SESTA EDIZIONE Chimica

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1 SESTA EDIZIONE Chimica Principi e reazioni

2 Dello stesso Editore: ABBOTTO/PAGANI Chimica eterociclica ABELES Biochimica ALESCIO Biologia dinamica AMEND/MUNDY/ARMOLD Chimica generale, organica e biologica ARANEO Chimica ARIENTI Le basi molecolari della nutrizione ARIENTI Un compendio di Biochimica per le lauree triennali BATSCHELET Matematica per biologi BAUER et al. Analisi strumentale BERCHIESI/SANTINI L acustica molecolare in chimica BERGMEYER Principi di analisi enzimatica BOLOGNANI Bioenergetica BOLOGNANI/VOLPI Tavole metaboliche BROWN Genetica molecolare BRUNI Farmacognosia generale BUCHNER et al. Chimica inorganica industriale CABRAS/MARTELLI Chimica e tecnologia degli alimenti CABRAS/MARTELLI Analisi chimica degli alimenti CALDERA/BURTI Manuale di chimica e biochimica clinica CASTINO/ROLETTO Statistica applicata CHARLOT Analisi chimica qualitativa CHRISTIAN Chimica analitica CLIFFORD La chimica inorganica dell analisi qualitativa COLTON Statistica in medicina COOPER Biologia molecolare e cellulare CROMER Fisica per medicina e per corsi ad indirizzo biologico D ISCHIA La chimica inorganica in laboratorio DEWICK Chimica, biosintesi e bioattività delle sostanze naturali DUFF Principi di geofisica DURANTI/PAGANI Enzimologia EVANGELISTI/RESTANI Prodotti dietetici FABBRI La trasformazione chimica FESSENDEN/FESSENDEN Chimica organica FOYE - Chimica farmaceutica FREISER/FERNANDO Gli equilibri ionici nella chimica analitica FREUND/WILSON Metodi statistici FURLANUT Farmacologia generale e clinica per le lauree triennali GALZIGNA Introduzione alla biochimica clinica e patologica GALZIGNA Principi di enzimologia GARRETT Principi di biochimica GREENWOOD/EARNSHAW Chimica degli elementi HEIMLER/BANDINELLI Chimica inorganica HOGNESS Analisi qualitativa HUHEEY Chimica inorganica: principi, strutture, reattività JOHNSTONE/WEBB Energia caos e reazioni chimiche KEISLER Elementi di analisi matematica KOLTHOFF Analisi chimica quantitativa LEE Compendio di chimica inorganica MAFFEI Biochimica vegetale MANAHAN Chimica ambientale MANGIAROTTI Biologia molecolare MARZONA Chimica delle fermentazioni MAUGINI Botanica farmaceutica McMURRY Chimica organica MICHELIN LAUSAROT/VAGLIO Stechiometria per la Chimica Generale MOORE Chimica fisica MORASSI/SPERONI Il laboratorio chimico NORMAN/COXON Chimica organica PEDULLI Metodi fisici in chimica organica PETRUCCI Chimica generale PONTICELLI/USAI Chimica generale e inorganica con elementi di chimica organica (per lauree trieannali) RADAELLI/CALAMAI Chimica del terreno SAMAJA Biochimica per le lauree triennali SANTAGADA/CALIENDO Peptidi e peptidomimetici SAVELLI-BRUNO Analisi chimica farmaceutica SENATORE Biologia cellulare e Botanica farmaceutica SIENKO et al. Esercitazioni di chimica SILIPRANDI/TETTAMANTI Biochimica medica SKOOG/WEST Introduzione alla chimica analitica SLOWINSKI/WOLSEY/MASTERTON Esperimenti di laboratorio di chimica generale e inorganica con analisi qualitativa per il I anno SPANDRIO Principi e tecniche di chimica clinica WEISSERMEL/ARPE Chimica organica industriale WHITTEN Chimica: ZIEGLER Conoscenze attuali in nutrizione

3 SESTA EDIZIONE Chimica Principi e reazioni William L. Masterton University of Connecticut Cecile N. Hurley University of Connecticut Edizione italiana a cura del Prof. Gino Paolucci Università Ca Foscari di Venezia Aggiornamenti della sesta edizione italiana a cura di Valerio Causin Università degli Studi di Padova

