Indice generale. 1 I fondamenti della. 3 Equazioni chimiche e. 1 Formule chimiche e. chimica 1. stechiometria delle reazioni 78
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- Albano Bettini
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1 Indice generale Al docente Allo studente xxiii xxxv 1 I fondamenti della chimica Materia ed energia Chimica Una visione molecolare della materia Stati della materia Proprietà chimiche e fisiche Trasformazioni chimiche e fisiche Miscele, sostanze, composti ed elementi 13 CHIMICA IN AZIONE: I nomi degli elementi Misure in chimica Unità di misura Il metodo del fattore unitario di equivalenza (analisi dimensionale) Percentuali Densità e densità relativa Calore e temperatura Trasferimento e misure di calore 32 Termini chiave 35 Esercizi 36 1 Formule chimiche e composizione stechiometrica Formule chimiche Ioni e composti ionici Nomi e formule di alcuni composti ionici Pesi atomici La mole 50 CHIMICA IN AZIONE: Il numero di Avogadro Pesi formula, pesi molecolari e moli Composizione percentuale e formule dei composti Individuazione della formula dalla composizione percentuale Determinazione delle formule molecolari Altre interpretazioni delle formule chimiche Purezza dei campioni 70 Termini chiave 71 Esercizi 72 3 Equazioni chimiche e stechiometria delle reazioni Le equazioni chimiche Calcoli basati sulle equazioni chimiche Il concetto di reagente limitante Resa percentuale delle reazioni chimiche Reazioni a stadi Concentrazione delle soluzioni Diluizione delle soluzioni Utilizzo delle soluzioni nelle reazioni chimiche 100 Termini chiave 103 Esercizi 103
2 xiv I N D I C E G E N E R A L E 4 La struttura degli atomi 111 PARTICELLE SUBATOMICHE Particelle fondamentali La scoperta degli elettroni Raggi canale e protoni Rutherford e l atomo nucleare Il numero atomico I neutroni Il numero di massa e gli isotopi Spettrometria di massa ed abbondanza degli isotopi 120 CHIMICA IN AZIONE: La tecnica SIRA (analisi del rapporto tra isotopi stabili) Massa atomica e scala delle masse atomiche Tavola periodica: metalli, non metalli, e metalloidi 125 LA STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI La radiazione elettromagnetica L effetto fotoelettrico Spettri atomici ed atomo di Bohr 135 APPROFONDIMENTO: La teoria di Bohr e l equazione di Balmer-Rydberg La natura ondulatoria dell elettrone La visione quantomeccanica dell atomo 142 APPROFONDIMENTO: L equazione di Schrödinger I numeri quantici Orbitali atomici Configurazioni elettroniche La tavola periodica e le configurazioni elettroniche Paramagnetismo e diamagnetismo 158 Termini chiave 159 Esercizi La periodicità chimica Per saperne di più sulla tavola periodica 170 CHIMICA IN AZIONE: La tavola periodica 171 CHIMICA IN AZIONE: La scoperta del fosforo 172 PROPRIETÀ PERIODICHE DEGLI ELEMENTI Raggi atomici Energia di ionizzazione Affinità elettronica Raggi ionici Elettronegatività Numeri di ossidazione 184 REAZIONI CHIMICHE E PERIODICITÀ L idrogeno e gli idruri L ossigeno e gli ossidi Termini chiave 198 Esercizi 198 Alcuni tipi di reazioni chimiche Introduzione alle soluzioni acquose Reazioni in soluzione acquosa 210 NOMENCLATURA DI ALCUNI COMPOSTI INORGANICI Nomenclatura dei composti binari Nomenclatura di acidi ternari e dei loro sali 214 CLASSIFICAZIONE DELLE REAZIONI CHIMICHE Introduzione alle reazioni di ossidoriduzione Reazioni di combinazione Reazioni di decomposizione Reazioni di spostamento 222 CHIMICA IN AZIONE: Reazioni di spostamento fastidiose Reazione di metatesi Reazioni che formano gas Sommario dei tipi di reazioni Termini chiave 235 Esercizi 236 Il legame chimico Le strutture elettroniche a punti di Lewis degli atomi 244
