Indice generale PARTE 1 CONCETTI DI CHIMICA. Prefazione xix. I concetti alla base della chimica 1. Gli atomi, le molecole e gli ioni 50

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1 Indice generale Prefazione xix PARTE 1 CONCETTI DI CHIMICA 1 I concetti alla base della chimica 1 Le bevande per lo sport La chimica e i suoi metodi 3 Ipotesi, leggi e teorie 4 Gli obiettivi della scienza 6 Dilemmi e integrità nella scienza 6 Fatti chimici: Problemi morali nella scienza Classificazione della materia 7 Gli stati di aggregazione della materia e la teoria cinetica molecolare 7 La materia a livello macroscopico e particellare 9 Le sostanze pure 10 Miscele omogenee ed eterogenee Elementi ed atomi Composti e molecole Proprietà fisiche 14 Fatti chimici: I batteri termofili 16 Le proprietà estensive e intensive Le trasformazioni fisiche e chimiche 17 Studio di un caso: Tingersi i capelli ai nostri giorni e nell antichità 18 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 20 EQUAZIONI CHIAVE 20 DOMANDE DI VERIFICA 20 Analizziamo: Gli strumenti della chimica quantitativa 1 Rame 24 1 Le unità di misura 25 Le scale per misurare la temperatura 26 Lunghezza, volume e massa Le misure: precisione, accuratezza, errore sperimentale e deviazione standard 30 L errore sperimentale 30 La deviazione standard 31 3 La matematica e la chimica 32 La notazione esponenziale o scientifica 32 Le cifre significative 35 La risoluzione dei problemi mediante l analisi dimensionale 38 I grafici 39 Studio di un caso: Senza carburante! 41 Risoluzione dei problemi e aritmetica applicata alla chimica 42 DOMANDE DI VERIFICA 43 Gli atomi, le molecole e gli ioni 50 La tavola periodica, l icona centrale della chimica La struttura atomica: i protoni, gli elettroni e i neutroni Il numero atomico e la massa atomica 51 Il numero atomico 51 Il numero atomico e l unità di massa atomica 52 Il numero di massa Gli isotopi 53 L abbondanza isotopica 54 Determinazione della massa atomica e dell abbondanza percentuale Il peso atomico 55 Studio di un caso: Smascherare, con l uso degli isotopi, gli atleti dopati La tavola periodica 58 Lo sviluppo della tavola periodica 58 Fatti chimici: La storia della tavola periodica 59 Un breve sguardo alla tavola periodica e agli elementi chimici Le molecole, i composti e le formule 67 Le formule 68 I modelli molecolari 69 vii

2 2.7 I composti ionici: le formule, la nomenclatura e le proprietà 70 Gli ioni 71 Le formule dei composti ionici 74 I nomi degli ioni 76 I nomi dei composti ioni 77 Le proprietà dei composti ionici I composti molecolari: formule e nomenclatura Gli atomi, le molecole e la mole 82 Fatti storici: Amedeo Avogadro e il suo numero 83 Gli atomi e la massa molare 83 Le molecole, i composti e la massa molare La determinazione delle formule dei composti 88 La composizione percentuale 88 Le formule empiriche e le formule molecolari dalla composizione percentuale 90 La determinazione della formula dai dati di massa 93 Approfondimento: La spettrometria di massa, la massa molare e gli isotopi I composti idrati 96 3 Studio di un caso: Che cosa c è nelle patatine? 96 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 98 EQUAZIONI CHIAVE 100 DOMANDE DI VERIFICA 100 Le reazioni chimiche 112 Fumi neri Introduzione alle equazioni chimiche 113 Fatti storici: Antoine Laurent Lavoisier, ( ) Bilanciamento delle equazioni chimiche Introduzione all equilibrio chimico Reazioni chimiche in soluzione acquosa Ioni e molecole in soluzione acquosa 122 Solubilità dei composti ionici in acqua Reazioni di precipitazione 127 Previsione del risultato di una reazione di precipitazione 127 Equazioni ioniche nette Acidi e basi 131 Acidi e basi: definizione di Arrhenius 132 Acidi e basi: la definizione di Brønsted-Lowry 133 Approfondimento: Lo ione idronio - Lo ione H + in acqua 134 Fatti chimici: Acido solforico 135 Reazioni degli acidi e delle basi 136 Ossidi dei metalli e dei non metalli Reazioni che sviluppano gas Reazioni di ossido-riduzione 141 Reazioni redox e trasferimento di elettroni 142 Numeri di ossidazione 144 Approfondimento: I numeri di ossidazione sono reali? 