4 Titolo originale Chemistry: Principles and Reactions, Sixth Edition by William L. Masterton & Cecile N. Hurley 2009 Brooks/Cole Cengage Learning Tutti i diritti sono riservati È VIETATA PER LEGGE LA RIPRODUZIONE IN FOTOCOPIA ED IN QUALSIASI ALTRA FORMA È vietato riprodurre, archiviare in un sistema di riproduzione o trasmettere sotto qualsiasi forma o con qualsiasi mezzo elettronico, meccanico, per fotocopia, registrazione o altro, qualsiasi parte di questa pubblicazione senza autorizzazione scritta dell Editore. Ogni violazione sarà perseguita secondo le leggi civili e penali. ISBN Stampato in Italia Copyright 2010 by Piccin Nuova Libraria S.p.A., Padova

5 Dedica In memoria di William Lewis Masterton Insegnante senza pari Didatta senza paragoni Amico e mentore Ci manchi

6 Sommario 1 La materia e la sua misura 1 2 Atomi, molecole e ioni 24 3 Relazioni di massa in chimica; stechiometria 50 4 Reazioni in soluzione acquosa 74 5 I gas Struttura elettronica e la tavola periodica Il legame covalente Termochimica Liquidi e solidi Le soluzioni Velocità di reazione Equilibrio chimico dei gas Acidi e basi Equilibri nelle soluzioni acido-base Ioni complessi Equilibri di precipitazione Spontaneità di una reazione Elettrochimica Reazioni nucleari La chimica dei metalli La chimica dei non metalli La chimica organica Polimeri organici, naturali e sintetici 610 Appendice 1: Unità, costanti e dati di riferimento 635 Appendice 2: Proprietà degli elementi 641 Appendice 3: Esponenti e logaritmi 643 Appendice 4: Nomenclatura di ioni complessi 648 Appendice 5: Orbitali molecolari 650 Appendice 6: Riconoscimenti 677 Indice analitico/glossario 681 Risposte ai quesiti e problemi con numeri pari e ai problemi sfida 656 vi

7 Indice generale 1 LA MATERIA E LA SUA MISURA Tipi di materia Misure Proprietà delle sostanze 13 Chimica: Il lato umano: Antoine Lavoisier 14 Chimica fuori dell aula: Titanio: un metallo dell era spaziale 18 Sommario del capitolo 19 Problema riassuntivo 19 Quesiti e problemi 20 Charles D. Winters 2 ATOMI, MOLECOLE E IONI Gli atomi e la teoria atomica I componenti dell atomo 25 Chimica: Il lato umano: John Dalton Introduzione alla tavola periodica 31 Chimica: Il lato umano: La storia della tavola periodica Molecole e ioni Formule dei composti ionici Nomi dei composti 39 Chimica fuori dell aula: L alcol etilico e la legge 43 Sommario del capitolo 44 Problema riassuntivo 44 Quesiti e Problemi 45 vii

8 3 RELAZIONI DI MASSA IN CHIMICA; STECHIOMETRIA Masse atomiche La mole Le relazioni di massa nelle formule chimiche Le relazioni di massa nelle reazioni 60 Chimica fuori dell aula: Gli idrati 66 Sommario del capitolo 67 Problema riassuntivo 67 Quesiti e Problemi 68 4 REAZIONI IN SOLUZIONE ACQUOSA Concentrazione dei soluti; molarità Reazioni di precipitazione Reazioni acido-base 81 Chimica: Il lato umano: Svante August Arrhenius Reazioni di ossidazione-riduzione 86 Chimica fuori dell aula: Cambiamenti di colore reversibili 92 Sommario del capitolo 94 Problema riassuntivo 94 Quesiti e problemi 95 Charles D. Winters 5 I GAS Misurazioni nei gas La legge dei gas ideali Calcoli con la legge dei gas Stechiometria delle reazioni in fase gassosa 111 Chimica: Il lato umano: Amedeo Avogadro Le miscele di gas: pressioni parziali e frazioni molari La teoria cinetica dei gas I gas reali 122 Chimica fuori dell aula: Airbag 124 Sommario del capitolo 125 Problema riassuntivo 126 Quesiti e problemi 126 viii Indice generale

