Alessandra Picenni. LA Chimica e. Cosmetologia. con elementi di fisica. per acconciatori ed estetiste

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3 Alessandra Picenni LA Chimica e Cosmetologia con elementi di fisica per acconciatori ed estetiste

4 Nuova edizione: 2011 Con la collaborazione della Redazione e dei Consulenti della CESM Impaginazione e grafica: pagineaperte, Vignate (MI) Copertina: Vavassori & Vavassori, Bonate Sotto (BG) Stampa: A.G.F., Peschiera Borromeo (MI) Per le citazioni delle fonti, per le riproduzioni varie inserite in quest opera, nonché per eventuali non volute omissioni nei riferimenti o nelle attribuzioni all interno del libro, l editore è a disposizione degli accertati aventi esclusivo diritto. Il copyright delle iconografie e la proprietà dei marchi registrati citati nel testo, utilizzati ai soli fini didattici e a titolo esemplificativo, sono dei rispettivi proprietari e inseriti nei limiti della normativa vigente per le opere a carattere didattico-scolastico. Le immagini di prodotti commercializzati sono da intendersi solo come esempi didattici e non come scelte di merito, né come propensione all acquisto o quant altro. L Editrice San Marco dichiara che il presente libro di testo è in versione mista con estensione web, in conformità all art. 15 della Legge n. 133/2008. L Editrice San Marco s impegna a mantenere invariato il contenuto di questo volume, secondo la legislazione vigente. Printed in Italy ISBN TUTTI I DIRITTI RISERVATI 2011 Editrice San Marco S.r.l., Bergamo Ponteranica - info@editricesanmarco.it è vietata la riproduzione, anche parziale o a uso interno o didattico, con qualsiasi mezzo, non autorizzata dall editore. I trasgressori saranno puniti a norma di legge. Ristampa

5 la chimica e la cosmetologia l PRESENTAZIONE 3 PRESENTAZIONE Presentazione Questa nuova edizione, dalla veste grafica completamente rinnovata, è stata aggiornata e ampliata con nuovi argomenti, dettati dalle recenti normative europee sui prodotti cosmetici e la loro etichettatura e dall attenta ricognizione di ciò che l attuale mercato dei prodotti e dei trattamenti cosmetici offre a operatori e clienti, oggi sempre più informati ed esigenti. Importante caratteristica di questo testo è quella di affrontare le nozioni fondamentali di chimica, cosmetologia e fisica adeguandole alle necessità degli operatori della cura alla persona: i vari argomenti sono esposti con un linguaggio chiaro ma scientificamente rigoroso, evitando le trattazioni troppo dettagliate e tecniche e avendo invece cura di evidenziare le applicazioni pratiche delle nozioni presentate; inoltre, per facilitare la comprensione, il testo è supportato da voci di glossario e da tabelle, grafici e disegni esplicativi. Un fondamentale aiuto allo studio e alla comprensione degli argomenti trattati è infine rappresentato dagli esercizi posti al termine di ognuna delle tre sezioni del testo, attraverso i quali ogni studente può verificare e controllare il proprio livello di conoscenza. Il volume è diviso in tre parti. La prima parte è dedicata all esposizione delle nozioni fondamentali della chimica e dei principali tratti della chimica inorganica e organica. La seconda parte affronta le tematiche cosmetologiche e dermatologiche, offrendo una panoramica completa dei caratteri anatomici e fisiologici interessati dai trattamenti cosmetici e un esaustiva esposizione dell offerta merceologica di materie prime e prodotti cosmetici, con l illustrazione della legislazione sui cosmetici, della loro composizione chimica e del loro uso, dei trattamenti tecnici specifici, delle diverse e varie problematiche chimico-cosmetologiche e di tutto ciò che risulta indispensabile per chi si accosta alle professioni di acconciatore ed estetista. La terza parte tratta, in modo sintetico ma esauriente, i principali fenomeni fisici, così da consentire al testo di risultare completo per l area scientifica specifica per l Istruzione e la Formazione Professionale del settore estetico e in conformità con gli attuali obiettivi didattici. Infine, a completamento della proposta didattica, e in base alla normativa sulla forma mista dei libri prevista dal Ministero, è disponibile in estensione web ulteriore materiale didattico che permette di approfondire determinati argomenti, ad integrazione del percorso di studio: pertanto, questo volume in forma mista costituisce un vero e proprio innovativo web book, qualificato a promuovere l interazione con le nuove tecnologie di supporto didattico all apprendimento. Il volume così strutturato costituisce un fondamentale strumento didattico ed operativo per i corsi didattici relativi alla cura della persona, in conformità con la sempre maggiore importanza rivestita dalla cosmetologia nel settore estetico. l Editrice San Marco