144 Riconoscimento delle reazioni di ossido-riduzione 146 Studio di un caso: Eliminare i batteri con l argento Classificazione delle reazioni in soluzione acquosa RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 151 DOMANDE DI VERIFICA 152 La stechiometria: informazioni quantitative sulle reazioni chimiche 158 La chimica delle stelline Relazioni tra le masse nelle reazioni chimiche: stechiometria Reazioni nelle quali un reagente è presente in quantità limitata 163 Un calcolo stechiometrico con un reagente limitante Resa percentuale Equazioni chimiche ed analisi chimiche 169 Analisi quantitativa di una miscela 169 Determinazione della formula di un composto dai prodotti della sua combustione Misura delle concentrazioni dei composti in soluzione 174 Concentrazione delle soluzioni: molarità 174 Preparazione di soluzioni a concentrazione nota ph, una scala per la misura della concentrazione degli acidi e delle basi 179 Approfondimento: Diluizioni successive Stechiometria delle reazioni in soluzione acquosa 182 Stechiometria delle soluzioni 182 La titolazione: un metodo di analisi chimica 183 Studio di un caso: Quanto sale è contenuto nell acqua marina? 186 Standardizzazione di un acido o di una base 186 Determinazione della massa molare per titolazione 187 Titolazione con una reazione di ossido-riduzione 188 Studio di un caso: Chimica forense: titolazioni ed adulterazione delle sostanze alimentari Spettrofotometria, un altro metodo di analisi 189 Trasmittanza, assorbanza e la legge di Lambert-Beer 190 Analisi spettrofotometrica 192 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 194 EQUAZIONI CHIAVE 195 DOMANDE DI VERIFICA 195 viii l Indice generale

3 5 I principi della reattività: l energia e le reazioni chimiche 208 La mongolfiera, un pallone ad aria calda Energia: alcuni principi fondamentali 209 Conservazione dell energia 211 Temperatura e calore 211 Sistema e ambiente 212 Direzione ed entità del trasferimento di calore: equilibrio termico 212 Approfondimento: Cos è il calore 213 Le unità di misura dell energia 214 Fatti chimici: Cibo e calorie Capacità termica specifica: riscaldamento e raffreddamento 215 Aspetti quantitativi del trasferimento del calore Energia e cambiamenti di stato 219 Studio di un caso: Il frigorifero di Abba La prima legge della termodinamica 222 Entalpia 225 Approfondimento: Lavoro P-V 225 Funzioni di stato Variazioni di entalpia nelle reazioni chimiche Calorimetria 229 Calorimetria a pressione costante: misura del H 229 Calorimetria a volume costante: misura di U Calcoli di entalpia 233 Legge di Hess 233 Diagrammi dei livelli energetici 234 Entalpie di formazione standard 236 Variazioni di entalpia di una reazione 237 Approfondimento: Legge di Hess ed Equazione Reazioni che favoriscono prodotti o reagenti e i principi della termodinamica 239 Studio di un caso: La controversia dei carburanti: alcol e benzina 240 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 241 EQUAZIONI CHIAVE 241 DOMANDE DI VERIFICA 242 INTERCAPITOLO La chimica dei combustibili e delle risorse energetiche 254 Domanda ed offerta: il bilancio energetico 255 Consumo energetico 255 Risorse energetiche 256 I combustibili fossili 257 Carbone 258 Gas naturale 258 Petrolio 259 Altre fonti di combustibili fossili 259 Impatto ambientale dovuto all uso di combustibili fossili 260 Energia nel futuro: scelte ed alternative 262 Celle a combustibile 262 Economia a idrogeno 263 Energia dalle biomasse 264 Energia solare 265 Che cosa si prospetta in un futuro per l energia? 266 LETTURE SUGGERITE 266 DOMANDE DI VERIFICA 266 PARTE 2 ATOMI E MOLECOLE 6 La struttura degli atomi 268 L aurora boreale La radiazione elettromagnetica Quantizzazione: Planck, Einstein, energia e fotoni 271 L equazione di Planck 271 Einstein e l effetto fotoelettrico 273 Energia e chimica: l uso dell equazione di Planck Gli spettri di emissione a righe degli atomi e Niels Bohr 275 Il modello di Bohr dell atomo di idrogeno 276 La teoria di Bohr e gli spettri degli atomi eccitati 278 Studio di un caso: Che cosa genera i colori nei fuochi d artificio? Dualismo onda-particella: preludio alla meccanica quantistica La visione moderna della struttura elettronica: meccanica ondulatoria o quantistica 283 I numeri quantici e gli orbitali 285 Strati e sottostrati La forma degli orbitali atomici 287 Gli orbitali s 287 Approfondimento: Forma degli orbitali dell atomo di H Funzioni d onda e nodi 289 Gli orbitali p 290 Gli orbitali d 291 Gli orbitali f Una ulteriore proprietà dell elettrone: lo spin elettronico 291 Il numero quantico di spin, m s 291 Studio di un caso: Paramagnetismo e ferromagnetismo 292 Il diamagnetismo ed il paramagnetismo 293 Fatti chimici: Spin quantizzati e MRI 294 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 295 EQUAZIONI CHIAVE 296 DOMANDE DI VERIFICA 297 Indice generale l ix

