Chimica. Struttura della materia. Teoria di Dalton. Applicazione Legge Dalton. Conseguenze I. Molecole

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1 Chimica Struttura della materia Scienza che studia le trasformazioni della materia (reazioni chimiche) Non studia le trasformazioni nucleari (reazioni nucleari) Gas Materia Liquido Solido Cambiamenti di stato Miscele Sostanze Omogenee (soluzioni) Eterogenee Composti Elementi Separazione con mezzi fisici Separazione con mezzi chimici Teoria di Dalton. Ciascun elemento è costituito di particelle estremamente minuscole dette atomi.. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici.. Gli atomi di elementi diversi hanno proprietà differenti (compresa la massa). 4. Le reazioni chimiche non possono mutare gli atomi di un elemento in quelli di un altro; nel corso delle reazioni chimiche gli atomi non si creano né si distruggono. 5. I composti sono formati da una combinazione di almeno due elementi. 6. In un dato composto il numero relativo e la specie degli atomi sono costanti. Applicazione Legge Dalton 4 g di azoto si possono combinare con 8,6,4, e 40 g di ossigeno = rapporti a,,,4,5. N + / O N O Protossido di azoto o ossido di diazoto N + O NO Ossido di azoto o (mono)ossido di (mono)azoto N + / O N O Anidride nitrosa o triossido di diazoto / N + O NO biossido di azoto o diossido di azoto N + 5/ O N O 5 Anidride nitrica o pentossido di diazoto Ma gli atomi sono indivisibili! Molecole sono divisibili! Molecole H + O H O Gay-Lussac: vol+vol vol. (P,T) Dalton: H + O H O Ma la densità del vapore è inferiore alla densità dell ossigeno Avogardo/Cannizaro: Concetto della molecola mole Conseguenze I Composti sono stechiometrici Att.ne: Esistono composti non stechiometrici (solidi) Concetto di mole: quantità di massa che contiene una quantità costante di atomi (molecole) Cannizzaro: peso atomico e peso molecolare Avogadro: volumi di gas uguali a p,t uguali contengono ugual numero di particelle (molecole) Avogadro: elementi gassosi sono biatomici (ad eccezione di gas nobili)

2 Conseguenze II Concetto di mole La quantità in grammi di una determinata sostanza che contiene numero di particelle uguali al numero di atomi presenti in g esatti di 6C. mole contiene Numero di Avogadro (N A ) di particelle Atomi/ioni/molecole g-atomo/g-ione/gmolecola Avogadro constant Value x 0 mol - Standard uncertainty x 0 mol - Relative standard uncertainty.7 x 0-7 Mole e grammi Massa mole (g-molecola) = massa molecolare* espressa in grammi Es: mole di H O: PM H O=.008 x = 8.06 g mol - (somma dei pesi atomici) n (mol) = massa (g) / PM (g mol - ) Moli e uma: uma x N A = g Applicazione Legge Dalton 4 g di azoto (/ mol) si possono combinare con 8,6,4, e 40 g di ossigeno = rapporti interi: a,,,4,5. N + / O N O x / = / mol + /4 mol protossido di azoto o ossido di diazoto N + O NO x / = / mol + /4 mol ossido di azoto o (mono)ossido di (mono)azoto N + / O N O x / = / mol + /4 mol Anidride nitrosa o triossido di diazoto / N + O NO / mol + 4/4 mol biossido di azoto o diossido di azoto N + 5/ O N O 5 x / = / mol + 5/4 mol Anidride nitrica o pentossido di diazoto Gli atomi sono indivisibili! Mentre le moli sono frazionabili!!! N + / O N O Quanti grammi di N O si producono da 0 g di N. n (mol) = massa (g) / PM (g mol - ) n mol NO PM g g NO NO NO : n g mol N g N : PM N N PM PM : : N N O 0g 76 g mol 7g 8 g mol Avogadro Osservazione: volumi di idrogeno + un volume ossigeno formano due volumi vapore acqua Spiegazione: H ( g) O ( g) H O( g) ( molec + molec --> molec ) x N A = mol Conseguenza: pesando volumi uguali di gas diversi e possibile creare una scala relativa di pesi (masse) molecolari Rapporti Stechiometrici: i coefficienti stechiometrici rappresentano il rapporto in moli con cui reagiscono i reagenti e si formano i prodotti. Pertanto: N + / O N O n : N n : : : O n NO