6 4 indice l la chimica e la cosmetologia INDICE PRIMA PARTE NOZIONI DI CHIMICA 7 1 Cos è la chimica 8 1. Introduzione 8 2. La materia e gli stati di aggregazione 9 3. Gli elementi, gli atomi e le molecole La tavola periodica degli elementi Gli acidi e le basi Le soluzioni tampone I sali 34 La chimica inorganica I composti inorganici Gli ossidi Le anidridi Le basi (alcali) o idrossidi Gli acidi I sali I gruppi della tavola periodica degli elementi 5. La regola dell ottetto L elettronegatività I tipi di legame Gli anioni e i cationi Gli ioni e l energia di ionizzazione I metalli e i non metalli Gli elementi di transizione I gas nobili 17 Gli stati della materia: gassoso, liquido e solido Lo stato gassoso Le principali leggi che regolano i gas 18 Legge di Boyle o delle isoterme, 18 Legge di Avogadro, 19 Legge di Gay-Lussac o delle isocore, 19 Legge di Charles o delle isobare, 19 Equazione di stato dei gas, Lo stato liquido Lo stato solido I passaggi di stato Il passaggio di stato solido - liquido Il passaggio di stato liquido - gas Il passaggio di stato solido - gas 22 Le reazioni chimiche Reagenti e prodotti Come avviene una reazione chimica Reazioni irreversibili e reversibili Le reazioni di ossido-riduzione L elettrolisi L elettrolisi dell acqua L acqua Le caratteristiche dell acqua La durezza dell acqua L acqua distillata L acqua ossigenata 40 Calcolo della diluizione, L acqua potabile Le acque minerali 42 Le acque minerali termali, 42 La chimica organica I composti organici Il carbonio e i suoi legami Gli idrocarburi e le sue tipologie Gli alcani Gli alcheni Gli alchini I cicloalcani e i cicloalcheni Gli idrocarburi aromatici I gruppi funzionali I composti alogenati Gli alcoli I fenoli Gli eteri Le ammine I gruppi carbonilici Le aldeidi e i chetoni Gli acidi carbossilici 49 Esercizi Le miscele Miscele eterogenee e miscele omogenee Le miscele eterogenee 27 Le sospensioni, 27 Le emulsioni, 27 Le schiume, 27 Le nebbie, 28 I fumi, Le miscele omogenee 28 Le soluzioni vere, 28 I colloidi, L osmosi e la pressione osmotica 30 Soluzioni elettrolitiche, acidi e basi Le soluzioni elettrolitiche La dissociazione dell acqua Il ph 32 SECONDA PARTE La cosmetologia 55 9 Le norme legislative Il regolamento CE n. 1223/ La definizione legislativa di cosmetico La produzione dei cosmetici La sicurezza dei prodotti cosmetici 57 Allegati, 58 Inventario, 58 Dossier, L etichettatura Le sostanze potenzialmente allergizzanti in etichetta La vigilanza sui cosmetici e la loro distribuzione 63

7 la chimica e la cosmetologia l indice I cosmetici: funzioni e caratteristiche Le funzioni Le caratteristiche Disturbi e inconvenienti 65 I test sui cosmetici I costituenti e le materie prime cosmetiche I costituenti Le sostanze funzionali o principi attivi Le azioni cosmetiche delle sostanze funzionali La fitocosmesi I principi attivi di origine vegetale Le proprietà specifiche dei fitocosmetici Gli oli essenziali I metodi di preparazione Le funzioni degli oli essenziali Le sostanze funzionali di origine biologica Il collagene Idrolizzati proteici L elastina L acido jaluronico Le biostimoline e le fitostimoline Il Natural Moisturizing Factor (NMF) La fillagrina Le ceramidi e i cerebrosidi Le vitamine La vitamina A (retinolo) La vitamina E (tocoferolo) La vitamina F La vitamina C (acido ascorbico) Il complesso vitaminico B La vitamina H (biotina) La vitamina P (bioflavonoidi) Le materie prime cosmetiche Gli eccipienti Le sostanze grasse I liposomi I tensioattivi Gli additivi Gli antiossidanti e i sequestranti I conservanti Gli umettanti Gli addensanti e i gelificanti Gli acidificanti I coloranti 87 Le forme cosmetiche Le soluzioni Le soluzioni colloidali Le sospensioni Le emulsioni I prodotti pressurizzati (spray) Le funzioni della pelle Penetrazione e assorbimento cutaneo 94 I trattamenti specifici per la pelle L acqua e la pelle L acqua libera e l acqua legata L acqua e i raggi UV La disidratazione La pelle secca La pelle grassa La seborrea L acne Le smagliature La cellulite I trattamenti antirossore I trattamenti anti-età Il trattamento del contorno occhi 102 I prodotti detergenti La pulizia e la detersione I saponi I syndet I bagnoschiuma I latti detergenti I prodotti struccanti I detergenti per affinità I tonici 106 I trattamenti normalizzanti Le maschere I gommage o peeling Gommage meccanici con esfolianti Gommage meccanici senza esfolianti Gommage chimici ad azione superficiale 109 L azione degli idrossi acidi, 109 Invecchiamento cutaneo e prevenzione delle rughe, 110 Macchie della pelle (ipercromie e melasma), 110 Pelle grassa e acneica, Gommage chimici ad azione profonda Gommage enzimatici Sicurezza e complicanze dei peeling 111 I protettivi solari Il ruolo dei raggi ultravioletti La pelle e il sole La melanina I fototipi Le patologie da esposizione solare I prodotti schermanti programmati Gli schermi e i filtri solari I prodotti doposole Gli autoabbronzanti La pelle e i sistemi di penetrazione cutanea La struttura della pelle Gli annessi cutanei e l apparato tegumentario 92 Le lampade UV 7.1. Il DHA L eritrulosio La corretta applicazione degli autoabbronzanti 118