4 7 La struttura degli atomi e gli andamenti periodici 304 La crocoite, PbCrO 4, un minerale contenente il cromo Il principio di esclusione di Pauli Le energie dei sottostrati dell atomo e l assegnazione degli elettroni 306 Ordine delle energie dei sottostrati e regole per l assegnazione 307 La carica nucleare effettiva, Z* Le configurazioni elettroniche degli atomi 309 Configurazione elettronica degli elementi dei gruppi fondamentali 309 Gli elementi del periodo Configurazione elettronica degli elementi di transizione Le configurazioni elettroniche degli ioni 316 Approfondimento: Domande riguardanti la configurazione elettronica degli elementi di transizione Proprietà atomiche e andamenti periodici 319 La dimensione degli atomi 319 L energia di ionizzazione 321 L affinità elettronica 324 Le dimensioni degli ioni 326 Studio di un caso: I metalli in biochimica e in medicina Andamento periodico e proprietà chimiche 328 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 331 DOMANDE DI VERIFICA 332 INTERCAPITOLO Pietre miliari nello sviluppo della chimica e della moderna visione degli atomi e delle molecole Filosofi greci ed alchimisti medioevali 339 I chimici del XVIII e XIX secolo 340 Struttura atomica - Scoperte importanti dal 1890 in poi 340 Fatti storici: I giganti della scienza del XX secolo 346 La natura del legame chimico 347 LETTURE SUGGERITE 347 DOMANDE DI VERIFICA 347 Il legame e la struttura molecolare 348 Il legame chimico nel DNA Formazione del legame chimico Legame covalente e strutture di Lewis 350 Elettroni di valenza e simboli di Lewis per gli atomi 350 Le strutture elettroniche a punti di Lewis e la regola dell ottetto 352 Disegnare le strutture a punti di Lewis 353 Prevedere le strutture di Lewis Cariche atomiche formali in molecole e ioni covalenti 359 Approfondimento: Carica formale e numero di ossidazione Risonanza Eccezioni alla regola dell ottetto 364 Composti nei quali un atomo ha meno di otto elettroni di valenza 364 Composti nei quali un atomo ha più di otto elettroni di valenza 364 Molecole con un numero dispari di elettroni 366 Studio di un caso: L importanza di una molecola con un numero dispari di elettroni, NO Forma delle molecole 367 Atomi centrali circondati solo da coppie di legame 368 Atomi centrali circondati da coppie di legame e coppie solitarie 370 Legami multipli e geometria molecolare Polarità di legame ed elettronegatività 375 Distribuzione di carica: combinare la carica formale e l elettronegatività 377 Approfondimento: Elettronegatività Polarità molecolare e di legame 380 Approfondimento: Visualizzare la distribuzione di carica e la polarità molecolare Superfici del potenziale elettrostatico e cariche parziali Proprietà del legame: ordine, distanza ed energia di legame 386 Ordine di legame 386 Distanza di legame 387 Entalpia di dissociazione di legame 388 Fatti storici: Il DNA - Watson, Crick e Franklin Ancora sul DNA RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 393 EQUAZIONI CHIAVE 395 DOMANDE DI VERIFICA 395 Legame e struttura molecolare: l ibridazione degli orbitali e gli orbitali molecolari 404 La chimica dei gas nobili Orbitali e teorie del legame Teoria del legame di valenza 406 Il legame come sovrapposizione di orbitali atomici 406 Ibridazione degli orbitali atomici 408 I legami multipli 416 Benzene: un caso speciale di legame p Teoria degli orbitali molecolari 422 I principi della teoria degli orbitali molecolari 422 Approfondimento: Orbitali molecolari nei composti formati dagli elementi del blocco p 429 x l Indice generale

