Chimica. La Chimica è la scienza che cerca di comprendere il comportamento della materia studiando il comportamento di atomi e molecole

Transcript

1 Chimica La Chimica è la scienza che descrive la materia, le sue proprietà e le trasformazioni che essa subisce, insieme alle variazioni energetiche che accompagnano questi processi La Chimica è la scienza che cerca di comprendere il comportamento della materia studiando il comportamento di atomi e molecole 1

2 La chimica: una scienza a tre livelli Macroscopico Microscopico Simbolico 2

3 In che modo le sostanze si combinano per formare altre sostanze? Quanta energia c è in gioco nelle trasformazioni che osserviamo? Come è costituita la struttura intima della materia? In che modo gli atomi e le loro combinazioni si correlano a quelle proprietà misurabili della materia come il colore, la durezza, la reattività chimica e la conducibilità elettrica? Quali fattori fondamentali influenzano la stabilità di una sostanza? Come possiamo far avvenire una certa trasformazione energeticamente sfavorita? Quali fattori controllano la velocità associata ad una trasformazione chimica? 3

4 4

5 Le branche della chimica Chimica Inorganica Chimica Organica Chimica Fisica Chimica Analitica Biochimica Scienza dei Materiali Etc. 5

6 6

7 7

8 Metodi diversi di calcolo basati sulla velocità di espansione dell universo e sul decadimento dei nuclidi a vita lunghissima hanno portato a stimare un età dell universo intorno a 15 miliardi di anni a partire dal Big Bang. Per confronto, si consideri che la Terra ha circa 4.5 miliardi di anni, che la vita è comparsa sulla Terra circa 3.8 miliardi di anni fa, i primi organismi multicellulari 500 milioni di anni fa, i primati 70 milioni di anni fa e L homo sapiens meno di anni fa. Nulla sappiamo sull evento iniziale del Big Bang (t=0) né ha senso chiederci che cosa ci fosse prima: il tempo è nato col Big Bang e le leggi della fisica, compresa la legge della relatività generale di Einstein, 8 cessano di avere validità all inizio e alla fine del tempo

9 Solar System Earth s upper continental crust 9

10 10

11 Elementi chimici e vita degli organismi 11

12 La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio L energia è definita come la capacità di compiere lavoro o di trasferire calore Nell universo la somma delle quantità di energia e materia è costante: E = mc 2 In chimica, la sostanza è una forma pura e unica di materia 12

13 Le sostanze La materia è costituita da sostanze Quando esse sono formate da atomi di una sola specie atomica si chiamano sostanze elementari Quando esse sono formate da atomi di specie diverse si chiamano sostanze composte o composti Le proprietà delle sostanze vengono definite chimiche o fisiche a seconda che sia coinvolta o meno la formazione di nuove sostanze. 13

14 Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l identità della sostanza in esame

15 Una proprietà chimica si riferisce all attitudine di una sostanza a mutarsi in un altra 15

16 16

17 Le proprietà della materia possono essere ulteriormente classificate a seconda che esse dipendano o meno dalla quantità di sostanza presente Proprietà estensive (volume, massa, etc.) Proprietà intensive (temperatura, colore, etc.) 17

18 La materia si presenta in diversi stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso) a seconda della temperatura e della pressione.

19 Gli stati della materia Il Solido possiede forma e volume ben definiti Il Liquido possiede un volume definito e forma del contenitore Il Gas possiede forma e volume del contenitore

20 STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA: Solido Liquido Gas Ordine Disordine

21 Stato della Materia Gassoso Posizione delle Molecole Non interagenti Separate da grandi distanze Interazioni fra molecole Collisioni tra molecole Liquido Fortemente interagenti ma disordinatamente disposte Forze attrattive Solido Ordinate a formare un reticolo Grandi forze attrattive Quali sono le tipiche densità nei tre stati di aggregazione? Gas 10-3 g/cm 3 Liquidi-Solidi (Fasi condensate) 1-10 g/cm 3

22 La materia è costituita da atomi che si differenziano per le loro proprietà. Atomi con le stesse proprietà costituiscono gli elementi Ogni elemento ha un suo nome e simbolo, costituito da una o due lettere che normalmente corrispondono a quelle iniziali del relativo nome latino (Es N da nitrogenium, Au da aurum, Na natrium) 22

23 Principio di Lavoisier, Legge di conservazione della massa (1797) In una trasformazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale a quella dei prodotti ovvero Nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma 23

24 Legge delle proporzioni definite (Proust) In qualunque composto il rapporto fra le quantità in peso degli elementi costitutivi è definito e costante. Legge delle proporzioni multiple (Dalton) Quando due elementi possono combinarsi insieme in rapporti ponderali diversi per dare diversi composti, le quantità di uno di essi che nei vari casi si combinano con la medesima quantità dell altro stanno fra di loro in rapporti espressi da numeri interi 24

25 Ad esempio, 7 g di azoto (N) si combinano con l'ossigeno (O) nei seguenti modi: con 4 g di ossigeno formando 11 g di monossido di diazoto con 8 g formando 15 g di monossido di azoto con 12 g formando 19 g di triossido di diazoto con 16 g formando 23 g di biossido di azoto con 20 g formando 27 g di pentossido di diazoto. Tale esempio esprime come i grammi di ossigeno necessari a reagire con 7 g di azoto per formare composti diversi siano un multiplo di 4. 25

26 Avvalendosi delle teorie chimiche del tempo Dalton nel 1803 formulò la sua teoria atomica : materia formata da atomi, inalterabili ed indivisibili; in una stessa sostanza (elemento) gli atomi sono tutti uguali; gli atomi di diversi elementi differiscono per massa e per altre particolarità; le trasformazioni chimiche avvengono per unione o separazione di atomi tra di loro. 26

27 Tre sono le leggi fondamentali che regolano l andamento delle reazioni chimiche: 1. Legge della conservazione della materia o della costanza della massa: durante una reazione chimica la quantità di materia è invariabile, deve accadere: m 1 = m 2 A + B AB m 1 m 2 2. Legge dell invariabilità delle sostanze elementari: non si può trasformare un elemento in un altro: chimica)!!!! A ( elemento) B ( elemento) A B non avverrà mai (in una reazione 27

28 3. Legge delle proporzioni definite: ogni composto ha una composizione costante, cioè contiene sempre gli stessi elementi secondo rapporti definiti e costanti, caratteristici del composto: 1) H 2 O acqua 2) H 2 O 2 perossido d idrogeno 3) N 2 O ossido di diazoto o protossido di azoto 4) NO ossido di azoto 5) N 2 O 3 triossido di diazoto o anidride nitrosa 6) NO 2 [N 2 O 4 ] biossido di azoto 7) N 2 O 5 pentossido di diazoto o anidride nitrica I composti 1-7 sono sempre formati dagli stessi elementi: idrogeno ed ossigeno (1-2), azoto ed ossigeno (3-7), ma ogni composto individua una sostanza con caratteristiche chimiche e fisiche differenti. 28