9 6 STRUTTURA ELETTRONICA E LA TAVOLA PERIODICA Luce, energie dei fotoni e spettri atomici L atomo di idrogeno Numeri quantici Orbitali atomici: forma e dimensioni Configurazioni elettroniche negli atomi 143 Chimica: Il lato umano: Glenn Theodore Seaborg Diagrammi orbitalici degli atomi Disposizione elettronica negli ioni monoatomici Andamenti periodici nelle proprietà degli atomi 152 Chimica fuori dell aula: Perchè le aragoste diventano rosse da cotte? 157 Sommario del capitolo 158 Problema riassuntivo 158 Quesiti e problemi IL LEGAME COVALENTE Le strutture di Lewis; la regola dell ottetto 166 Chimica: Il lato umano: Gilbert Newton. Lewis Geometria molecolare Polarità delle molecole Orbitali atomici; ibridizzazione 185 Chimica fuori dell aula: I gas nobili 190 Sommario del capitolo 191 Problema riassuntivo 191 Quesiti e problemi 192 S. Ruven Smith 8 TERMOCHIMICA Principi del flusso di calore Misura del flusso di calore; calorimetria Entalpia Equazioni termochimiche Entalpie di formazione Entalpia di legame 212 Indice generale ix

10 8.7 La prima legge della termodinamica 214 Chimica fuori dell aula: Bilancio energetico nel corpo umano 218 Sommario del capitolo 219 Problema riassuntivo 220 Quesiti e problemi LIQUIDI E SOLIDI Equilibrio liquido-vapore Diagrammi delle fasi Sostanze molecolari; forze intermolecolari Solidi a reticolo covalente, ionici e metallici Strutture cristalline 245 Chimica: Il lato umano: Dorothy Crowfoot Hodgkin 248 Chimica fuori dell aula: Allotropia 250 Sommario del capitolo 252 Problema riassuntivo 252 Quesiti e problemi 253 George Semple 10 LE SOLUZIONI Unità di concentrazione Principi di solubilità Proprietà colligative dei non elettroliti Proprietà colligative degli elettroliti 274 Chimica fuori dell aula: Lo sciroppo d acero 277 Sommario del capitolo 278 Problema riassuntivo 279 Quesiti e problemi VELOCITÀ DI REAZIONE Significato di velocità di reazione Velocità di reazione e concentrazione Concentrazione dei reagenti e tempo Modelli per la velocità di reazione 298 Chimica: Il lato umano: Henry Eyring Velocità di reazione e temperatura Catalisi 305 Charles D. Winters x Indice generale

11 11.7 Meccanismi di reazione 307 Chimica fuori dell aula: La storia dell ozono 310 Sommario del capitolo 312 Problema riassuntivo 312 Quesiti e problemi EQUILIBRIO CHIMICO DEI GAS Il sistema in equilibrio N 2 O 4 NO L espressione della costante di equilibrio Determinazione di K Applicazioni della costante di equilibrio Effetto delle variazioni delle condizioni su un sistema in equilibrio 337 Chimica fuori dell aula: Un applicazione industriale dell equilibrio gassoso 342 Sommario del capitolo 343 Problema riassuntivo 344 Quesiti e problemi ACIDI E BASI Il modello acido-base di Brønsted-Lowry Il prodotto ionico dell acqua ph e poh Acidi deboli e loro costanti di equilibrio Basi deboli e loro costanti di equilibrio Proprietà acido-base delle soluzioni saline 372 Chimica fuori dell aula: Acidi e basi organici 374 Sommario del capitolo 376 Problema riassuntivo 376 Quesiti e problemi EQUILIBRI NELLE SOLUZIONI ACIDO-BASE I tamponi Indicatori acido-base Titolazioni acido-base 394 Indice generale xi

12 Chimica fuori dell aula: Piogge acide 400 Sommario del capitolo 401 Problema riassuntivo 401 Quesiti e problemi IONI COMPLESSI Composizione degli ioni complessi Geometria degli ioni complessi Struttura elettronica degli ioni complessi 416 Chimica: Il lato umano: Alfred Werner Costanti di formazione degli ioni complessi 422 Chimica fuori dell aula: I chelati: naturali e sintetici 424 Sommario del capitolo 425 Problema riassuntivo 426 Quesiti e problemi 426 Charles D. Winters 16 EQUILIBRI DI PRECIPITAZIONE Formazione del precipitato; costante del prodotto di solubilità (K ps ) Solubilizzazione di precipitati 439 Chimica fuori dell aula: Analisi qualitativa 443 Sommario del capitolo 445 Problema riassuntivo 445 Quesiti e problemi SPONTANEITÀ DI UNA REAZIONE Processi spontanei Entropia, S Energia libera, G 458 Chimica: Il lato umano: J. Willard Gibbs Variazione di energia libera standard, G Effetto di temperatura, pressione e concentrazione sulla spontaneità di una reazione 463 Charles D. Winters xii Indice generale