5 10 Le configurazioni elettroniche di molecole biatomiche eteronucleari 429 Studio di un caso: Due legami chimici misteriosi 430 La risonanza e la teoria MO 431 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 433 EQUAZIONI CHIAVE 434 DOMANDE DI VERIFICA 435 Il carbonio: un elemento fuori dal comune 422 Canfora, una molecola aromatica Perché il carbonio? 443 La diversità strutturale 443 Gli isomeri 444 Approfondimento: Scrivere una formula e disegnare una struttura 445 La stabilità dei composti del carbonio 446 Fatti chimici: Elefanti e chiralità Gli idrocarburi 447 Gli alcani 448 Approfondimento: Molecole flessibili 453 Gli alcheni e gli alchini 453 I composti aromatici 458 Approfondimento: La chimica del petrolio Alcoli, eteri e ammine 461 Alcoli ed eteri 462 Le proprietà di alcoli ed eteri 464 Le ammine 466 Fatti storici: Color malva (malvelina) I composti carbonilici 468 Aldeidi e chetoni 469 Gli acidi carbossilici 471 Gli esteri 472 Approfondimento: Il glucosio e gli zuccheri 473 Le ammidi 475 Approfondimento: Grassi ed oli I polimeri 478 La classificazione dei polimeri 478 Studio di un caso: Biodiesel - Il carburante del futuro 479 I polimeri di addizione 480 I polimeri di condensazione 484 Fatti chimici: Superpannolini 487 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 488 DOMANDE DI VERIFICA 488 INTERCAPITOLO La chimica della vita - La biochimica 496 Le proteine 497 Le proteine sono costituite da amminoacidi 498 La struttura delle proteine e l emoglobina 499 L anemia falciforme 500 Gli enzimi, i siti attivi e il lisozima 501 Gli acidi nucleici 503 La struttura degli acidi nucleici 503 La sintesi proteica 504 Il mondo a RNA e l origine della vita 506 I lipidi e le membrane cellulari 507 Fatti chimici: L AIDS e la trascrittasi inversa 507 Il metabolismo 510 L energia e l ATP 510 Le ossido-riduzioni ed il NADH 511 La respirazione e la fotosintesi 511 Conclusioni 512 LETTURE SUGGERITE 512 DOMANDE DI VERIFICA 512 PARTE 3 STATI DELLA MATERIA 11 I gas e loro proprietà 514 Malessere da altitudine e atmosfera La pressione di un gas 516 Approfondimento: Misurare la pressione di un gas Le leggi dei gas: le basi sperimentali 517 La legge di Boyle: la comprimibilità del gas 517 L effetto della temperatura sul volume dei gas: la legge di Charles 519 Combinare la legge di Boyle e la legge di Charles: la legge generale dei gas 521 L ipotesi di Avogadro La legge dei gas ideali 524 La densità dei gas 525 Calcolo della massa molare di un gas dati P, V e T Le leggi dei gas e le reazioni chimiche Miscele di gas e pressioni parziali La teoria cinetica molecolare dei gas 532 Fatti storici: Gli studi sui gas: Robert Boyle e Jacques Charles 533 Velocità molecolare ed energia cinetica 533 Fatti chimici: L atmosfera terrestre 534 Teoria cinetica molecolare e le leggi dei gas Diffusione ed effusione Alcune applicazioni delle leggi dei gas e della teoria cinetica molecolare 540 La separazione degli isotopi 540 Immersione in acque marine profonde 540 Studio di un caso: Cattivi odori 541 Indice generale l xi

6 11.9 Comportamento non ideale: i gas reali RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 544 EQUAZIONI CHIAVE 544 DOMANDE DI VERIFICA 546 Le forze intermolecolari e i liquidi 554 Lo scenario antartico - Iceberg, punguini, neve, ghiaccio e nebbia Stati della materia e forze intermolecolari Forze intermolecolari che coinvolgono molecole polari 557 Le interazioni tra ioni e molecole dotati di un dipolo permanente 557 Interazioni tra molecole dotate di dipoli permanenti 558 Approfondimento: Sali idrati 559 Legami a idrogeno 561 Il legame a idrogeno e le straordinarie proprietà dell acqua 563 Approfondimento: Il legame a idrogeno in biochimica Forze intermolecolari che coinvolgono molecole non polari 565 Forze dipolo/dipolo indotto 565 Forze di dispersione di London: interazioni dipolo indotto/dipolo indotto 566 Approfondimento: Idrato di metano: una risposta ai rifornimenti mondiali di carburante? 567 Riepilogo delle forze intermolecolari Proprietà dei liquidi 570 L evaporazione e la condensazione 570 Pressione di vapore 573 Pressione di vapore, entalpia di evaporazione ed equazione di Clausius-Clapeyron 575 Punto di ebollizione 576 Temperatura e pressione critiche 577 Tensione superficiale, azione capillare e viscosità 578 Studio di un caso: Il mistero della sparizione delle impronte digitali RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 580 EQUAZIONI CHIAVE 581 DOMANDE DI VERIFICA 581 La chimica dei solidi 588 Dalla grafite al grafene Reticoli cristallini e celle elementari 589 Approfondimento: Impaccando le arance Strutture e formule dei solidi ionici I legami nei composti ionici: energia reticolare 599 Energia reticolare 599 Calcolo dell entalpia reticolare da dati termodinamici