Introduzione alla Chimica. Paolo Mazza

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1 Introduzione alla Chimica Paolo Mazza 2 aprile 2013

2 Indice 1 Introduzione 2 2 Le teorie della materia Teoria atomica Teoria cinetica

3 Capitolo 1 Introduzione La chimica è la scienza che studia la struttura, le trasformazioni e il comportamento della materia. La principale teoria sulla quale si basa è la teoria atomica, secondo la quale la materia è costituita da entità fondamentali (atomi, ioni) che si legano tra di loro (molecole, composti ionici) determinando le milioni di forme che caratterizzano il nostro universo. Come le altre scienze, per misurare e studiare i fenomeni naturali, fa ricorso a delle grandezze fisiche e ai corrispettivi strumenti di misura. Le grandezze fisiche, secondo il SI (Sistema Internazionale di Misura), sono divise in 7 grandezze fondamentali e un gran numero di grandezze derivate (date dal rapporto o dal prodotto tra le grandezze fondamentali). Grandezze Fondamentali Simbolo della Grandezza Unità di misura Simbolo della grandezza Lunghezza l metro m Massa m kilogrammo kg Intervallo di Tempo t secondo s Temperatura T kelvin K Quantità di Sostanza n mole mol Intensità Luminosa i v candela cd Corrente Elettrica I ampère A Massa è la grandezza che misura la resistenza di un corpo ad uno spostamento. L unità di misura è il kilogrammo (kg). Peso è la grandezza data dal prodotto tra l accelerazione di gravità e la massa. L unità di misura è il newton N ((kg m)/(s 2 )). L accelerazione di gravità sulla Terra, al livello del mare, è uguale a 9, 8m/s 2. Pressione è la grandezza data dal rapporto tra la forza e la superficie di azione della forza. Le unità di misura utilizzate sono varie: pascal (Pa) riconosciuta dal SI, atmosfere (atm), millimetri di mercurio (mmhg), bar. 1bar = 10 5 P a = 0, 986atm 1atm = P a = 1, 013bar = 760mmHg 1mmHg = 133, 322P a = 0, 0013atm Energia è la capacità di un corpo di eseguire un lavoro o trasferire calore. L unità di misura è il Joule - J - (kg m 2 /s 2 ) 2

4 Temperatura è la grandezza che indica lo stato termico di un corpo. Le scale termiche utilizzate come unità di misura sono tre: Kelvin, Celsius, Fahrenheit. La scala kelvin è chiamata scala assoluta delle temperature e lo 0 K è detto zero assoluto e rappresenta la temperatura limite dell universo. T (K) = t(c) + 273, 15 T (K) = (t(f ) + 459, 67)/1, 8 Calore è energia in transizione da un corpo più caldo ad uno più freddo Grandezze estensive e intensive Grandezze estensive sono grandezze fisiche che dipendono dalle dimensioni del campione preso in considerazione (massa, lunghezza,...), mentre quelle intensive non dipendono dalle dimensioni del campione (densità, temperatura di ebollizione,...). Un sistema è una porzione delimitata di materia. Una fase è una porzione delimitata di materia che presenta proprietà intensive uniformi. Un sistema può essere eterogeneo (se costituito da due o più fasi, quindi presenta proprietà intensive non uniformi) o omogeneo (se costituito da un unica fase, quindi presenta proprietà intensive uniformi). A sua volta i sistemi possono essere distinti in miscugli e sistemi puri. I miscugli sono miscele di più sostanze, e può essere omogeneo (un unica fase) o eterogeneo (due o più fasi). I sistemi puri sono costituiti da una singola sostanza e si dividono in: composti (attraverso i metodi di separazione possono essere scissi in componenti minori) ed elementi (non possono essere ulteriormente divisi in sostanze più semplici tramite i classici metodi di separazione). Le trasformazioni della materia che comportano un cambiamento solo dal punta di vista fisico, sono reversibili e non portano alla formazioni di nuove sostanze (es. ghiaccio che si scioglie), vengono dette trasformazioni fisiche. Invece le trasformazioni che comportano dei cambiamenti nella struttura della materia con la formazione di sostanze differenti da quelle di partenza sono dette reazioni chimiche (combustione, formazione della ruggine o del formaggio,...). In una reazione chimica, da sostanze di partenza (reagenti) si ottengono nuove sostanze (prodotti). 3