13 17.6 Variazione di energia libera e la costante di equilibrio Additività delle variazioni di energia libera; reazioni accoppiate 468 Chimica fuori dell aula: L elasticità della gomma: un fenomeno entropico 470 Sommario del capitolo 472 Problema riassuntivo 472 Quesiti e problemi ELETTROCHIMICA Celle voltaiche Potenziali standard Relazioni tra E, G e K Effetto della concentrazione sul potenziale Celle elettrolitiche Pile commerciali 499 Chimica: Il lato umano: Michael Faraday 501 Chimica fuori dell aula: Cella a combustibile: la prossima frontiera nella conversione da energia chimica a energia elettrica? 503 Sommario del capitolo 505 Problema riassuntivo 505 Quesiti e problemi REAZIONI NUCLEARI La radioattività 513 Chimica: Il lato umano: I Curie La velocità del decadimento radioattivo Relazioni massa-energia Fissione nucleare Fusione nucleare 526 Chimica fuori dell aula: Effetti biologici delle radiazioni 528 Sommario del capitolo 529 Problema riassuntivo 530 Quesiti e problemi 530 NASA Indice generale xiii

14 20 LA CHIMICA DEI METALLI La metallurgia Le reazioni dei metalli alcalini e alcalino-terrosi La chimica di ossidoriduzione dei metalli di transizione 544 Chimica fuori dell aula: Metalli essenziali nell alimentazione 550 Sommario del capitolo 551 Problema riassuntivo 551 Quesiti e problemi LA CHIMICA DEI NON METALLI Gli elementi e la loro preparazione I composti con idrogeno dei non metalli I composti con ossigeno dei non metalli Ossiacidi e ossianioni 566 Chimica fuori dell aula: Arsenico e selenio 573 Sommario del capitolo 574 Problema riassuntivo 574 Quesiti e problemi LA CHIMICA ORGANICA Gli idrocarburi saturi: alcani Gli idrocarburi insaturi: alcheni e alchini Gli idrocarburi aromatici e loro derivati Gruppi funzionali Isomeria nei composti organici Reazioni organiche 601 Chimica fuori dell aula: Colesterolo 603 Sommario del capitolo 605 Problema riassuntivo 605 Quesiti e problemi 606 Charles D. Winters xiv Indice generale

15 23 POLIMERI ORGANICI, NATURALI E SINTETICI Polimeri sintetici di addizione Polimeri sintetici di condensazione Carboidrati Proteine 621 Chimica fuori dell aula: Identificazione attraverso il DNA 628 Sommario del capitolo 630 Problema riassuntivo 630 Quesiti e problemi 631 Appendici 1 Unità, costanti e dati di riferimento Proprietà degli elementi Esponenti e logaritmi Nomenclatura di ioni complessi Orbitali molecolari Risposte ai quesiti e problemi con numeri pari e ai problemi sfida 656 Riconoscimenti 677 Indice analitico/glossario 681 Indice generale xv