Lo stato solido: altri tipi di materiali solidi 602 Solidi molecolari 602 Solidi reticolari 602 Solidi amorfi Cambiamenti di fase che coinvolgono i solidi 604 Fusione: la conversione da solido a liquido 604 Sublimazione: conversione di un solido in vapore Diagrammi di fase 606 Acqua 606 Studio di un caso: I solidi più luminosi del mondo 607 Diagrammi di fase e termodinamica 608 Biossido di carbonio RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 610 DOMANDE DI VERIFICA 610 Le soluzioni e il loro comportamento 616 La sicurezza in volo Le unità di misura della concentrazione Il processo di soluzione 620 Approfondimento: Soluzioni sovrasature 620 Solubilizzazione di liquidi in liquidi 621 Solubilizzazione di solidi in acqua 622 Entalpia di soluzione 623 Entalpia di soluzione: dati termodinamici Fattori che influenzano la solubilità: pressione e temperatura 626 Soluzioni di gas in liquidi: la legge di Henry 626 Effetto della temperatura sulla solubilità: principio di Le Chatelier Proprietà colligative 628 Variazione della pressione di vapore: legge di Raoult 629 Fatti chimici: La legge di Henry e i laghi assassini del Camerun 630 Innalzamento del punto di ebollizione 632 Abbassamento del punto di congelamento 634 Pressione osmotica 635 Proprietà colligative e determinazione della massa molare 637 Proprietà colligative delle soluzioni contenenti ioni 639 Approfondimento: Osmosi e medicina 639 Studio di un caso: La legge di Henry in una bottiglia di bevanda gassata I colloidi 642 Tipi di colloidi 643 I tensioattivi 645 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 646 EQUAZIONI CHIAVE 647 DOMANDE DI VERIFICA 648 xii l Indice generale

7 INTERCAPITOLO La chimica dei materiali moderni 656 Metalli 657 Il legame chimico nei metalli 657 Leghe: miscele di metalli 659 Semiconduttori 660 Il legame chimico nei semiconduttori: la banda proibita 660 Applicazioni dei semiconduttori: diodi, LED e transistor 662 Ceramiche 663 Vetro: una ceramica disordinata 663 Ceramiche cotte per applicazioni speciali: cementi, argille e refrattarie 665 Ceramiche moderne con proprietà eccezionali 666 Biomateriali: imparare dalla natura 667 Il futuro dei materiali 668 LETTURE SUGGERITE 669 DOMANDE DI VERIFICA 669 PARTE 4 CONTROLLO DELLE REAZIONI 15 Cinetica chimica: la velocità delle reazioni chimiche 670 Dove è finito l indicatore? Velocità delle reazioni chimiche Condizioni di reazione e velocità Effetto della concentrazione sulla velocità di reazione 677 Equazioni cinetiche 678 L ordine di reazione 679 La costante di velocità, k 679 Determinazione dell equazione cinetica Relazione tra concentrazione e tempo: leggi cinetiche integrate 683 Reazioni di primo ordine 683 Approfondimento: Legge di velocità, costante di velocità e stechiometria di reazione 684 Reazioni di secondo ordine 686 Reazioni di ordine zero 687 Metodi grafici per la determinazione dell ordine di reazione e della costante di velocità 687 Tempo di dimezzamento e reazioni di primo ordine Le reazioni dal punto di vista microscopico 692 Concentrazione, velocità di reazione e teoria delle collisioni 692 Temperatura, velocità di reazione ed energia di attivazione 693 Energia di attivazione 694 Effetto dell incremento della temperatura 695 Effetto dell orientazione molecolare sulla velocità di reazione 695 L equazione di Arrhenius 696 Approfondimento: Diagrammi delle coordinate di reazione 697 Effetto dei catalizzatori sulla velocità di reazione Meccanismi di reazione 701 Studio di un caso: Enzimi: catalizzatori naturali 702 Molecolarità degli stadi elementari 703 Equazioni cinetiche per gli stadi elementari 704 Molecolarità e ordine di reazione 704 Meccanismi di reazione ed equazioni cinetiche RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 710 EQUAZIONI CHIAVE 711 DOMANDE DI VERIFICA 712 Principi di reattività: gli equilibri chimici 724 Dinamico e reversibile! L equilibrio chimico: un riesame La costante di equilibrio e il quoziente di reazione 726 Scrivere le espressioni della costante di equilibrio 728 Approfondimento: Espressioni della costante di equilibrio per i gas K c e K p 730 Il significato della costante di equilibrio, K 730 Il quoziente di reazione, Q Calcolo della costante di equilibrio Uso della costante di equilibrio 737 Procedura di calcolo nel caso di espressioni quadratiche Approfondimenti sulle equazioni bilanciate e le costanti di equilibrio Perturbare un equilibrio chimico 744 Effetto dell aggiunta o della rimozione di un reagente o di un prodotto 745 Effetto delle variazioni di volume sugli equilibri in fase gassosa 746 Effetto delle variazioni di temperatura sulla composizione di un equilibrio 748 Studio di un caso: Applicazione dei concetti dell equilibrio: il processo Haber-Bosch 749 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 750 EQUAZIONI CHIAVE 751 DOMANDE DI VERIFICA 752 Indice generale l xiii

