Indice generale. Riguardo gli autori Prefazione xv

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1 Indice generale Riguardo gli autori Prefazione xv xiv 1 La materia: sue proprietà e misura Il metodo scientifico Proprietà della materia Classificazione della materia Misura della materia: unità SI (metriche) Densità e composizione percentuale: il loro uso nella risoluzione di problemi Incertezza nelle misure scientifiche Cifre significative 19 Sommario 23 Esempio integrativo 24 Esercizi 26 Esercizi integrativi ed avanzati 29 Problemi speciali 31 Esercizi di auto-verifica 32 2 Atomi e teoria atomica Le prime scoperte in chimica e la teoria atomica Gli elettroni ed altre scoperte in fisica atomica L atomo nucleare Gli elementi chimici Massa atomica Introduzione alla tavola periodica Il concetto di mole e la costante di Avogadro Uso del concetto di mole nei calcoli 56 Sommario 59 Esempio integrativo 59 Esercizi 60 Esercizi integrativi ed avanzati 64 Problemi speciali 65 Esercizi di auto-verifica 66 3 Composti chimici Tipi di composti chimici e loro formule Il concetto di mole ed i composti chimici Composizione dei composti chimici Stati di ossidazione: un utile strumento per descrivere i composti chimici Nomenclatura dei composti: composti organici ed inorganici Nomi e formule dei composti inorganici Nomi e formule dei composti organici 94 Sommario 100 Esempio integrativo 101 Esercizi 103 Esercizi integrativi ed avanzati 107 Problemi speciali 108 Esercizi di auto-verifica Le reazioni chimiche Reazioni chimiche ed equazioni chimiche Equazioni chimiche e stechiometria Reazioni chimiche in soluzione Determinazione del reagente limitante Altre considerazioni pratiche sulla stechiometria delle reazioni 132 Sommario 138 Esempio integrativo 139 Esercizi 140 Problemi speciali 148 Esercizi di auto-verifica 149 v

2 vi Indice generale 5 Introduzione alle reazioni in soluzione acquosa La natura delle soluzioni acquose Reazioni di precipitazione Reazioni acido base Reazioni di ossido riduzione: alcuni principi generali Bilanciamento delle equazioni di ossido riduzione Agenti ossidanti e riducenti Stechiometria delle reazioni in soluzione acquosa: le titolazioni 177 Sommario 181 Esempio integrativo 182 Esercizi 183 Esercizi integrativi ed avanzati 187 Problemi speciali 189 Esercizi di auto-verifica I gas Proprietà dei gas: pressione dei gas Le leggi semplici dei gas Combinazione delle leggi dei gas: l equazione dei gas ideali e l equazione generale dei gas Applicazioni dell equazione dei gas ideali I gas nelle reazioni chimiche Miscele di gas Teoria cinetico-molecolare dei gas Proprietà dei gas collegate alla teoria cinetico-molecolare Gas non ideali (reali) 226 Sommario 229 Esempio integrativo 230 Esercizi 231 Esercizi integrativi ed avanzati 236 Problemi speciali 238 Esercizi di auto-verifica Termochimica Per cominciare: terminologia Calore Calori di reazione e calorimetria Lavoro La prima legge della termodinamica Calori di reazione: U e H Determinazione indiretta di H: la legge di Hess Entalpie standard di formazione Combustibili come fonti di energia 275 Sommario 281 Esempio integrativo 282 Esercizi 283 Esercizi integrativi ed avanzati 289 Problemi speciali 291 Esercizi di auto-verifica Gli elettroni negli atomi La radiazione elettromagnetica Spettri atomici Teoria dei quanti L atomo di Bohr Due concetti che portano ad una nuova meccanica quantistica Meccanica ondulatoria Numeri quantici ed orbitali elettronici Interpretazione e rappresentazione degli orbitali dell atomo di idrogeno Lo spin elettronico: un quarto numero quantico Atomi multielettronici Configurazioni elettroniche 339

3 Indice generale vii 8-12 Configurazioni elettroniche e tavola periodica 344 Sommario 348 Esempio integrativo 349 Esercizi 351 Esercizi integrativi ed avanzati 357 Problemi speciali 358 Esercizi di auto-verifica La tavola periodica ed alcune proprietà atomiche Classificazione degli elementi: la legge periodica e la tavola periodica Metalli e nonmetalli e loro ioni Dimensioni di atomi e ioni Energia di ionizzazione Affinità elettronica Proprietà magnetiche Proprietà periodiche degli elementi 381 Sommario 386 Esempio integrativo 386 Esercizi 389 Esercizi integrativi ed avanzati 391 Problemi speciali 392 Esercizi di auto-verifica Il legame chimico I: concetti di base La teoria di Lewis: introduzione Il legame covalente: introduzione Legami covalenti polari e mappe del potenziale elettrostatico Scrittura delle strutture di Lewis Risonanza Eccezioni alla regola dell ottetto Forme delle molecole Ordine di legame e lunghezze di legame Energie di legame 434 Sommario 438 Esempio integrativo 439 Esercizi 440 Esercizi integrativi ed avanzati 446 Problemi speciali 447 Esercizi di auto-verifica Il legame chimico II: altri aspetti Cosa deve fare una teoria del legame Introduzione al metodo del legame di valenza Ibridizzazione degli orbitali atomici Legami covalenti multipli Teoria degli orbitali molecolari Elettroni delocalizzati: il legame nella molecola del benzene Il legame nei metalli Alcuni problemi irrisolti: come possono aiutare i diagrammi di densità di carica elettronica? 484 Sommario 489 Esempio integrativo 489 Esercizi 491 Esercizi integrativi ed avanzati 494 Problemi speciali 495 Esercizi di auto-verifica Forze intermolecolari: liquidi e solidi Forze intermolecolari Alcune proprietà dei liquidi Alcune proprietà dei solidi Diagrammi di fase Solidi a reticolo covalente e solidi ionici Strutture cristalline Variazioni di energia nella formazione dei cristalli ionici 542 Sommario 545 Esempio integrativo 546

