmente, l nione A n-, e coniugt di un cido deole - - (H n A), può uire un econd diocizione cid oppure - ottotre ll idrolii, cquitndo uno ione H + dll cqu e lierndo di coneguenz uno ione OH -. Log 3 HA - A - + H + con cotnte di equilirio:, HA - + H O H A + OH - con cotnte di equilirio: i, = w /,1 In queto co, il clcolo del port ll eguente formul pproimt: Log 1 E d notre ttentmente che l epreione contiene le due dell cido poliprotico interete ll diocizione cid ed ll idrolii dell nione del le coniderto. L epreione vri perciò in funzione dell ntur del le. Eempi Log 1 NHO 3 HO 3 - (, per diocizione; w /,1 per idrolii) Log 1 H PO 4 H PO 4 - (, per diocizione; w /,1 per idrolii) HPO 4 HPO 4 - (,3 per diocizione; w /, per idrolii)

20 Soluzioni tmpone Il termine oluzione tmpone o emplicemente tmpone indic un oluzione di elettroliti in grdo di contenere in un intervllo ritretto di le vrizioni di in eguito ll ggiunt di quntità moderte di cidi o i forti. Un oluzione tmpone è generlmente compot d un coppi cido deole-e coniugt o e deole-cido coniugto in quntità comprili. L ggiunt di cidi o i forti converte prte di un di quete pecie nell ltr. Si ditinguono tre principli ctegorie di oluzioni tmpone: Acido deole e uo le di e forte Il tipico eempio è rppreentto d un micel di H 3 OOH e H 3 OON. Quet ultimo, in oluzione, i dioci completmente, fornendo ioni cetto (H 3 OO - ). L cido cetico i dioci trcurilmente, nche cu dell effetto di m dello ione cetto contempornemente preente. L compoizione dell oluzione è regolt dll equilirio: [H [H H 3 OOH H 3 OO - + H + 3OO l cui cotnte è l dell cido: [H 3OOH L concentrzione dello ione H + può eere ricvt otituendo tli vlori nell epreione di : [H [ [ [H ottenendo il ttrvero l coiddett equzione di Henderon-Helch: Log ( )

21 Soluzioni tmpone Be deole e uo le di cido forte Il tipico eempio è rppreentto d un micel di NH 3 e NH 4 l. Quet ultimo, in oluzione, i dioci completmente, fornendo ioni mmonio (NH 4+ ). L mmonic i dioci (idrolizz NH OH - ) trcurilmente, nche cu dell effetto di m dello ione mmonio contempornemente preente. L compoizione dell oluzione è regolt dll equilirio: NH 3 + H O NH OH - l cui cotnte è l dell e: [NH 4 [OH [NH 3 L concentrzione dello ione OH - può eere ricvt otituendo tli vlori nell epreione di : [ [OH [ [OH ottenendo il ttrvero l equzione di Henderon-Helch modifict opportunmente: poh Log ( ) 14 Log( )

22 Soluzioni tmpone Micel di li di cido deole poliprotico e e forte Un eempio comune è rppreentto d un micel di NH PO 4 e N HPO 4. Queti li, in oluzione, i diocino completmente, fornendo ioni diidrogenofofto (H PO 4- ) e monoidrogenofofto (HPO 4 - ). L compoizione dell oluzione è regolt principlmente dll equilirio: H PO - 4 HPO H + l cui cotnte è l dell cido foforico: [HPO L concentrzione dello ione H + può eere ricvt otituendo tli vlori nell epreione di : [H 4 [H PO 4 [ [H [ [H ottenendo il ttrvero l nlog equzione di Henderon-Helch: Log ( ) L concentrzione di un tmpone è definit come l omm delle concentrzioni molri dei due componenti T = + oppure + oppure + Un oluzione tmpone è tle qundo il rpporto tr i due componenti è compreo tr 1/10 e 10. Il potere tmpone è mimo qundo le concentrzioni dei due componenti ono uguli (e quindi = p / )

23 ompoti di coordinzione - omplei ompoto di coordinzione (compleo) : ione o molecol in cui d un tomo o ione centrle ono legti ltri tomi o ioni o molecole, in numero uperiore l numero di oidzione dell tomo o ione centrle Numero di coordinzione : numero di gruppi legti llo ione centrle (1-16, olitmente -8) E. Ag + + NH 3 [Ag(NH 3 ) + ctione dimminorgento Fe N - [Fe(N) 6 3- nione ecinoferrto(iii) Ni + 4 O [Ni(O) 4 nichel tetrcronile int Per l rezione di complezione eite l reltiv cotnte di equilirio ( f, cotnte di formzione). Tlvolt i eprime tle equilirio nel eno dell diocizione del compleo ( int, cotnte di intilità). Per l generic rezione: M + n L [M(L) n i h: f int M n L n ML M L ML n n HOO helti : compoti di coordinzione nei quli un gruppo coordinto i leg ll tomo centrle con più di un legme emplice, in qunto dotto di più gruppi dontori di elettroni (legnte polidentto) HOO N N EDTA OOH OOH f 1 N O O N O M N O O O N Fe N O O N [M(EDTA) N N