8 17 La chimica degli acidi e delle basi 760 L aspirina ha più di cento anni! Acidi e basi: un riesame Il concetto esteso di acido e base secondo Brønsted-Lowry 762 Coppie coniugate acido-base L acqua e la scala del ph 765 Autoionizzazione dell acqua e costante di ionizzazione, K w 765 La scala del ph 767 Calcolo del ph Costanti di equilibrio per acidi e basi 768 Valori di K a per acidi poliprotici 772 Soluzioni acquose di sali 773 Una scala logaritmica di forza acida relativa, pk a 775 Relazione tra le costanti di ionizzazioni di un acido e della propria base coniugata Prevedere la direzione di una reazione acido-base Tipi di reazioni acido-base 778 La reazione di un acido forte e di una base forte 779 La reazione di un acido debole con una base forte 779 La reazione di un acido forte con una base debole 779 La reazione di un acido debole con una base debole Calcoli con costanti di equilibrio 780 Determinazione di K da concentrazioni iniziali e da misure di ph 780 Quale è il ph di una soluzione acquosa di un acido o di una base debole? Acidi e basi poliprotici Il concetto di acido e base secondo Lewis 789 Studio di un caso: L acido urico, la gotta e gli escrementi 789 Acidi di Lewis cationici 790 Acidi di Lewis molecolari 791 Basi di Lewis molecolari Struttura molecolare, legame e comportamento acido-base 793 Forza degli acidi alogenidrici, HX 793 Confronto tra gli ossiacidi: HNO 2 e HNO Approfondimento: Forza degli acidi e struttura molecolare 795 Perché gli acidi carbossilici sono acidi di Brønsted? 796 Perché i cationi idrati metallici sono acidi di Brønsted? 797 Perché gli anioni sono basi di Brønsted? 798 Perché l ammoniaca e i suoi derivati sono basi di Brønsted e di Lewis? 798 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 799 EQUAZIONI CHIAVE 800 DOMANDE DI VERIFICA Principi di reattività chimica: altri aspetti degli equilibri in fase acquosa 810 Minerali e gemme: l importanza della solubilità L effetto dello ione comune Controllo del ph: soluzioni tampone 814 Espressioni generali per soluzioni tampone 816 Preparazione di soluzioni tampone 818 Come una soluzione tampone controlla il ph? Titolazioni acido-base 821 Studio di un caso: Fai un bel respiro! 822 Titolazione di un acido forte con una base forte 822 Titolazione di un acido debole con una base forte 824 Titolazione di acidi deboli poliprotici 827 Titolazione di una base debole con un acido forte 828 Indicatori di ph Solubilità dei sali 832 Il prodotto di solubilità, K ps 832 Relazione tra solubilità e K ps 834 Approfondimento: Calcoli di solubilità 837 Solubilità ed effetto dello ione in comune 838 L effetto di anioni basici sulla solubilità di un sale Reazioni di precipitazione 842 K ps e il quoziente di reazione, Q 843 K ps, quoziente di reazione e reazioni di precipitazione Equilibri che coinvolgono ioni complessi Solubilità e ioni complessi RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 849 EQUAZIONI CHIAVE 850 DOMANDE DI VERIFICA 850 Principi di reattività: entropia ed energia libera 860 Può l alcol etilico contribuire a risolvere i problemi ambientali ed energetici? Spontaneità ed energia trasferita sotto forma di calore Dispersione di energia: entropia 863 Approfondimento: Processi reversibili e irreversibili Entropia: comprensione a livello microscopico 842 Dispersione di energia 864 Dispersione della materia: una revisione della dispersione dell energia 866 Un riepilogo su entropia, cambiamenti di entropia e dispersione di energia 868 xiv l Indice generale