4 viii Indice generale Esercizi 547 Esercizi integrativi ed avanzati 552 Problemi speciali 554 Esercizi di auto-verifica Le soluzioni e le loro proprietà fisiche Tipi di soluzioni: un po di terminologia Concentrazione delle soluzioni Forze intermolecolari e processo di dissoluzione Formazione di soluzioni ed equilibrio Solubilità dei gas Tensione di vapore delle soluzioni Pressione osmotica Abbassamento del punto di congelamento ed innalzamento del punto di ebollizione di soluzioni di non elettroliti Soluzioni di elettroliti Miscele colloidali 587 Sommario 590 Esempio integrativo 591 Esercizi 592 Esercizi integrativi ed avanzati 597 Problemi speciali 599 Esercizi di auto-verifica Cinetica chimica La velocità di una reazione chimica Misura della velocità di reazione Effetto della concentrazione sulle velocità di reazione: la legge di velocità Reazioni di ordine zero Reazioni del primo ordine Reazioni del secondo ordine Cinetica delle reazioni: un riassunto Modelli teorici per la cinetica chimica L effetto della temperatura sulle velocità di reazione Meccanismi di reazione Catalisi 637 Sommario 642 Esempio integrativo 643 Esercizi 645 Esercizi integrativi ed avanzati 650 Problemi speciali 652 Esercizi di auto-verifica Principi dell equilibrio chimico Equilibrio dinamico L espressione della costante di equilibrio Relazioni che coinvolgono le costanti di equilibrio Il valore della costante di equilibrio Il quoziente di reazione, Q: previsione della direzione di una reazione Alterazione delle condizioni di equilibrio: il principio di Le Châtelier s Calcoli sull equilibrio: alcuni esempi illustrativo 679 Sommario 686 Esempio integrativo 686 Esercizi 688 Esercizi integrativi ed avanzati 693 Problemi speciali 694 Esercizi di auto-verifica Acidi e basi Un riassunto della teoria di Arrhenius La teoria di Brønsted Lowry degli acidi e delle basi 698

5 Indice generale ix 16-3 L auto-ionizzazione dell acqua e la scala del ph Acidi forti e basi forti Acidi deboli e basi deboli Acidi poliprotici Ioni come acidi e basi Struttura molecolare e comportamento acido base Acidi e basi di Lewis 732 Sommario 736 Esempio integrativo 736 Esercizi 738 Esercizi integrativi ed avanzati 742 Problemi speciali 743 Esercizi di auto-verifica Altri aspetti degli equilibri acido base Effetti dello ione comune negli equilibri acido base Soluzioni tampone indicatori acido base Reazioni di neutralizzazione e curve di titolazione Soluzioni di sali di acidi poliprotici Calcoli dell equilibrio acido base: un riassunto 771 Sommario 773 Esempio integrativo 773 Esercizi 775 Esercizi integrativi ed avanzati 779 Problemi speciali 782 Esercizi di auto-verifica Solubilità ed equilibri di ioni complessi Costante del prodotto di solubilità, K ps Relazione tra solubilità e K ps Effetto dello ione comune negli equilibri di solubilità Limiti del concetto di K ps Criteri per la precipitazione e sua completezza Precipitazione frazionata Solubilità e ph Equilibri che coinvolgono ioni complessi Analisi qualitativa dei cationi 805 Sommario 810 Esempio integrativo 810 Esercizi 812 Esercizi integrativi ed avanzati 815 Problemi speciali 816 Esercizi di auto-verifica Trasformazioni spontanee: entropia ed energia di Gibbs Spontaneità: il significato di trasformazione spontanea Il concetto di entropia Valutazione dell entropia e delle variazioni di entropia Criteri per la spontaneità di una trasformazione: la seconda legge della termodinamica Variazione di energia di Gibbs standard, G Variazione dell energia di Gibbs ed equilibrio G e K in funzione della temperatura Reazioni accoppiate 851 Sommario 852 Esempio integrativo 853 Esercizi 854 Esercizi integrativi ed avanzati 858 Problemi speciali 860 Esercizi di auto-verifica Elettrochimica Potenziali di elettrodo e loro misura Potenziali standard di elettrodo 869