8 6 indice l la chimica e la cosmetologia I fattori di protezione Il fattore di protezione FP La Raccomandazione n. 23/2009 sui protettivi solari Le indicazioni di efficacia dei prodotti solari 121 I cosmetici da trucco Introduzione I trucchi per il viso I trucchi per gli occhi I trucchi per le labbra I trucchi per le unghie 124 I profumi L odore umano L odore corporeo Il sudore Come si evita il cattivo odore Gli antitraspiranti Gli antienzimatici e gli antiossidanti 126 I capelli La struttura dei capelli Il film lipidico di superficie I trattamenti specifici La forfora I capelli grassi e la seborrea I capelli secchi L alopecia 131 Lo shampoo e il colore Introduzione I balsami La chimica del colore 133 Coloranti a pigmentazione pronta, 133 Coloranti a ossidazione, Preparazione delle tinture a ossidazione Il processo chimico della colorazione La decolorazione dei capelli La chimica della permanente 137 La sterilizzazione e la disinfezione Introduzione La sterilizzazione Gli antisettici e i disinfettanti Gli antifungini o antimicotici 142 Esercizi 143 TERZA PARTE La fisica Le grandezze fisiche e la cinematica Le grandezze fisiche Grandezze scalari e grandezze vettoriali Introduzione alla cinematica Il moto rettilineo uniforme Il moto vario Il moto uniformemente accelerato L accelerazione di gravità (g) e il moto naturalmente accelerato Il moto circolare uniforme 158 La dinamica Introduzione alla dinamica I principi della dinamica Le forze della natura La legge di gravitazione universale Il lavoro, l energia e la potenza di una forza Il lavoro L energia 162 L energia potenziale, 162 L energia cinetica, La potenza 164 L elettricità e il magnetismo Introduzione all elettrologia Conduttori e isolanti La carica elettrica La legge di Coulomb Il campo elettrico La corrente elettrica 168 Corrente continua, 169 Corrente alternata, 169 Corrente pulsante, La legge di Ohm e l effetto Joule L energia elettrica I condensatori L elettrolisi e la migrazione ionica Applicazioni dell elettrolisi Il magnetismo L induzione elettromagnetica 173 Esercizi 174 Questo volume è pubblicato in forma mista (cartacea + estensione on-line), conformemente a quanto disposto dall attuale normativa sulle adozioni dei libri di testo. In estensione web, sono disponibili contributi aggiuntivi. Per accedere a tale materiale didattico, è sufficiente collegarsi al sito web dell editore ( e, nella sezione Risorse on-line, selezionare la categoria Acconciatura ed estetica, quindi il titolo La chimica e la cosmetologia.