9 19.4 Misura e valori dell entropia 868 Valori dell entropia, S 868 Variazioni di entropia nei processi fisici e chimici Variazioni di entropia e spontaneità 871 Riassumendo: reazioni spontanee o no? Energia libera di Gibbs 876 Variazione in energia libera di Gibbs, G 876 Energia libera di Gibbs, spontaneità ed equilibrio chimico 877 Riepilogando: energia libera di Gibbs ( r G e r G ), quoziente di reazione (Q) e costante di equilibrio (K ) e previsione sull andamento della reazione 879 Che cos è l energia libera? Calcolo ed uso dell energia libera 879 Energia libera di formazione standard 879 Calcolo del r G, variazione dell energia libera per una reazione in condizioni standard 880 Energia libera e temperatura 881 Studio di un caso: La termodinamica e gli organismi viventi 884 Come usare la relazione tra r G e K RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 886 EQUAZIONI CHIAVE 887 DOMANDE DI VERIFICA 887 Principi di reattività: le reazioni a trasferimento di elettroni 896 Non toccare quelle monete! Reazioni di ossido-riduzione 898 Bilanciamento delle equazioni di ossido-riduzione Celle voltaiche 905 Celle voltaiche con elettrodi inerti 908 Convenzioni usate per le celle elettrochimiche Celle voltaiche in commercio 909 Fatti storici: Le rane e la pila di Volta 910 Batterie primarie: pile a secco e batterie alcaline 911 Batterie secondarie o ricaricabili 912 Celle a combustibile ed automobili ibride Potenziali elettrochimici standard 915 Forza elettromotrice 915 Come misurare i potenziali standard 916 Potenziali di riduzione standard 917 Approfondimento: Fem, potenziale di cella e voltaggio 918 Tabella dei potenziali di riduzione standard 918 Come usare la tabella dei potenziali di riduzione standard 921 Forza relativa di agenti ossidanti e riducenti 923 Fatti chimici: Un mal di denti elettrochimico! Celle elettrochimiche in condizioni non standard 925 L equazione di Nernst Elettrochimica e termodinamica 928 Lavoro ed energia libera 928 E e costante di equilibrio Elettrolisi: trasformazioni chimiche mediante energia elettrica 931 Studio di un caso: Manganese negli oceani 932 Elettrolisi di sali fusi 932 Elettrolisi di soluzioni acquose Conteggio degli elettroni Fatti storici: L elettrolisi e Michael Faraday 933 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 939 EQUAZIONI CHIAVE 940 DOMANDE DI VERIFICA 940 INTERCAPITOLO La chimica dell ambiente 948 L atmosfera 949 Azoto ed ossidi di azoto 950 Ossigeno 951 Ozono 952 Clorofluorocarburi (CFC) ed ozono 953 Diossido di carbonio 953 Cambiamenti climatici 954 L effetto serra 954 L acqua 955 Gli oceani 955 Acqua potabile 956 Inquinamento dell acqua 957 Fatti chimici: Cloro nelle riserve di acqua 958 La chimica verde 959 L effetto serra 954 Fatti chimici: Particolato ed inquinamento atmosferico 960 LETTURE SUGGERITE 961 DOMANDE DI VERIFICA 961 PARTE 5 CHIMICA DEGLI ELEMENTI 21 La chimica degli elementi dei gruppi principali 962 Carbonio e silicio Abbondanza degli elementi La tavola periodica: una guida agli elementi 964 Gli elettroni di valenza 964 Composti ionici degli elementi dei gruppi principali 965 Composti covalenti degli elementi dei gruppi principali 966 Approfondimento: L idrogeno, l elio e gli aerostati 958 Indice generale l xv

10 21.3 Idrogeno 968 Proprietà chimiche e fisiche dell idrogeno 968 Preparazione dell idrogeno I metalli alcalini, il gruppo 1A 971 Preparazione di sodio e potassio 971 Proprietà di sodio e potassio 972 Approfondimento: Il potere riducente dei metalli alcalini 973 Importanti composti di litio, sodio e potassio Gli elementi alcalino-terrosi, il gruppo 2A 975 Proprietà di calcio e magnesio 976 Metallurgia del magnesio 976 Fatti chimici: Metalli alcalino-terrosi e biologia 977 I minerali del calcio e le loro applicazioni 978 Fatti chimici: I Romani, il calcare e lo champagne Boro, alluminio e gli elementi del gruppo 3A 979 La chimica degli elementi del gruppo 3A 979 Studio di un caso: L acqua dura 980 I minerali del boro e produzione dell elemento 981 L alluminio metallico e la sua produzione 981 I composti del boro 983 I composti dell alluminio Silicio e gli elementi del gruppo 4A 986 Il silicio 986 Il diossido di silicio 987 I silicati con struttura a catena e a nastro 988 I silicati con struttura a strati e gli alluminosilicati 989 I siliconi 990 Studio di un caso: Il piombo, Beethoven e la soluzione di un mistero Azoto, fosforo e gli elementi del gruppo 5A 991 Proprietà di azoto e fosforo 992 I composti dell azoto 992 Studio di un caso: Un acquario di acqua salata vitale e il ciclo dell azoto 994 Approfondimento: Produrre il