Indice. 1 La materia e la sua struttura. 2 La radioattività ed i processi nucleari

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1 Indice PREFAZIONE XIII 1 La materia e la sua struttura 1.1. Le particelle fondamentali e la struttura dell atomo Il numero atomico, il numero di massa, i nuclidi e gli isotopi L unità di massa atomica ed i pesi atomici degli elementi La mole ed il Numero di Avogadro Le dimensioni degli atomi 11 2 La radioattività ed i processi nucleari 2.1. Nuclidi stabili e radionuclidi La radioattività I processi di decadimento radioattivo La legge del decadimento radioattivo Unità di misura della radioattività Le famiglie radioattive naturali Il difetto di massa La fissione e la fusione nucleare Nuclidi artificiali Impieghi dei nuclidi radioattivi 31 3 Le configurazioni elettroniche degli elementi e le proprietà periodiche 3.1. Generalità sulle onde elettromagnetiche Il comportamento corpuscolare delle radiazioni elettromagnetiche: l effetto fotoelettrico ed i fotoni La critica dei modelli atomici ed il principio di indeterminazione Le onde di De Broglie La meccanica ondulatoria e l equazione di Schrödinger 42

2 VI INDICE L atomo di idrogeno nella meccanica ondulatoria Gli orbitali dell atomo di idrogeno e la loro rappresentazione Transizioni tra livelli energetici: l assorbimento e l emissione di onde elettromagnetiche La struttura degli atomi polielettronici Lo spin dell elettrone: il principio di esclusione di Pauli e la regola di Hund Le configurazioni elettroniche degli atomi La classificazione periodica degli elementi La tavola periodica La carica nucleare efficace Il raggio atomico e i raggi ionici L energia di ionizzazione L affinità elettronica L elettronegatività Il carattere metallico La quantizzazione dell energia: lo spettro di emissione dell atomo di idrogeno Il LASER: principi di funzionamento e applicazioni 76 4 Il legame chimico 4.1. Parametri della struttura molecolare Classificazione dei legami chimici Il legame ionico Il legame ionico secondo la teoria di Lewis e la valenza ionica Il ciclo di Born-Haber e l energia reticolare Il legame covalente Il legame covalente a coppie di elettroni secondo la teoria di Lewis La teoria del legame di valenza Stati di valenza degli atomi L ibridazione Geometria molecolare Polarità delle molecole ed elettronegatività La delocalizzazione degli elettroni: il concetto di risonanza La teoria degli orbitali molecolari La delocalizzazione degli elettroni secondo la teoria degli orbitali molecolari Il legame metallico La teoria delle bande Conduttori, isolanti e semiconduttori Legami deboli Il legame a idrogeno Legami dipolari 142

3 INDICE VII 5 Le reazioni chimiche 5.1. Elementi e composti I simboli e le formule chimiche Formule minime e formule molecolari Le formule di struttura Nomenclatura chimica dei principali composti inorganici Il numero di ossidazione Nomenclatura chimica Le reazioni chimiche e la loro rappresentazione Le reazioni di ossidoriduzione Calcoli stechiometrici Gli stati di aggregazione della materia 6.1. Lo stato gassoso Il modello del gas ideale Cenni sulla teoria cinetica dei gas Le miscele di gas ideali I gas reali La liquefazione dei gas e la temperatura critica Lo stato liquido Proprietà dei liquidi Le soluzioni ed i modi per esprimerne la composizione La solubilità Lo stato solido I solidi amorfi I solidi cristallini Il reticolo cristallino Strutture cristalline compatte I diversi tipi di solidi cristallini Difetti nelle strutture dei cristalli Termochimica e principi di termodinamica chimica 7.1. Il primo principio della termodinamica Capacità termiche, calori specifici e molari Termochimica Equazioni termochimiche La legge di Hess Criteri di spontaneità per una reazione chimica Il secondo principio della termodinamica e la definizione di entropia 226