9 PRIMA PARTE Nozioni di chimica La chimica è una scienza che studia le sostanze, naturali o artificiali, sia dal punto di vista della loro composizione e struttura, sia da quello delle trasformazioni che portano alla loro formazione. È certamente una delle principali attività umane e da essa dipende oggi, in gran parte, la vita stessa dell uomo sulla Terra. Importanti sono i contributi dati dalla chimica al benessere dell uomo e allo sviluppo della civiltà. A essa dobbiamo la preparazione dei medicinali, delle materie plastiche, dei carburanti e di tanti altri prodotti indispensabili, senza i quali la vita moderna sarebbe addirittura inconcepibile. È anche vero che il progresso della chimica ha anche avuto aspetti negativi, come l inquinamento delle acque e dell aria, le sofisticazioni alimentari, ecc., ma la stessa chimica ha già indicato i mezzi per ovviare a questi inconvenienti. Noi, ad ogni modo, ci interesseremo della chimica come scienza. Unità Didattica 1 COS È LA CHIMICA Unità Didattica 2 GLI STATI DELLA MATERIA: GASSOSO, LIQUIDO E SOLIDO Unità Didattica 3 LE REAZIONI CHIMICHE Unità Didattica 4 LE MISCELE Unità Didattica 5 SOLUZIONI ELETTROLITICHE, ACIDI E BASI Unità Didattica 6 LA CHIMICA INORGANICA Unità Didattica 7 L ACQUA Unità Didattica 8 LA CHIMICA ORGANICA Esercizi On-line I gruppi della Tavola Periodica degli Elementi

10 8 PARTE 1 l nozioni di chimica 1 Cos è la chimica 1. Introduzione Da un punto di vista molto generico, la chimica opera nel campo della materia, ovvero di tutto ciò che esiste nell Universo, che occupa uno spazio e che è percepibile ai nostri sensi. gla materia è Fig. 1 Materia distinta in sostanze pure e miscugli. Massa: quantità di materia che costituisce un corpo. sostanza pura miscugli (formata da) (con composizione) un solo elemento più elementi omogenea eterogenea ELEMENTO COMPOSTO SOLUZIONI SOSPENSIONI La chimica studia l intima struttura della materia e le trasformazioni che in essa si possono verificare. Per far ciò bisogna capire che la materia si presenta differenziata in moltissime sostanze, termine che sta a indicare una data qualità di materia, caratterizzata da ben definite proprietà, la cui composizione è ben determinata ed eguale in qualsiasi punto della massa. Sono sostanze l acqua, il ferro, lo zucchero, il gesso, ecc. Le sostanze appaiono come qualcosa di estremamente dinamico, sono soggette a moltissime trasformazioni e sede di svariati fenomeni. Per fenomeno si intende qualsiasi modificazione delle proprietà della materia. Esempi a noi noti di fenomeni semplici sono la combustione della carta, la soluzione dello zucchero nell acqua, l ebollizione dell acqua, l arrugginirsi del ferro. Ma anche la fisica si occupa dei fenomeni materiali. Ecco perché i fenomeni materiali si possono dividere in due categorie: I fenomeni fisici, relativi a sostanze che restano inalterate, conservando la loro struttura e composizione e subendo solo modificazioni di alcune proprietà. Ad

11 cos è la chimica l 1 9 esempio nel caso della rottura di un vetro lasciato cadere, la sostanza vetro resta inalterata pur essendo variata la sua forma; I fenomeni chimici, relativi a sostanze che subiscono profonde trasformazioni legate alla loro composizione, tanto che alcune sostanze scompaiono e al loro posto se ne formano delle altre. Ad esempio nel caso della combustione della carta, la carta sparisce lasciando il posto a sostanze diverse come fumi, gas e cenere. Non bisogna dimenticare che mentre i fenomeni fisici sono reversibili, quelli chimici sono irreversibili. La chimica studia quindi le trasformazioni permanenti della materia, in cui determinate sostanze scompaiono dando origine a sostanze nuove. 2. La materia e gli stati di aggregazione La materia (le sostanze) è costituita talvolta da particelle molto piccole e invisibili: ad esempio, se poniamo in un ambiente chiuso una sostanza odorosa, ben presto si avvertirà l odore in ogni punto dell ambiente; ciò significa che le particelle piccolissime e invisibili di quella sostanza si volatilizzano e si diffondono nell aria, fino ad arrivare a contatto col nostro apparato olfattivo. Tuttavia, per quanto piccole possano essere le particelle che la compongono, la materia ha sempre un peso e una massa che occupa un certo spazio e un certo volume. La materia può presentarsi in tre fondamentali stati di aggregazione: I solido, quando ha una forma e un volume definiti; I liquido, quando ha un volume, ma non una forma, in quanto assume quella del recipiente che la contiene; I gassoso, quando non ha né forma né volume, ma tende a occupare tutto lo spazio che ha a disposizione. k Fig. 2 Gli stati della materia.