16 Prefazione L a prefazione di un libro di testo è una delle sezioni più difficili da scrivere. In occasione delle ultime cinque edizioni, io e Bill Masterton ci siamo incontrati per un lungo pranzo e per parlare degli argomenti che avremmo voluto introdurre nella prefazione. Il pranzo (sempre cheeseburger e patatine per Bill, a meno che nel menu non ci fossero sgombro e okra fritta) finiva sempre con la stessa frase di Bill: tu intanto scrivi una bozza della prefazione, ed io la aggiusterò. Per questa edizione non c'è stato il pranzo, non c'era nessuno con cui discutere e nessuno ad aggiustare la mia bozza. Allora cercherò io di aggiustare le idee di cui io e Bill abbiamo parlato in una lunga conversazione telefonica. Queste sono le domande cui abbiamo cercato di rispondere. Perché continuare a scrivere un libro breve? La risposta è ovvia, se si pensa ai costi crescenti delle tasse universitarie, allo sfruttamento delle foreste e alle schiene doloranti degli studenti. La vignetta in questa pagina illustra la nostra opinione. Siamo rimasti convinti del fatto che sia possibile coprire completamente (od almeno quasi completamente) gli argomenti di un corso annuale con un solo libro di testo. Gli studenti si domandano giustamente perché debbano pagare per un libro di 1000 pagine con roba che non vedranno mai durante il corso. Non abbiamo ancora trovato una valida risposta, quindi il nostro obiettivo è stato un libro di poco più di 600 pagine. Dato il peso dei libri di testo in continuo aumento, molti studenti stanno cercando un alternativa agli zaini. Come scriveremo questa edizione di questo libro breve? Dopo aver superato la convinzione che un libro breve sia un libro di basso livello, abbiamo rinnovato il nostro impegno a trattare concetti generali in modo conciso, ma senza sacrificare profondità, rigore e chiarezza. I nostri criteri su quale materiale includere continuano ad essere l'importanza e la rilevanza per lo studente, non la difficoltà. Per raggiungere tale scopo, abbiamo adottato un approccio su tre fronti: 1. Eliminare le ripetizioni e le duplicazioni, ove possibile. Come nelle edizioni precedenti questo testo usa: Solo un metodo per bilanciare le reazioni redox, il metodo delle semi-equazioni introdotto nel Capitolo 4. Solo un metodo per lavorare su problemi inerenti la legge dei gas, usando la legge dei gas ideali in tutti i casi (Capitolo 5). Solo un modo di calcolare H (Capitolo 8), usando le entalpie di formazione. Solo una costante di equilibrio per reazioni in fase gas (Capitolo 12), la costante termodinamica K, spesso indicata come K p. Questo semplifica non solo il trattamento degli equilibri in fase gas, ma anche la discussione della spontaneità delle reazioni (Capitolo 17) e l'elettrochimica (Capitolo 18). 2. Relegare alle appendici o agli inserti Chimica fuori dall'aula gli argomenti normalmente affrontati da testi di più di 1000 pagine. Gli argomenti in questa categoria includono: La teoria degli orbitali molecolari (Appendice 5). La nostra esperienza è stata (e continua ad essere) che nonostante questo approccio sia importante per il legame xvi

17 chimico, la gran parte degli studenti di chimica generale non lo capiscono, ma ne memorizzano soltanto i principi discussi in classe. La nomenclatura degli ioni complessi e dei composti organici. Crediamo che questo materiale sia di scarso valore in un corso iniziale. Gli studenti dimenticano presto come si nomina uno ione complesso, perché hanno poche occasioni di applicare queste regole. È sembrato meglio lasciare la nomenclatura organica ad un corso di chimica organica. Analisi qualitativa. È riassunta in un paio di pagine nella sezione Chimica fuori dall'aula del Capitolo 16. Una discussione estesa dello schema di analisi qualitativa e della chimica su cui si basa devono essere oggetto di un manuale di laboratorio, non di un libro di testo di un corso d'aula. Biochimica. Questa materia è tradizionalmente trattata nell'ultimo capitolo dei testi di chimica generale. Mentre abbiamo introdotto molti argomenti biochimici nel testo (tra questi la discussione del gruppo eme nel Capitolo 15 ed i carotenoidi nel Capitolo 6), non troviamo sia il caso di inserire un intero capitolo di biochimica. È un argomento indubbiamente interessante, ma richiede un background di chimica organica che uno studente del primo anno non ha. 3. Evitare divagazioni superflue, applicazioni al mondo reale e aneddoti sugli scienziati durante l'esposizione dei principi. Abbiamo inserito molte applicazioni all'interno dei problemi e in alcuni punti del testo. In generale, però, ci siamo attenuti ad un approccio molto scarno. Gli studenti possono essere distratti da questi interessanti intermezzi, proprio mentre stanno faticando per capire i concetti. Abbiamo inserito le nostre applicazioni al mondo reale preferite e le storie personali degli scienziati in sezioni separate, Chimica fuori dall'aula e Chimica: il lato umano. I nostri studenti dicono che leggono sempre per prime queste sezioni e che sono tra le parti del libro che preferiscono. Apprezzano anche le note a lato del testo. Come si differenzia la sesta edizione rispetto alla quinta? Nonostante i principi della chimica generale non cambino, ci sono sempre molti modi per migliorare un libro, renderlo più facile da usare e più interessante. La nostra speranza era che uno studente, confrontando la sesta edizione con la quinta, concludesse era proprio il caso di fare una revisione. Ora capisco meglio. (Dubitavamo che gli studenti sarebbero stati così benevoli, ma lo speravamo!) I cambiamenti che abbiamo apportato per realizzare questa speranza sono: Aggiornare gli esempi nel testo. Circa il 30% è stato rivisto, per aumentare il rigore degli esempi quantitativi ed approfondire la comprensione concettuale degli argomenti. Molti studenti hanno ammesso (per la proverbiale mancanza di tempo) che invece di risolvere i problemi alla fine del capitolo, facevano gli esempi (perché avevano la soluzione sotto gli occhi). Si lamentavano però che alcuni degli esempi erano troppo semplici per prepararli ai compiti per casa ed agli esami. Aggiungere nuove domande ed esercizi alla fine dei capitoli. Ci sono circa 200 nuove domande o esercizi alla fine dei capitoli, molti di essi concettuali. Continuare il processo di aggiornamento da immagini statiche ad immagini autoesplicanti, in cui i commenti prima inseriti nel testo, sono stati introdotti nell'immagine stessa. Crediamo che un tale approccio sia più adatto per gli studenti di oggi. Aggiornamento ed ammodernamento delle fotografie e dei modelli molecolari. Revisione dello stile dei grafici per renderli più chiari. Invitare altri autori a scrivere degli inserti sulla loro attività di ricerca recente od attuale. Ci sono quattro nuovi contenuti per le sezioni Chimica fuori dall'aula. Prefazione xvii