4 VIII INDICE Il principio dell incremento dell entropia Entropia e probabilità termodinamica di stato Trasformazioni spontanee per un sistema non isolato: l energia libera di Gibbs Energia libera e lavoro utile Criteri di spontaneità di una reazione chimica La cinetica chimica 8.1. La velocità di reazione Le equazioni cinetiche e gli ordini di reazione La cinetica delle reazioni del primo ordine La cinetica delle reazioni del secondo ordine La determinazione degli ordini parziali di reazione Meccanismi di reazione e molecolarità dei processi elementari L effetto della temperatura sulla velocità di reazione Cinetica delle reazioni in soluzione I catalizzatori Catalisi omogenea Catalisi eterogenea L equilibrio chimico 9.1. L equilibrio chimico da un punto di vista cinetico Le diverse espressioni della costante di equilibrio Equilibri omogenei in fase gassosa Equilibri omogenei in fase liquida L equilibrio chimico tra specie in fasi diverse Esempi di calcolo della composizione e del rendimento all equilibrio Fattori che influenzano l equilibrio chimico Effetto della temperatura sulla costante di equilibrio Effetto della pressione sulla composizione all equilibrio Effetto di una variazione delle quantità dei componenti Effetto della presenza di gas inerti L equilibrio chimico da un punto di vista termodinamico Equilibri simultanei Gli equilibri ionici in soluzione acquosa L autoprotolisi dell acqua Soluzioni acide, basiche, neutre: il concetto di ph 295

5 INDICE IX Gli acidi e le basi La definizione di acido e di base secondo Brönsted-Lowry La forza degli acidi e delle basi Acidi e basi poliprotici Le reazioni di idrolisi Il calcolo del ph Soluzioni di un acido forte o di una base forte Soluzioni di un acido debole o di una base debole Le reazioni di neutralizzazione Le soluzioni tampone Equilibri di solubilità Correlazione tra struttura molecolare e proprietà acido-base Definizione di acido e di base secondo Lewis Equilibri tra fasi diverse e diagrammi di stato La regola delle fasi Sistemi ad un componente L equazione di Clausius-Clapeyron Diagrammi di stato per sistemi a un componente Sistemi a due componenti Le proprietà colligative Diagrammi di stato per sistemi a due componenti I fluidi supercritici Elettrochimica Le pile Tipi di semielementi Rappresentazione schematica di una pila Forza elettromotrice di una pila e potenziale di un semielemento: l equazione di Nernst La serie elettrochimica dei potenziali standard Pile di concentrazione Fenomeni elettrolitici Il potenziale di decomposizione La sovratensione Le leggi di Faraday Ordine di scarica delle specie agli elettrodi Elettrolisi dell acqua I processi di corrosione dei metalli 390

6 X INDICE Corrosione galvanica Corrosione per aerazione differenziale Sistemi di protezione contro la corrosione Termodinamica di una pila: l equazione di Nernst Pile commerciali Le celle a combustibile Gli accumulatori Elettrolisi di soluzioni acquose Preparazione elettrolitica dello zinco Elettrolisi di soluzioni acquose concentrate di NaCl Raffinazione elettrolitica del rame Elettrolisi di sali fusi Elementi di chimica organica Gli idrocarburi Alcani Alcheni Alchini Idrocarburi cicloalifatici Idrocarburi aromatici Altri gruppi funzionali Alogeno-derivati degli idrocarburi Alcoli Alcoli poliossidrilati Eteri Aldeidi e chetoni Acidi carbossilici Esteri Anidridi Ammine Ammidi I polimeri Generalità Cristallinità e proprietà termiche Classificazione Elementi di chimica inorganica L idrogeno Produzione ed impieghi Principali reazioni 443

7 INDICE XI Gli elementi del Gruppo I (1) Preparazione e principali impieghi Principali composti Gli elementi del Gruppo II (2) Preparazione e principali impieghi Principali composti e loro impieghi Gli elementi del Gruppo III (13) Il boro: proprietà, usi e principali composti L alluminio: proprietà, usi e principali composti Gli elementi del Gruppo IV (14) Il carbonio: proprietà, usi e principali composti Il silicio: proprietà, usi e principali composti Germanio, stagno e piombo Gli elementi del Gruppo V (15) L azoto: proprietà, usi e principali composti Il fosforo: proprietà, usi e principali composti Arsenico, antimonio e bismuto Gli elementi del Gruppo VI (16) L ossigeno: proprietà, usi e principali composti Lo zolfo: proprietà, usi e principali composti Selenio, tellurio e polonio Gli elementi del Gruppo VII (17) Il fluoro: proprietà, usi e principali composti Il cloro: proprietà, usi e principali composti Bromo e iodio Gli elementi del Gruppo 0 (18) Gli elementi di transizione Titanio Manganese Ferro I fullereni ed i nanotubi di carbonio I fullereni I nanotubi di carbonio L effetto serra Il meccanismo dell effetto serra L assorbimento di radiazioni IR da parte delle molecole Il silicio semiconduttore Estrazione e raffinazione del silicio Crescita di monocristalli di silicio Le celle fotovoltaiche Il «buco» dell ozono Effetto schermante dell ozono Formazione e distrazione dell ozono nella stratosfera I clorofluorocarburi 513 APPENDICE 515 INDICE ANALITICO 519

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