12 10 PARTE 1 l nozioni di chimica Poiché le sostanze sono costituite da particelle, una trasformazione chimica della sostanza consisterà in una trasformazione chimica delle particelle e quindi in un cambiamento della loro natura. La trasformazione di una sostanza si definisce reazione chimica; un fenomeno chimico è costituito da una singola reazione o da un complesso di reazioni. Occorre anche sapere che esistono sostanze semplici e sostanze composte: le prime si possono ottenere per scomposizione delle seconde, mentre le seconde si possono ottenere per combinazione delle prime. 3. Gli elementi, gli atomi e le molecole s Fig. 3 Struttura di un atomo. Gli elementi, o corpi semplici, sono le entità che costituiscono la materia. Sono 118 e sono rappresentati con dei simboli, quali ad esempio: Na = Sodio C = Carbonio Al = Alluminio K = Potassio I = Iodio O = Ossigeno H = Idrogeno Ciascun elemento è costituito da particelle intere, tutte uguali fra loro, dette atomi. Tutte le sostanze sono perciò costituite da atomi interi e ben distinti, per cui se suddividessimo una sostanza fino al limite arriveremmo a isolare i singoli atomi, ovvero le particelle fondamentali di quella sostanza. Gli atomi sono dunque le particelle più piccole in cui un elemento conserva le sue caratteristiche chimiche. Tuttavia, al contrario di quanto si credeva un tempo, l atomo non è un unità indivisibile, ma è articolato al suo interno in tre unità fondamentali: I il protone (p+), la cui carica elettrica è positiva; I il neutrone (n), che non ha carica elettrica; I l elettrone (e ), la cui carica è negativa. Protoni e neutroni sono posti al centro dell atomo e ne costituiscono il nucleo, intorno al quale ruotano velocissimi, lungo orbite chiamate orbitali, gli elettroni. La dimensione del nucleo, però, è estremamente ridotta rispetto a quella dell atomo intero, definita dall ampiezza dell orbitale più esterno: il nucleo è infatti circa volte più piccolo del raggio dell atomo. Protoni e neutroni hanno massa simile, mentre quella dell elettrone è volte minore. Dunque nel nucleo, carico positivamente per opera dei protoni, è concentrata la maggior parte della massa dell atomo. Quest ultimo, invece, è elettricamente neutro poiché i protoni e gli elettroni di un singolo atomo sono dotati della stessa quantità di carica elettrica, anche se di segno opposto, e il numero di protoni eguaglia quello degli elettroni.

13 cos è la chimica l 1 11 Gli atomi si combinano fra loro, secondo proporzioni fisse definite e costanti, formando sostanze composte o composti: ad esempio l acqua è costituita da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O), pertanto la sua formula è H 2 O; il cloruro di sodio, il normale sale da cucina, è formato da un atomo di cloro (Cl) e da uno di sodio (Na) e la sua formula è quindi NaCl. L insieme di due o più atomi, uguali o diversi, legati fra loro è detto molecola, la quale a sua volta si lega con altre molecole e forma i composti. Un atomo può reagire con un altro atomo solo se i due vengono a contatto; questo contatto avviene tra le superfici esterne degli atomi, cioè tra gli orbitali più grandi. Quindi la capacità di un atomo di reagire con un altro atomo, ossia la capacità di legarsi a esso o di staccarsi da esso, dipende dagli elettroni che si trovano negli orbitali più esterni e, in particolare, dal numero di questi elettroni, chiamati elettroni di legame. Quando due o più atomi si uniscono scambiandosi elettroni, o mettendoli in compartecipazione, si dice che formano un legame chimico. Gli elettroni degli orbitali interni sono invece, per così dire, nascosti e non influenzano molto le proprietà chimiche e fisiche dei vari elementi. 4. La tavola periodica degli elementi Nel 1870 il chimico russo Mendeleev propose un sistema di classificazione degli elementi chimici chiamato Sistema Periodico degli Elementi. Mendeleev, basandosi su caratteristiche comuni di alcuni tipi di atomi, ordinò tutti gli elementi conosciuti in una tabella, rappresentandoli progressivamente, da sinistra verso destra, secondo l ordine crescente del loro peso atomico e disponendoli in modo che gli elementi collocati nella stessa colonna presentassero proprietà analoghe. Ad esempio, gli elementi della prima colonna hanno tutti un uguale numero di elettroni di legame. Tale tipo di classificazione, tuttora in uso, permette di trovare immediatamente un atomo e di conoscere le sue caratteristiche. In ogni casella del Sistema Periodico troviamo il simbolo chimico di un elemento. Al di sopra del simbolo chimico troviamo il numero atomico Z, cioè il numero che indica quanti protoni vi sono nel nucleo (e quanti elettroni negli orbitali) di ogni atomo di quell elemento. Talvolta in alto a sinistra del simbolo chimico si indica anche il numero di massa A dell elemento, che indica la somma del numero di protoni e dei neutroni. Sopra il simbolo