18 Ringraziamenti M olte delle persone che hanno utilizzato questo libro, sia docenti che studenti, hanno scritto lettere ed per dare dei suggerimenti su come migliorare l opera. Altri hanno semplicemente chiamato per porgere le loro condoglianze in occasione della scomparsa del mio co-autore. Sono grata a tutti loro. Tra i revisori che hanno supportato la preparazione di questa edizione vi sono: Christopher Babb, Berry College Kathleen Brunke, Christopher Newport University Kevin Cantrell, University of Portland S. Michael Condren, Christian Brothers University Becky A. Gee, Long Island University Richard L. Nafshun, Oregon State University Edward J. Neth, University of Connecticut James A. Phillips, University of Wisconsin, Eau Claire David Treichel, Nebraska Wesleyan University Will Wickun, Montana State University, Billings Sono particolarmente grata ai Professori Fatma Selampinar (University of Connecticut) e David Shinn (University of Hawaii, Manoa) per le loro accurate revisioni. La loro precisione ed attenzione ai dettagli è incredibile. I Professori Harry Frank (University of Connecticut), Steven Shaw (Montana State University), Greg Sotzing (University of Connecticut), e Leslie Sperling (Lehigh University) hanno gentilmente acconsentito a scrivere dei brevi saggi sui loro ambiti di ricerca. Ne sono scaturiti dei lavori interessanti e comprensibili anche a studenti del primo anno (non certo un compito facile!). Molte persone hanno lavorato a questo testo in ambito editoriale e di produzione. Hanno raccolto pagine di manoscritto, idee, schemi improvvisati e lunghe liste di desideri, li hanno messi assieme e hanno creato questa edizione. Hanno pungolato, blandito e fissato termini temporali impossibili da onorare, il tutto con incredibile pazienza. Non avrei potuto fare tutto ciò senza di loro. Si tratta di: Lisa Lockwood, chemistry editor; Ashley Summers, assistant editor; Lisa Weber, technology project manager; Teresa Trego, content project manager; Amee Mosely, marketing manager; e Dan Fitzgerald, production editor alla Graphic World Publishing Services. Manca da questa lista Peter McGahey, il mio developmental editor, che si merita un ringraziamento speciale. Ha calmato i miei nervi logorati e mi ha rincuorato con la sua personalità ottimistica e positiva. Il suo umorismo ha fornito anche una dose in più di energia. E mi ha permesso di distrarmi un po chiacchierando di bulbi di tulipano in primavera e di piante perenni in estate. Grazie Peter. Sei stato un oasi di calma quando ne avevo bisogno. Due persone che non appartengono a nessuna squadra richiedono un riconoscimento speciale. A Joseph Hurley, miglior correttore di bozze, grazie per aver impiegato i tuoi weekend per prestarmi un altro paio di occhi. A Jim Hurley, che ha battuto a macchina il manoscritto, letto le bozze con la visione di un non-chimico (è un matematico) ed ha ascoltato le mie infinite lamentele, grazie per aver intrapreso questo viaggio con me. Cecile N. Hurley University of Connecticut Storrs, CT Novembre 2007 xviii Ringraziamenti