6 x Indice generale 20-3 E pila, Ge K E pila in funzione delle concentrazioni Batterie: produzione di elettricità tramite reazioni chimiche Corrosione: celle voltaiche indesiderate Elettrolisi: forzare reazioni non spontanee a decorrere Processi industriali di elettrolisi 900 Sommario 904 Esempio integrativo 905 Esercizi 907 Esercizi integrativi ed avanzati 912 Problemi speciali 914 Esercizi di auto-verifica Chimica degli elementi dei gruppi principali I: gruppi 1, 2, 13 e Andamenti periodici e densità di carica Gruppo 1: i metalli alcalini Gruppo 2: i metalli alcalino terrosi Gruppo 13: la famiglia del boro Gruppo 14: la famiglia del carbonio 951 Sommario 968 Esempio integrativo 969 Esercizi 970 Esercizi integrativi ed avanzati 972 Problemi speciali 974 Esercizi di auto-verifica Chimica degli elementi dei gruppi principali II: gruppi 18, 17, 16, 15 e idrogeno Andamenti periodici nel legame Gruppo 18: i gas nobili Gruppo 17: gli alogeni Gruppo 16: la famiglia dell ossigeno Gruppo 15: la famiglia dell azoto L idrogeno: un elemento unico 1017 Sommario 1021 Esempio integrativo 1022 Esercizi 1023 Esercizi integrativi ed avanzati 1026 Problemi speciali 1028 Esercizi di auto-verifica Gli elementi di transizione Proprietà generali Principi di metallurgia estrattiva Metallurgia del ferro e dell acciaio Metalli della prima serie di transizione: da scandio a manganese La triade del ferro: ferro, cobalto e nichel Gruppo 11: rame, argento e oro Gruppo 12: zinco, cadmio e mercurio I lantanidi Superconduttori ad alta temperatura 1059 Sommario 1062 Esempio integrativo 1062 Esercizi 1063 Esercizi integrativi ed avanzati 1066 Problemi speciali 1067 Esercizi di auto-verifica Ioni complessi e composti di coordinazione La teoria di Werner dei composti di coordinazione: una panoramica I leganti Nomenclatura 1075

7 Indice generale xi 24-4 Isomeria Il legame negli ioni complessi: la teoria del campo cristallino Proprietà magnetiche dei composti di coordinazione e teoria del campo cristallino Il colore e i colori dei complessi Aspetti degli equilibri negli ioni complessi Reazioni acido base negli ioni complessi Alcune considerazioni sulla cinetica Applicazioni della chimica di coordinazione 1097 Sommario 1102 Esempio integrativo 1103 Esercizi 1104 Esercizi integrativi ed avanzati 1106 Problemi speciali 1108 Esercizi di auto-verifica Chimica nucleare Radioattività Isotopi radioattivi naturali Reazioni nucleari e radioattività artificiale Elementi transuranici Velocità del decadimento radioattivo Energetica delle reazioni nucleari Stabilità nucleare Fissione nucleare Fusione nucleare Effetti della radiazione sulla materia Applicazioni dei radioisotopi 1137 Sommario 1139 Esempio integrativo 1140 Esercizi 1141 Esercizi integrativi ed avanzati 1144 Problemi speciali 1145 Esercizi di auto-verifica Strutture dei composti organici Un introduzione ai composti e alle strutture organiche Alcani Cicloalcani Stereoisomeria nei composti organici Alcheni ed alchini Idrocarburi aromatici Composti organici contenenti gruppi funzionali Dalla formula molecolare alla struttura molecolare 1192 Sommario 1195 Esempio integrativo 1197 Esercizi 1198 Esercizi integrativi ed avanzati 1204 Problema speciale 1205 Esercizi di auto-verifica Reazioni dei composti organici Un introduzione alle reazioni organiche Introduzione alle reazioni di sostituzione nucleofila Introduzione alle reazioni di eliminazione Reazioni degli alcoli Introduzione alle reazioni di addizione: reazioni degli alcheni Sostituzione elettrofila aromatica Reazioni degli alcani Polimeri e reazioni di polimerizzazione Sintesi di composti organici 1254 Sommario 1256 Esempio integrativo 1257 Esercizi 1259 Esercizi integrativi ed avanzati 1263 Problema speciale 1264 Esercizi di auto-verifica 1265

8 xii Indice generale 28 Chimica della materia vivente La struttura chimica della materia vivente: un introduzione Lipidi Carboidrati Proteine Aspetti del metabolismo Acidi nucleici 1292 Sommario 1295 Esempio integrativo 1296 Esercizi 1297 Esercizi integrativi ed avanzati 1300 Problemi speciali 1301 Esercizi di auto-verifica 1302 APPENDICI A Operazioni matematiche A1 B Alcuni concetti fisici di base A11 C Unità SI A15 D Tabelle di dati A17 E Mappe concettuali A37 F Glossario A39 G Risposte ai quesiti di verifica dei concetti A55 Fonti delle illustrazioni Indice analitico I1 PC1