3 I N D I C E G E N E R A L E xv IL LEGAME IONICO Formazione dei composti ionici 244 APPROFONDIMENTO: Introduzione ai bilanci energetici nei legami ionici 249 IL LEGAME COVALENTE Formazione dei legami covalenti Distanze di legame ed energie di legame Formule di Lewis per molecole e ioni poliatomici Scrivere le formule di Lewis: la regola dell ottetto Le cariche formali Scrivere le formule di Lewis: eccezioni alla regola dell ottetto La risonanza Legami covalenti polari e non polari I momenti di dipolo La continuità nella tipologia dei legami Termini chiave 271 Esercizi 272 Struttura molecolare e teorie del legame covalente Un anteprima del capitolo Teoria della repulsione delle coppie elettroniche dello strato di valenza Molecole polari: l influenza della geometria molecolare Teoria del legame di valenza 286 FORME MOLECOLARI E LEGAME Geometria elettronica lineare: specie AB 2 (nessuna coppia elettronica solitaria su A) Geometria elettronica planare trigonale: specie AB 3 (nessuna coppia elettronica solitaria su A) Geometria elettronica tetraedrica: specie AB 4 (nessuna coppia elettronica solitaria su A) Geometria elettronica tetraedrica: specie AB 3 U (una coppia elettronica solitaria su A) Geometria elettronica tetraedrica: specie AB 2 U 2 (due coppie elettroniche solitarie su A) Geometria elettronica tetraedrica: specie ABU 3 (tre coppie elettroniche solitarie su A) Geometria elettronica bipiramidale trigonale: AB 5, AB 4 U, AB 3 U 2,AB 2 U Geometria elettronica ottaedrica: AB 6, AB 5 U, AB 4 U Coppie solitarie sull atomo centrale: un riassunto Composti contenenti legami doppi Composti contenenti legami tripli Sommario delle geometrie elettroniche e molecolari Termini chiave 314 Esercizi 315 Gli orbitali molecolari nel legame chimico Orbitali molecolari Diagrammi dei livelli energetici degli orbitali molecolari Ordine di legame e stabilità del legame Molecole diatomiche omonucleari Molecole diatomiche eteronucleari Delocalizzazione e forma degli orbitali molecolari Termini chiave 335 Esercizi 335 Reazioni in soluzioni acquose I: acidi, basi e sali Proprietà delle soluzioni acquose di acidi e basi La teoria di Arrhenius Lo ione idrossonio (ione idrogeno idratato) La teoria di Brønsted-Lowry L autoionizzazione dell acqua L anfoteria 347
4 xvi I N D I C E G E N E R A L E 10-7 La forza degli acidi Reazioni acido-base in soluzione acquosa 351 CHIMICA IN AZIONE: Sali comuni degli acidi ternari Sali acidi e sali basici La teoria di Lewis La preparazione degli acidi Termini chiave 360 Esercizi 361 Reazioni in soluzioni acquose II: calcoli 366 REAZIONI ACQUOSE ACIDO-BASE Calcoli con la molarità Titolazioni Stechiometria delle titolazioni acidobase 373 REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE Bilanciamento delle equazioni redox Aggiunta di H +, O o H 2 O per bilanciare ossigeno ed idrogeno Stechiometria delle reazioni redox Termini chiave 384 Esercizi 384 I gas e la teoria cineticomolecolare Confronto tra solidi, liquidi e gas Composizione dell atmosfera e alcune comuni proprietà dei gas La pressione 395 CHIMICA IN AZIONE: L effetto serra e i cambiamenti climatici La legge di Boyle: relazione tra pressione e volume La legge di Charles: relazione tra volume e temperatura; la scala della temperatura assoluta Condizioni standard di temperatura e pressione L equazione della legge combinata dei gas La legge di Avogadro e il volume molare standard Riassunto delle leggi dei gas: equazione dei gas ideali Determinazione dei pesi molecolari e delle formule molecolari delle sostanze gassose Legge di Dalton delle pressioni parziali Relazione tra massa e volume nelle reazioni coinvolgenti gas La teoria cinetico-molecolare 420 APPROFONDIMENTO: La teoria cineticomolecolare, l equazione dei gas ideali e le velocità molecolari Diffusione ed effusione dei gas Gas reali: deviazioni dall idealità Termini chiave 430 Esercizi 431 Liquidi e solidi Stato liquido e stato solido: teoria cineticomolecolare Forze di attrazione intermolecolare e passaggi di stato 443 LO STATO LIQUIDO Viscosità Tensione superficiale Capillarità Evaporazione Tensione di vapore Punto di ebollizione e distillazione Trasferimento di calore nei liquidi 456 APPROFONDIMENTO: L equazione di Clausius Clapeyron 458 LO STATO SOLIDO Punto di fusione Trasferimento di calore nei solidi Sublimazione e tensione di vapore dei solidi Diagrammi di stato 462