19 Per lo studente Hai probabilmente sentito molto parlare del corso di chimica generale. Molti pensano che sia più difficile degli altri corsi. Ci può essere una qualche giustificazione per questa opinione. Oltre ad avere il suo vocabolario specializzato, la chimica è una scienza quantitativa, quindi richiede la matematica come strumento per capire i concetti. Come risultato, probabilmente riceverai molti consigli dai tuoi docenti e dai tuoi colleghi studenti su come studiare chimica. Noi esitiamo ad aggiungere la nostra opinione; l'esperienza di insegnanti e genitori ci ha insegnato che gli studenti se la cavano benissimo da soli. Vorremmo però presentarti alcuni strumenti didattici di questo testo, che descriveremo nelle pagine seguenti. Strumenti didattici in Chimica: principi e reazioni, sesta edizione Esempi In un capitolo tipico, troverai dieci o più esempi, ciascuno predisposto per illustrare un particolare principio, con le risposte evidenziate a colori. La maggior parte degli esempi contiene una strategia da seguire nel procedimento, che descrive il ragionamento che sta dietro la soluzione. In questo modo ti abituerai a risolvere così tutti i problemi. Per prima cosa, rifletti un momento per decidere in che modo si potrebbe risolvere il problema. Poi, e solo poi, utilizza la matematica per risolverlo. Molti degli esempi terminano con una verifica, che ti incoraggia a controllare se la risposta ha un senso. Speriamo che ti abituerai a utilizzare questo procedimento nel risolvere i problemi a casa o agli esami. Esempi graduati All interno del testo ci sono anche circa 20 Esempi graduati. Sono costituiti da due a quattro parti (a, b, c, d) concatenate. Un tipico esempio graduato potrebbe essere il seguente: Esempio 1.4 Graduato Per la reazione Determina A 2B 9: C *(a) Il numero di moli di A che reagiscono con 5.0 mol di B. **(b)il numero di grammi di A che reagiscono con 5.0 g di B. ***(c)il volume di una soluzione 0.50 M di A che reagisce con 5.0 g di B. ****(d)il volume di una soluzione 0.50 M di A che reagisce con 25 ml di una soluzione che ha una densità di 1.2 g/ml e che contiene il 32% in massa di B. Ci sono due vantaggi a lavorare con gli esempi graduati. 1. Risolvendo le parti da (a) a (d) in successione, ti renderai conto di quanti modi diversi ci sono di porre le domande sulle relazioni tra le masse in una reazione, partendo da un equazione bilanciata. Questo ti servirà a dominare lo shock quando ti ritrovi davanti ad una sola domanda del tipo (d) in sede di esame. 2. Le parti di un esempio graduato non sono una semplice progressione da domande semplici a domande più difficili. Il valore di un esempio graduato sta nel fatto che l'ul- xix