fosforo 997 I composti idrogenati del fosforo e di altri elementi del gruppo 5A 997 Gli ossidi e i solfuri del fosforo 997 Gli ossoacidi del fosforo e i loro sali Ossigeno, zolfo e gli elementi del gruppo 6A 1001 Preparazione e proprietà degli elementi 1001 I composti dello zolfo 1003 Approfondimento: I snot-tites e la chimica dello zolfo Gli alogeni, il gruppo 7A 1005 Preparazione degli elementi 1005 I composti del fluoro 1007 I composti del cloro RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 1010 DOMANDE DI VERIFICA 1011 La chimica degli elementi di transizione 1018 Metalli dotati di memoria Le proprietà degli elementi di transizione 1019 Configurazioni elettroniche 1021 Ossidazione e riduzione 1021 Fatti chimici: La corrosione del ferro 1023 Andamenti periodici nel blocco d : dimensione, densità e punto di fusione Metallurgia 1025 Pirometallurgia: produzione del ferro 1026 Idrometallurgia: produzione del rame Composti di coordinazione 1029 Complessi e leganti 1029 Le formule dei composti di coordinazione 1032 Approfondimento: Emoglobina 1033 Il nome dei composti di coordinazione Strutture dei composti di coordinazione 1036 Geometrie di coordinazione comuni 1036 Isomeria Il legame nei composti di coordinazione 1040 Gli orbitali d: la teoria del campo cristallino 1040 Configurazioni elettroniche e proprietà magnetiche I colori dei composti di coordinazione 1045 Colore 1045 La serie spettrochimica Chimica organometallica: la chimica dei complessi metallorganici bassovalenti 1048 Studio di un caso: La scoperta accidentale di un agente chemioterapico 1049 Complessi metallici del monossido di carbonio 1049 La regola del numero atomico effettivo e il legame nei composti organometallici 1050 I leganti nei composti organometallici 1051 Studio di un caso: Ferrocene L inizio di una rivoluzione chimica 1052 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 1054 DOMANDE DI VERIFICA 1054 xvi l Indice generale

11 23 La chimica nucleare 1060 A Appendici A-1 Un reattore nucleare primordiale La radioattività naturale Reazioni nucleari e decadimento radioattivo 1062 Equazioni delle reazioni nucleari 1062 Serie radioattive 1063 Altri tipi di decadimento radioattivo Stabilità dei nuclei atomici 1067 La banda di stabilità e il decadimento radioattivo 1068 L energia di legame nucleare Velocità di decadimento radioattivo 1072 Tempo di dimezzamento (emivita) 1072 Cinetica del decadimento nucleare 1073 La datazione al radiocarbonio Reazioni nucleari artificiali 1077 Approfondimento: La ricerca di nuovi elementi La fissione nucleare La fusione nucleare Salute e sicurezza usando le radiazioni 1082 Le unità di misura delle radiazioni 1082 Radiazioni: dosi ed effetti 1083 Approfondimento: Quale è un esposizione sicura? Applicazioni della chimica nucleare 1084 Medicina nucleare: produzione di immagini in medicina 1085 Medicina nucleare: radioterapia 1086 Metodi analitici: l uso di isotopi radioattivi come traccianti 1086 Metodi analitici: la diluizione isotopica 1086 Approfondimento: Il tecnezio-99 m 1087 Scienze spaziali: analisi per attivazione da neutroni delle rocce lunari 1088 Scienza degli alimenti: irradiazione degli alimenti 1088 Studio di un caso: Medicina nucleare e ipertiroidismo 1089 RIESAME DELLE FINALITÀ DEL CAPITOLO 1090 EQUAZIONI CHIAVE 1090 DOMANDE DI VERIFICA 1091 A Uso dei logaritmi e l equazione quadratica A-2 B Alcuni importanti concetti di fisica A-7 C Abbreviazioni ed utili fattori di conversione A-10 D Costanti fisiche A-14 E Nomenclatura dei composti organici A-17 F G Valori dell energia di ionizzazione e affinità elettronica degli elementi A-21 Pressione di vapore dell acqua al variare della temperatura A-22 H Costanti di ionizzazione di acidi deboli a 25 C A-23 I Costanti di ionizzazione di basi deboli a 25 C A-25 J K Prodotti di solubilità di alcuni composti inorganici a 25 C A-26 Costanti di formazione di alcuni ioni complessi in soluzione acquosa A-28 L Una selezione dei valori termodinamici A-29 M Potenziali standard di riduzione in soluzione acquosa a 25 C A-36 N Risposte agli esercizi A-40 O Risposte alle domande di verifica selezionate A-62 P Q Risposte alle domande di verifica selezionate presenti negli Intercapitoli A-118 Risposte ai quesiti di Inizio Capitolo e Studio di un caso A-122 Indice/Glossario I-1 Indice generale l xvii