5 I N D I C E G E N E R A L E xvii Solidi amorfi e solidi cristallini 465 APPROFONDIMENTO: La diffrazione dei raggi-x Strutture cristalline Il legame nei solidi Metalli e teoria delle bande CHIMICA IN AZIONE: Semiconduttori 482 Termini chiave 484 Esercizi 486 Soluzioni 494 IL PROCESSO DI DISSOLUZIONE Spontaneità del processo di dissoluzione Dissoluzione di solidi in liquidi Dissoluzione di liquidi in liquidi (miscibilità) Dissoluzione di gas in liquidi Velocità di dissoluzione e di saturazione Effetto della temperatura sulla solubilità Effetto della pressione sulla solubilità Molalità e frazione molare 506 PROPRIETÀ COLLIGATIVE DELLE SOLUZIONI Abbassamento della tensione di vapore e legge di Raoult Distillazione frazionata Innalzamento del punto di ebollizione Abbassamento del punto di congelamento Determinazione del peso molecolare in base all abbassamento del punto di congelamento o all innalzamento del punto di ebollizione Proprietà colligative e dissociazione elettrolitica Pressione osmotica 522 COLLOIDI 525 CHIMICA IN AZIONE: Purificazione dell acqua ed emodialisi Effetto Tyndall Il fenomeno dell adsorbimento Colloidi idrofilici e colloidi idrofobici CHIMICA IN AZIONE: Perché il vino rosso è adatto alle carni rosse? 532 Termini chiave 532 Esercizi 534 Termodinamica chimica 540 SCAMBI DI CALORE E TERMOCHIMICA Il primo principio della termodinamica Terminologia impiegata in termodinamica La variazione di entalpia Calorimetria: la misura del trasferimento di calore Equazioni termochimiche Stati standard e variazioni di entalpia standard Entalpia molare standard di formazione, H 0 f La legge di Hess Energia di legame La variazione di energia interna, E Relazione tra H e E 566 SPONTANEITÀ DELLE TRASFORMAZIONI FISICHE E CHIMICHE I due aspetti della spontaneità Dispersione di energia e materia Entropia, S, e variazione di entropia, S Il secondo principio della termodinamica La variazione di energia libera, G, e la spontaneità di una trasformazione Influenza della temperatura sulla spontaneità di una trasformazione Termini chiave 587 Esercizi 588 Cinetica chimica La velocità di reazione 600 FATTORI CHE INFLUENZANO LA VELOCITÀ DI REAZIONE 605
6 xviii I N D I C E G E N E R A L E 16-2 Natura dei reagenti Concentrazione dei reagenti: l espressione della legge cinetica Concentrazione in funzione del tempo: l equazione della velocità in forma integrata 614 APPROFONDIMENTO: Derivazione, mediante l analisi matematica, dell equazione di velocità in forma integrata 620 APPROFONDIMENTO: Uso dell equazione integrata di velocità per determinare l ordine di una reazione Teoria degli urti (collisioni) Teoria dello stato di transizione Meccanismi di reazione ed espressione della legge cinetica La temperatura: l equazione di Arrhenius Catalizzatori CHIMICA IN AZIONE: L ozono 640 Termini chiave 643 Esercizi 644 Equilibrio chimico Concetti di base La costante di equilibrio Variazione di K c con la forma dell equazione bilanciata Il quoziente di reazione Applicazioni della costante di equilibrio, K c Alterazione di un sistema all equilibrio: previsioni Il processo Haber: un applicazione pratica dell equilibrio Alterazione di un sistema all equilibrio: calcoli Pressioni parziali e costante di equilibrio Relazione tra K p e K c Equilibri eterogenei Relazione tra G 0 r x n e costante di equilibrio Calcolo delle costanti di equilibrio a temperature