20 tima domanda presuppone l'abilità di rispondere a quelle precedenti. Potresti essere in grado di rispondere alle parti (a) e (b) con una limitata comprensione del materiale, ma per rispondere alla parte (d) devi padroneggiare la materia. Usa gli esempi graduati come ripasso per gli esami. Prova a saltare le prime domande in questo caso (a), (b) e (c) e vai direttamente all'ultima parte, (d). Se puoi risolvere (d), non sarà necessario risolvere (a), (b) e (c); sai già come farli. Se non ce la fai, prova con (c) per vedere dove può essere il problema. Se non ce la fai con (c) prova con (b). Come ultima risorsa, comincia con (a) e ricostruisci la soluzione fino a (d). Note a margine Sparse per tutto il libro ci sono numerose note poste a margine. Molte di queste sono del tipo adesso senti questa ; altre sono dei promemoria; altre riportano dei punti che ci siamo scordati di inserire nel testo; (queste sono state segnalate dai tuoi colleghi studenti) alcune ti aggiornano sulle ricerche di chimica in corso attualmente e altre, probabilmente meno di quante noi riteniamo, sono inserite a scopo umoristico. Prova a vedere la nota sul pattinaggio a pagina 239: WLM è ancora convinto che sia terribilmente spiritosa. Chimica: il lato umano In tutto il testo, delle sezioni con questo titolo riportano brevi biografie dei pionieri della chimica. Enfatizzano non soltanto i risultati da loro ottenuti, ma anche le loro personalità. Chimica fuori dall'aula Ogni capitolo contiene una sezione Chimica fuori dall'aula. È un contributo che illustra un esempio o dell'uso della chimica nel mondo che ci circonda o un'area di ricerca attuale. Non interferisce nella spiegazione dei concetti, quindi non ti distrarrà. Però ti promettiamo che questi inserti se li leggerai aumenteranno la tua cultura scientifica. Sommario del capitolo Una revisione è sempre utile, non soltanto per rinfrescarti la memoria, ma anche per organizzare il tuo tempo e gli appunti per prepararti all'esame. Il sommario del capitolo include: I Termini Chiave del capitolo. Se un particolare termine non ti è familiare, fai riferimento all'indice analitico al termine del libro. Troverai il termine nel glossario incluso nell'indice ed anche le pagine del testo nelle quali quel termine appare (se ti servissero ulteriori spiegazioni). I Concetti Chiave e le Equazioni chiave del capitolo. Questi sono elencati con i corrispondenti esempi ed i problemi a fine capitolo. Se hai difficoltà nel risolvere un particolare problema, ti può essere d'aiuto rivedere l'argomento e l'esempio che riguarda quel concetto. Ogni capitolo è riassunto da un Problema riassuntivo organizzato in diversi step che copre tutti o quasi tutti i concetti chiave del capitolo. Puoi valutare la tua comprensione del capitolo lavorando su questo problema. Uno dei principali vantaggi dei problemi riassuntivi è che legano assieme diverse idee, mostrando come si correlano le une alle altre. Un docente di esperienza che insegni chimica generale ed usi questo libro potrà dire alla sua classe: se potete risolvere il problema riassuntivo senza aiuto, allora siete pronti all'esame per quanto riguarda quel capitolo. Quesiti e problemi Al termine di ogni capitolo c'è una serie di quesiti e problemi che il tuo docente ti può assegnare come compiti per casa. Sono anche utili per verificare la profondità della tua conoscenza degli argomenti del capitolo. Queste serie includono: Quesiti che testino la tua conoscenza del vocabolario specializzato che i chimici usano (per esempio scrivere i nomi delle formule, scrivere l'equazione chimica della reazione che viene descritta). xx Per lo studente

21 Problemi quantitativi che richiedono una calcolatrice ed alcune manipolazioni algebriche. Problemi classificati che danno inizio alla serie e sono raggruppati per tipo sotto un particolare titolo che indica l'argomento del capitolo cui si riferiscono. I problemi classificati sono raggruppati a coppie. Il secondo membro di ciascuna coppia illustra lo stesso principio del primo. Questo significa avere più di una opportunità per metterti alla prova. Il secondo problema (di numero pari) è evidenziato dal colore del suo numero e la sua risposta è riportata nell'appendice 6. Se il tuo docente ti assegna i problemi di numero dispari senza soluzione per casa, aspetta finché la soluzione del problema verrà discussa in classe, e intanto risolvi quello corrispondente di numero pari per capire se sai come risolvere un problema di quel tipo. Ogni capitolo contiene inoltre un numero più ridotto di problemi non classificati, che possono richiedere più di un concetto, inclusi, forse, anche alcuni dei capitoli precedenti. I quesiti concettuali verificano la tua comprensione dei principi. Non è necessaria (o almeno non dovrebbe essere necessaria) una calcolatrice per rispondere a queste domande. La sezione dei problemi sfida presenta problemi che richiedono competenze più avanzate e/o impegno e riflessione. La risposta a tutti questi problemi è in appendice 6. Appendici Le appendici alla fine del libro danno non soltanto le risposte ai quesiti e problemi di numero pari, ma contengono dei materiali integrativi che puoi trovare utili. Tra questi ci sono: L'appendice 1, che contiene un richiamo sulle unità del SI, oltre a tabelle di dati termodinamici e di costanti di equilibrio. L'appendice 3, che contiene dei richiami sulla matematica di cui hai bisogno in chimica generale. Particolare enfasi viene posta sulla notazione esponenziale e sui logaritmi (naturali e in base 10). Per lo studente xxi