14 12 PARTE 1 l nozioni di chimica s Fig. 4 Il Sistema Periodico degli Elementi. 01 I gruppi della tavola periodica degli elementi dell elemento, a destra, si trova invece l indicazione del peso atomico relativo, o numero di massa M, il quale esprime il rapporto tra la massa atomica dell elemento stesso e il peso atomico assoluto di 1/12 dell atomo 12 C, elemento scelto come riferimento. Verticalmente si osservano delle colonne nelle quali si trovano atomi con comportamento elettronico esterno simile, sebbene abbiano differente numero totale di elettroni. Le righe orizzontali sono chiamate periodi e sono 7, mentre atomi appartenenti alla stessa colonna formano un gruppo. Vi sono 8 gruppi: I elementi del I, II, III gruppo: metalli; I elementi compresi tra il II e il III gruppo: elementi di transizione; I elementi del IV gruppo: anfoteri; I elementi del V, VI, VII gruppo: non metalli; I elementi dell VIII gruppo: gas nobili. I semimetalli, come ad esempio germanio (Ge) e silicio (Si), hanno proprietà intermedie tra le due categorie dei metalli e dei non metalli. I II GRUPPO: III IV V VI VII VIII ns (n-1) ORBITALI np s 1 s 2 CONFIGURAZIONE ELETTRONICA ESTERNA: s 2 p 1 s 2 p 2 s 2 p 3 s 2 p 4 s 2 p 5 s 2 p 6 metalli semimetalli non metalli

15 cos è la chimica l La regola dell ottetto Gli elementi meno reattivi sono quelli appartenenti all VIII gruppo, i cosiddetti gas nobili o gas inerti, perché dotati di un alta stabilità e di una bassa energia: esaminando la loro struttura elettronica si è visto che essi hanno tutti gli 8 elettroni sugli orbitali esterni; in questo caso si dice che gli atomi hanno l ottetto. Tutti gli elementi tendono ad avere la minima energia possibile e solo quando l hanno raggiunta si possono definire stabili. Dato che la presenza dell ottetto conferisce una bassa energia e perciò un alta stabilità, gli atomi, spinti da questa ricerca di stabilità, tendono a combinarsi con altri atomi secondo la regola dell ottetto, che recita: Lo strato esterno di ogni atomo tende a raggiungere una configurazione di elettroni stabile. Tale configurazione è costituita da 2 elettroni per l elio, 1 per l idrogeno e da 8 per gli altri atomi. 6. L elettronegatività L elettronegatività è la tendenza che ha ciascun atomo di attirare a sé gli elettroni di legame; cresce nel periodo e diminuisce nel gruppo. L elettronegatività di un elemento è uno dei fattori più importanti che regolano le proprietà dei composti chimici. Possiamo notare che: I l ossigeno (O), dopo il fluoro (F), è il più elettronegativo di tutti gli elementi; I gli elementi di transizione hanno tutti un valore di elettronegatività molto simile; I nei primi gruppi, tra gli elementi dello stesso gruppo vi è una piccola differenza di elettronegatività; negli ultimi gruppi, invece, questa differenza è maggiore. 7. I tipi di legame I legami che si possono creare tra i vari atomi sono di quattro tipi. I Legame ionico: si forma tra atomi aventi diversa elettronegatività (atomi a destra e atomi a sinistra della tavola periodica). Avviene perciò tra un metallo e un non metallo. Ad esempio: Na Cl Na + Cl Na : Cl I Legame covalente: si forma tra atomi aventi la stessa elettronegatività. Avviene solo tra non metalli o anfoteri. Gli elettroni sono messi in compartecipazione. Ad esempio: N 2 N + N N : N I Legame metallico: avviene solo tra metalli. Gli elettroni di legame dei vari atomi coinvolti saltano da un atomo all altro, muovendosi liberamente. Tali atomi hanno una forte tendenza a perdere gli elettroni dell orbitale più esterno per raggiungere la configurazione elettronica dei gas nobili.