3 Tabella Periodica PA= 5.45 Massa atomica Tabella periodica: Le masse degli elementi sono espresse in unità di massa atomica (uma amu). amu = / massa di. Isotopo del carbonio 6 C Numero di massa A = N + Z Numero atomico Z 6C Atomi particelle elementari Particella Simbolo Massa in amu (m u ) Neutrone n Protone p Elettrone 0 e Perché la massa atomica di Cl è 5.45? Isotopi: abbondanza naturale M è una media pesata: p i = abbondanza naturale dell'isotopi i m i = massa dell'isotopo i Cl ha isotopi naturali 5 e 7: M p i m i 5 p 7 p p p da cui p % del Cl in natura è isotopo 5. Come si misurano masse atomiche Risoluzione dello spettrometro di massa Molecole di CO e N sono distinte nonostante l esigua differenza di massa: 0.0 amu. Schema dello spettrometro di massa: separazione è funzione del rapporto Q/m

4 Nomenclatura / Formule Valenza: numero di legami che un elemento può formare Legame è indicato con Un legame formalmente è costituito da condivisione di due elettroni Nomenclatura inorganica Nomenclatura tradizionale Nomenclatura IUPAC (ufficiale) International Union Pure and Applied Chemistry Prefissi: mono di tri tetra penta esa epta Composti inorganici: Ossidi (ossidi basici/anidridi superossidi perossidi ) Acidi e basi Sali Idruri (acidi e basici) OSSIDI Ossidi (tradizionale) ossidi dotati di proprietà basiche che per reazione con acqua formano idrossidi (M(OH) x ) ANIDRIDI ipo- Elemento -oso ossidi dotati di proprietà acide che per reazione con acqua formano acidi (H m XO n ) Elemento Elemento -oso -ico Applicazione Legge Dalton 4 g di azoto si possono combinare con 8,6,4, e 40 g di ossigeno = rapporti a,,4,5. N + / O N O Protossido di azoto o ossido di diazoto N + O NO Ossido di azoto o (mono)ossido di (mono)azoto N + / O N O Anidride nitrosa o triossido di diazoto / N + O NO biossido di azoto o diossido di azoto N + 5/ O N O 5 Anidride nitrica o pentossido di diazoto Att.ne solamente due degli ossidi hanno proprietà acide (anidridi) per- Elemento -ico Anidridi Anidridi Ossidi (tradizionale) Tradizionale IUPAC SO anidride solforosa Cl O anidride ipoclorosa ossido di dicloro Cl O anidride clorosa triossido di dicloro Cl O 5 anidride clorica pentossido di dicloro Cl O 7 anidride perclorica eptaossido di dicloro VII II Cl O 7 SO FeO Fe O anidride solforica Ossido ferroso Ossido di ferro (II) Ossido ferrico Ossido di ferro (III) 4

5 Perossidi e superossidi Numero o stato di ossidazione Assegnare gli elettroni di legame all elemento più elettronegativo (cfr. Tabella periodica). il numero di ossidazione di un elemento allo stato elementare e 0. il numero di ossidazione di O e - ad eccezione dei perossidi (n.o.= - : -O-O-); superossidi (n.o. = -/ : O - ) ed infine OF (n.o. = +). il numero di ossidazione di H è + ad eccezione degli idruri metallici in cui è -. il numero di ossidazione di metalli alcalini ( gruppo) e +, mentre quello dei metalli alcalino terrosi ( gruppo) è +. nella molecola o negli ioni la somma degli numeri di ossidazione è pari alla carica. Na O H O KO Perossidi e superossidi perossido di sodio perossido di idrogeno superossido di potassio Calcolare gli stati di ossidazione! Lo stato di ossidazione è una quantità formale!! Idrossidi Reazione di formazione degli idrossidi: CaO + H O Ca(OH) Idrossido di calcio K O + H O KOH Idrossido di potassio Formalmente è una reazione di somma di H O ad un ossido basico (metallico). Acidi ossigenati Reazione di formazione di acidi SO + H O H SO N O 5 + H O HNO Formalmente è una reazione di somma di H O ad un ossido acido (non metallo). Acidi ossigenati (ossiacidi) Acido ipo- Elemento -oso Acido Elemento -oso Acido Elemento -ico Acido per- Elemento -ico Attenzione: P O 5 + H O H PO 4 Acido orto-fosforico 5