5 Capitolo 2 Le teorie della materia 2.1 Teoria atomica La teoria atomica è la base della chimica moderna. Secondo tale teoria la materia è costituita da atomi a loro volta formati da sub-particelle: protoni e neutroni, detti nucleoni perché costituiscono il nucleo dell atomo, ed elettroni che orbitano intorno al nucleo. Il numero di protoni (numero atomico) è il fattore che maggiormente determina le differenze tra gli elementi chimici. In base al numero atomico è possibile identificare qualsiasi elemento, tuttavia gli atomi di uno stesso elemento non sono tutti identici perché il numero dei neutroni può cambiare. Atomi aventi ugual numero atomico, ma diverso numero di massa 1, vengono detti isotopi. Se a variare invece è il numero di elettroni, il cui numero negli atomi isolati è uguale a quello dei protoni, si parla di ione. Si dice catione oppure ione positivo se vi sono più protoni che elettroni, mentre si dice anione oppure ione negativo se vi sono più elettroni che protoni. Nella teoria atomica inoltre sono incluse le tre leggi ponderali della chimica: Legge di conservazione della massa (di Lavoisier): In una reazione chimica la massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti Legge delle proporzioni definite (di Proust): In una reazione chimica il rapporto tra le masse dei reagenti è definito e costante Legge delle proporzioni multiple (di Dalton): In una reazione chimica, se con ugual masse di una prima sostanza si fanno reagire diverse masse di una seconda sostanza, i rapporti tra le masse della seconda sostanza sono definiti da numeri piccoli e interi Formula chimica detta anche formula bruta, indica la qualità (quali specie) e la quantità (numero) di atomi che compongono una molecola. La formula minima invece indica il minore rapporto tra il numero di atomi di ogni specie all interno di una molecola. I sistemi fisici posso presentarsi in tre diversi stati di aggregazione: solido, liquido, aeriforme. Un sistema può passare da uno stato di aggregazione ad un altro attraverso i passaggi di stato: Fusione: da solido a liquido Evaporazione: da liquido a vapore Sublimazione: da solido a vapore Brinamento: da vapore a solido 1 Numero dei nucleoni 4

6 Condensazione: da vapore a liquido (liquefazione: gas a liquido) 2 Solidificazione: da liquido a solido 2.2 Teoria cinetica La teoria cinetica è la teoria secondo la quale le particelle che costituiscono la materia sono caratterizzate da un movimento caotico ed inarrestabile, non sono a contatto, ma intervallate da spazi vuoti, e la temperatura e il calore sono la conseguenza di tale moto. Maggiore è il movimento delle particelle che costituiscono un sistema, più difficile sarà per le particelle instaurare dei legami duraturi. Bisogna immaginare lo stato solido come un ammasso ordinato di particelle che vibrano su posizioni fisse e legate tra di loro. Se si trasferisce energia a tale sistema (calore, luce,...) essa sarà assorbita dalle particelle e una maggiore quantità di energia significa maggiore agitazione, rottura dei legami e passaggio di stato. I passaggi di stato solido, liquido a gassoso (e viceversa) sono rappresentabili graficamente attraverso le curve di riscaldamento e di raffreddamento. Prendendo come esempio il ghiaccio, se lo si mette a temperatura ambiente la sua temperatura aumenterà in modo uniforme finché non vi sarà un punto in cui smette di aumentare e lo stato solido e lo stato liquido coesistono (sosta termica). L energia necessaria per passare dallo stato solido a quello liquido non è molto alta, perché basta anche un minimo allontanamento per rompere i legami che le tengono unite ed è detta calore latente di fusione, cioè la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado la temperatura durante la sosta termica. Una volta che il sistema è liquido, se si aumenta la sua temperatura si verificherà nuovamente lo stesso fenomeno di coesistenza, però questa volta tra liquido e vapore. Per passare dal liquido al gassoso invece l apporto di energia deve essere molto maggiore, perché le particelle devono essere così lontane e agitate tale che non vi siano più interazioni tra di loro. La quantità di energia per determinare il passaggio di stato, cioè aumentare di un grado la temperatura del sistema durante la sosta termica, è detta calore latente di evaporazione. Curve di riscaldamento e raffreddamento ben definite sono caratteristiche unicamente di sistemi puri, perché nei miscugli sono presenti diverse sostanze, che, in base alla loro concentrazione, determinano variazioni dei punti di fusione ed evaporazione. 2 Se la temperatura del sistema aeriforme è molto alta, cioè oltre una certa temperatura critica, il vapore passa a gas 5