16 14 PARTE 1 l nozioni di chimica I Legame o ponte a idrogeno: è un legame totalmente diverso dai precedenti in quanto non avviene tra atomi, ma tra molecole: per questo è anche detto legame intramolecolare. 8. Gli anioni e i cationi Come abbiamo visto, tutti gli atomi tendono a presentare la configurazione dell ottetto. Per far ciò alcuni atomi tendono a perdere elettroni e altri ad acquistarli. Tendono a perdere elettroni quelli che sull orbitale esterno ne hanno meno di 4 (metalli). Tendono ad acquistare elettroni, invece, quelli che ne hanno più di 4 (non metalli). g Fig. 5 Effetti sul volume della trasformazione di un atomo in uno ione. Se un atomo perde gli elettroni più esterni per raggiungere l ottetto, il volume dell atomo diminuisce. Il sodio (Na) ha 1 elettrone sull orbitale esterno, quindi, per raggiungere l ottetto sull orbitale sottostante, cerca di perderlo. Alla stessa maniera un atomo che ha 2 elettroni esterni tenderà a cederli. Ogni atomo è neutro perché contiene lo stesso numero di protoni (positivi) ed elettroni (negativi). Se un atomo perde un elettrone, la carica positiva di un protone non è più neutralizzata e l atomo acquista una carica positiva. Se un atomo perde 2 elettroni assumerà 2 cariche positive e così via. Un atomo con una o più cariche positive si chiama catione, o ione positivo. Ad esempio: Na e + Na + Ba 2 e + Ba 2+ Al 3 e + Al 3+ Un elemento come il cloro (Cl), che ha 7 elettroni esterni, per raggiungere l ottetto cercherà di prendere un elettrone. Per ogni elettrone acquistato, l atomo acquista anche la carica negativa dell elettrone e non sarà più neutro. Un atomo dotato di carica elettrica negativa si chiama anione, o ione negativo. Ad esempio: Cl + e Cl S 2 + 2e S

17 cos è la chimica l Gli ioni e l energia di ionizzazione La tendenza di tutti gli atomi a conseguire lo stato con minore energia attraverso il raggiungimento dell ottetto si evidenzia con la formazione di ioni o la formazione di legami chimici. La trasformazione di un atomo in uno ione comporta tre tipi di conseguenze: I l atomo raggiunge l ottetto: diventa più stabile e poco reattivo; I l atomo varia il suo volume; I l atomo si trasforma in una specie chimica dotata di cariche positive (catione) o negative (anione): A) formazione catione Li 1e Li + B) formazione anione F + 1e F La forza di attrazione elettrostatica tra due cariche elettriche di segno opposto diminuisce al crescere della distanza tra le due cariche: perciò aumentando il volume atomico, diminuisce la forza di attrazione tra il nucleo e gli elettroni esterni. Diminuisce anche l energia che bisogna spendere per sottrarre l elettrone più esterno. Tale energia si chiama energia di ionizzazione. L energia di ionizzazione diminuisce nel gruppo e aumenta nel periodo. I metalli sono elementi con bassa energia di ionizzazione e sono buoni conduttori di calore e di elettricità. I non metalli sono elementi con alta energia di ionizzazione e non sono buoni conduttori di calore e di elettricità. 10. I metalli e i non metalli I metalli sono tutti solidi a esclusione del mercurio (Hg) che è liquido. Hanno una lucentezza caratteristica, sono duttili e malleabili, buoni conduttori elettrici e termici. Sono scarsamente elettronegativi, legano debolmente gli elettroni più esterni, che risultano così molto mobili. Hanno sempre meno di 4 elettroni sull orbitale esterno e tendono quindi a perderli. Conduttore: materiale attraverso il quale il calore o l elettricità scorre facilmente. s Fig. 6 Atomo di un metallo. s Fig. 7 Atomo di un non metallo. e - e - e - orbitale esterno orbitale esterno e - e - e - e - e - e -