6 Acidi ossigenati Reazione di formazione di acidi SO + H O H SO Acido solforoso N O 5 + H O HNO Acido nitrico N O + H O HNO Acido nitroso Ossiacidi di cloro Anidride Acido Cl O HClO Ipocloroso Cl O HClO Cloroso Cl O 5 HClO Clorico Cl O 7 HClO 4 Perclorico Idruri (n.o. -) e idracidi (n.o.+) Idruri acidi (H + non metallo) H (g) + Cl (g) HCl(g) Cloruro d idrogeno Idruri basici (H + metallo) H (g) + Na(s) NaH(s) Idracidi Idruri acidi in acqua H O(l) + HCl(g) H O + (aq) + Cl - (aq) Acido cloridrico H O(l) + HF(g) H O + (aq) + F - (aq) Acido fluoridrico Idruri covalenti (4, 5, 6 gruppo) Metano, acqua, borani, fosfina, ammoniaca ecc. Sali Si formano per sostituzione di H in un acido con un metallo (ione) Acido Sale ipo- -oso ipo- -ito -oso -ico -ito -ato per- -ico per- -ato -idrico -uro Acido Sali di ossiacidi del cloro Sale HClO Ipocloroso NaClO Ipoclorito di sodio HClO Cloroso NaClO Clorito di sodio HClO Clorico NaClO Clorato di sodio HClO 4 Perclorico NaClO 4 Perclorato di sodio 6

7 CaHPO 4 Ca(H PO 4 ) Sali acidi idrogenofosfato di calcio o fosfato monoacido di calcio diidrogenofosfato di calcio o fosfato biacido di calcio Bilanciamento reazioni chimiche Bilanciare masse Bilanciare cariche Ca (PO 4 ) fosfato di calcio oppure difosfato tricalcico Reazioni acido-base (scambio protoninumeri ossidazione costanti) Reazioni redox (scambio elettronivariazione numero ossidazione) Reazioni acido base Bilanciamento reazioni redox Semplici bilanciamento per tentativi bilanciando a partire da elementi meno comuni Es: MgO+ HNO Mg(NO ) + H O KOH + CO K CO + H O Ca(OH) + H PO 4 Ca(H PO4) + H O MgO+ HNO Mg(NO ) + H O KOH + CO K CO + H O Ca(OH) + H PO 4 Ca(H PO4) + H O Riduzione: acquisto di elettroni (n.o.diminuisce) Na e Na Ossidazione: perdita di elettroni (n.o. aumenta) Na 0 Na e 0 Bilanciamento reazioni redox Ossidazione Aumento n.o. Forma ridotta Proprietà riducente Riduzione Diminuzione n.o. Forma ossidata Proprietà ossidante Bilanciamento Reazioni Redox con metodo ionico semi-rz Osservare se vi sono variazioni dello stato di ossidazione (=reazione redox). Scrivere in forma ionica (è più corretto in quanto in acqua le specie sono dissociate), trascurando le specie che non variano il n.o. (non sono coinvolte nella redox) le due semireazioni. Bilanciare le masse degli elementi coinvolti nella redox. Aggiungere/togliere gli elettroni scambiati. Bilanciare le cariche aggiungendo le specie H + oppure OH - a seconda che si operi in ambiente acido oppure basico. Bilanciare H con acqua (da notare che se tutto è stato fatto correttamente, gli O sono bilanciati automaticamente). Bilanciare le due semireazioni con opportuni coefficienti in modo da ottenere il multiplo minimo comune degli elettroni scambiati. Somma le le semireazioni ed elidere le eventuali specie in comune. Trascrivere in forma molecolare (bilanciare anioni/cationi con specie che non interagiscano nella redox, i.e. SO, Na +, K +, 4 ). 7