18 16 PARTE 1 l nozioni di chimica Isolante: materiale che si oppone al passaggio di calore, dell elettricità, dei suoni, dell acqua, ecc. Valenza: numero di legami che ogni atomo può stabilire, direttamente correlato al numero di elettroni di legame di ogni atomo. I non metalli sono tutti gassosi, a esclusione del bismuto (Bi) liquido e dello zolfo (S) solido. Non conducono elettricità e calore e sono perciò isolanti; sono fortemente elettronegativi. Hanno sempre più di 4 elettroni sull orbitale esterno, legati molto fortemente. 11. Gli elementi di transizione Gli elementi di transizione, per la loro bassa elettronegatività, sono considerati dei metalli. Allo stato elementare, gli atomi di questi elementi sono uniti da un legame metallico: se è molto forte, gli elementi fondono ad alte temperature, se è debole, fondono a basse temperature (ad esempio, il mercurio liquido fonde a temperatura ambiente). Sono ottimi conduttori di calore e di elettricità; come i metalli sono duttili e malleabili. Hanno 2 elettroni sull orbitale più esterno, come i metalli del II gruppo. Si differenziano da questi in quanto varia il numero degli elettroni sul penultimo orbitale. I Titanio (Ti): è un metallo duro, usato nella preparazione di leghe speciali con elevate proprietà meccaniche. Ha 4 elettroni di valenza. I Cromo (Cr): come elemento puro è un metallo bianco duro, utilizzato nella preparazione di acciai inossidabili. Ha 6 elettroni di valenza. I Manganese (Mn): è un metallo più duro del ferro. È utilizzato come additivo nella preparazione degli acciai per conferire elevata durezza. Possiede 7 elettroni di valenza. I Ferro (Fe): è, dopo l alluminio, il metallo più abbondante in natura. Ha eccellenti proprietà meccaniche e perciò enorme importanza industriale. L elemento puro non ha importanza pratica, mentre sono importantissime le sue miscele (leghe) con altri elementi. Miscele di Fe e C (2,5-4,5%) e altri elementi (Si) sono dette ghise. Leghe di Fe e C (< 1,7%) costituiscono gli acciai. Ha 8 elettroni di valenza. I Cobalto (Co): è più resistente agli agenti atmosferici del Fe. Come il Fe, il Co è coinvolto in importanti processi biologici (vitamina B 12 ). I Nichel (Ni): è utilizzato per la preparazione di acciai resistenti alla corrosione. I Rame (Cu): è un ottimo conduttore di calore ed elettricità e per questo viene usato per fabbricare cavi elettrici. Diversi suoi composti e derivati trovano uso come battericidi e fungicidi. Ha 11 elettroni di valenza. Titanio Cromo Manganese Nichel

19 cos è la chimica l 1 17 Ferro Cobalto Zinco Rame Argento Oro I Argento (Ag): è un metallo bianco, tenero e lucente. Per le sue grandi proprietà riflettenti è usato per realizzare le superfici degli specchi di grande precisione dei telescopi. È un ottimo conduttore di corrente elettrica, ma poco usato nel settore per l alto costo. Ha 11 elettroni di valenza. I Oro (Au): è un metallo giallo, molto tenero, duttile e malleabile. La percentuale d oro nelle leghe viene espressa in carati: l oro puro è a 24 carati (24 parti su 24); in gioielleria si usa a 18 carati (18 parti di oro e 6 di rame). Ha 25 elettroni di valenza. I Zinco (Zn): è un metallo piuttosto fragile, ma malleabile. Viene usato come antiossidante nella preparazione di fili e lamine di ferro zincato e nella preparazione di leghe (ottone). Ha 12 elettroni di valenza. 12. I gas nobili Tutti gli elementi dell VIII gruppo sono gas straordinariamente poco reattivi: per questa loro caratteristica mancanza di reattività sono chiamati gas nobili o gas inerti. Come abbiamo visto, essendo elementi poco reattivi, hanno un alta stabilità e una bassa energia: hanno infatti l orbitale più esterno completo, ossia con 8 elettroni. I gas nobili sono tutti elementi gassosi e poco diffusi, per questo sono anche detti gas rari. Sono tutti monoatomici.

20 18 PARTE 1 l nozioni di chimica 2 Gli stati della materia: gassoso, liquido e solido 1. Lo stato gassoso Le sostanze che si presentano allo stato gassoso sono caratterizzate dal fatto di non avere né dimensione né volume proprio e tendono quindi a occupare tutto lo spazio a loro disposizione. Il comportamento delle sostanze gassose viene descritto e interpretato dalla Teoria dei gas, che fa riferimento a un modello di gas ipotetico, detto gas perfetto o ideale, con le seguenti caratteristiche: I è costituito da un numero elevatissimo di particelle molto piccole, identificabili con le molecole; I le particelle che lo costituiscono non sono ferme, ma si muovono continuamente in tutte le direzioni urtandosi tra loro e urtando le pareti del recipiente che li contiene; I le particelle non esercitano fra loro nessuna forza di attrazione Le principali leggi che regolano i gas Il comportamento dei gas è soggetto ad alcune leggi, la cui elaborazione è avvenuta nei secoli passati ad opera di alcuni chimici e fisici, da cui tali leggi prendono il nome. Legge di Boyle o delle isoterme La legge di Boyle stabilisce che, a temperatura costante, il volume V di una determinata massa di gas varia in proporzione inversa alla pressione P. Aumentando la pressione esercitata sul coperchio di un recipiente, il volume occupato da un gas, a temperatura costante, diminuisce. Una diminuzione del volume porterà a un aumento della frequenza degli urti fra le particelle e, quindi, a un aumento della pressione. g Fig. 1 Aumentando la pressione esercitata sul coperchio del recipiente, il volume occupato da un gas a temperatura costante diminuisce. 0 C 0 C 0 C