8 Bilanciamento Reazioni Redox Osservare se vi sono variazioni dello stato di ossidazione (=reazione redox). Scrivere in forma ionica (è più corretto in quanto in acqua le specie sono dissociate), trascurando le specie che non variano il n.o. (non sono coinvolte nella redox). Bilanciare le masse degli elementi coinvolti nella redox. Tracciare le semi-reazioni di riduzione e di ossidazione, indicando il numero di elettroni scambiati. Bilanciare il numero degli elettroni scambiati con opportuni coefficienti e trascrivere gli stessi davanti agli elementi interessati. Bilanciare le cariche aggiungendo le specie H + oppure OH - a seconda che si operi in ambiente acido oppure basico. Bilanciare H con acqua (da notare che se tutto è stato fatto correttamente, gli O sono bilanciati automaticamente). Trascrivere in forma molecolare (bilanciare anioni/cationi con specie che non interagiscano nella redox, i.e. SO, Na +, K +, 4 ). K Completare e bilanciare:ambiente acido H CrO 7 KI Cr SO4 ) H Cu HNO Cu( NO) KMnO ( I NO H 4H O MnSO4 O Completare e bilanciare:ambiente basico Cr( OH ) OH Cl KI KCl KIO Completare e bilanciare: dismutazioni OH Cl NaOH NaCl NaClO MnO ( s ClO ) OH CrO4 OH 4 MnO4 MnO Cl Concentrazioni In generale la concentrazione di una soluzione è una misura della quantità di soluto presente in una data quantità di solvente (o di soluzione). La quantità di soluto o di solvente possono essere espresse in numero di massa, moli o volume per cui vi sono diversi modi di esprimere la concentrazione di una soluzione: Percentuale (in massa % p/p; massa/volume %p/v; volume %v/v) Molarità (mol / L soluzione ) Molalità (mol / Kg solvente ) Frazione molare (mol soluto / mol totali ) Percentuale in massa di soluto E definita come: massa di soluto % massa di soluto 00 massa della soluzione Ad esempio per una soluzione ottenuta mescolando 7.5 g di NaCl e 9.5 g di acqua si ha: 7,5 g % massa NaCl 00 7,5 % 7,5 g 9,5 g Molarità E il numero di moli di soluto presenti in un litro di soluzione: Molarità moli di soluto litri di soluzione Le unità sono mol/litro ma sono generalmente indicate con M. Ad esempio una soluzione ottenuta sciogliendo 0,0 moli di NaCl in acqua sino ad un volume di,0 L ha molarità: 0,0 moli 0,0 mol/l 0,0 M,0 litri Tale soluzione contiene 7.5 g di NaCl per 00 g di soluzione Similmente si derivano : % p/v e % v/v. 8

9 Molalità E il numero di moli di soluto per chilo di solvente: moli di soluto molalità Kg di solvente Le unità sono mol/kg ma sono indicate con m. Ad esempio una soluzione ottenuta sciogliendo 0.0 moli di NaCl in 000 g di acqua ha molalità: 0.0 moli.0 Kg 0.0 mol/kg 0.0 m Frazione molare Per una soluzione fra due componenti A e B la frazione molare di A è definita: x A moli moli di A totali soluzione moli moli di A di A moli di B Ad esempio in una soluzione ottenuta sciogliendo 0,05 moli di glucosio in 5, g di acqua la frazione molare del glucosio è: 5, g 0,05 nho,40 mol HO x glucosio 0,0 8,0 g/mol 0,05,40 x HO,40 0,978 x 0,05,40 H O x glucosio Legge di diluizione Per la diluizione si applica la legge conservazione della massa la quantità di soluto prima e dopo la diluizione è costante V Esempio c massasoluto Vc V ( L) M( mol / L) n ( mol) V ( L) M ( mol / L) Conversione di concentrazioni Si considera una certa quantità di solvente o di soluzione e si determinano le quantità di soluto e di solvente corrispondenti da utilizzare per il calcolo della nuova concentrazione. Le tipiche quantità di riferimento per le concentrazioni da convertire sono: Molalità Kg di solvente Molarità litro di soluzione Frazione molare mole di soluzione % massa 00 g di soluzione Quando è implicata la molarità è necessario conoscere la densità della soluzione: m d V Conversione di concentrazioni HCl 7% HCl 7% HCl 7% M m x d HCl.84 g / ml 9