diverse Termini chiave 686 Esercizi 686 Equilibri ionici I: acidi e basi Un ripasso sugli elettroliti forti L autoionizzazione dell acqua Le scale del ph e del poh Le costanti di ionizzazione per acidi e basi deboli monoprotici Acidi poliprotici Solvolisi Sali di basi forti e acidi forti Sali di basi forti e acidi deboli Sali di basi deboli e acidi forti Sali di basi deboli e acidi deboli 723 CHIMICA IN AZIONE: La neutralizzazione degli acidi con sali poco pericolosi Sali che contengono piccoli cationi fortemente carichi Termini chiave 728 Esercizi 729 Equilibri ionici II: soluzioni tampone e curve di titolazione Effetto dello ione in comune e soluzioni tampone Azione tamponante Preparazione delle soluzioni tampone 745 CHIMICA IN AZIONE: Giocare con i carbonati Indicatori acido-base 749 CURVE DI TITOLAZIONE Curve di titolazione acido forte e base forte Curve di titolazione acido debole e base forte Curve di titolazione acido debole e base debole 756
7 I N D I C E G E N E R A L E xix 19-8 Riassunto dei calcoli acido-base Termini chiave 758 Esercizi 758 Equilibri ionici III: prodotto di solubilità Costanti di solubilità Determinazione delle costanti di solubilità Utilizzo delle costanti di solubilità 768 APPROFONDIMENTO: Gli effetti dell idrolisi sulla solubilità Precipitazione frazionata; Q ps K ps Equilibri simultanei coinvolgenti composti poco solubili Dissoluzione di precipitati; Q ps < K ps Termini chiave 781 Esercizi 781 Elettrochimica Conduzione elettrica Elettrodi 788 CELLE ELETTROLITICHE L elettrolisi del cloruro di sodio fuso (la cella Downs) L elettrolisi del cloruro di sodio acquoso L elettrolisi del solfato di sodio acquoso Conteggio degli elettroni: coulombometria e legge di Faraday dell elettrolisi Applicazioni commerciali delle celle elettrolitiche 795 CELLE VOLTAICHE O GALVANICHE Costruzione di celle voltaiche semplici 795 CHIMICA IN AZIONE: Una visione spettacolare di una mole di elettroni La cella zinco-rame La cella rame-argento 798 POTENZIALI DI ELETTRODO STANDARD L elettrodo standard a idrogeno (SHE) La cella zinco-she La cella rame-she Potenziali di elettrodo standard Uso dei potenziali standard Potenziali standard di elettrodo di altre semireazioni Corrosione Protezione dalla corrosione 809 INFLUENZA DELLE CONCENTRAZIONI (O DELLE PRESSIONI PARZIALI) SUI POTENZIALI DI ELETTRODO L equazione di Nernst Uso delle celle elettrochimiche per determinare le concentrazioni 815 APPROFONDIMENTO: Celle di concentrazione Relazione tra E cell a, G 0 e K eq 818 CELLE VOLTAICHE PRIMARIE Celle a secco 820 CELLE VOLTAICHE SECONDARIE L accumulatore al piombo La cella nichel-cadmio (NICAD) La cella a combustibile idrogenoossigeno Termini chiave 825 Esercizi 826 Chimica nucleare Il nucleo Il rapporto neutroni-protoni e la stabilità nucleare La stabilità nucleare e l energia di legame Il decadimento radioattivo Le equazioni per le reazioni nucleari Nuclei ricchi di neutroni (sopra la banda di stabilità) Nuclei poveri di neutroni (sotto la banda di stabilità) Nuclei con numero atomico maggiore di La rivelazione delle radiazioni Velocità di decadimento e semivita Le serie di disintegrazioni 848
8 xx I N D I C E G E N E R A L E Usi dei radionuclidi 848 CHIMICA IN AZIONE: Esposizione al radon e cancro al polmone Trasmutazioni artificiali degli elementi La fissione nucleare Reattori per la fissione nucleare La fusione nucleare CHIMICA IN AZIONE: Gestire le scorie nucleari 864 Termini chiave 865 Esercizi 866 Chimica organica I: formule, nomi e proprietà 870 IDROCARBURI SATURI Alcani e cicloalcani Nomenclatura degli idrocarburi saturi 878 IDROCARBURI INSATURI Alcheni 882 CHIMICA IN AZIONE: Petrolio Alchini 887 IDROCARBURI AROMATICI Benzene 889 CHIMICA IN AZIONE: Nanotecnologia Altri idrocarburi aromatici Idrocarburi: sommario 893 GRUPPI FUNZIONALI Alogenuri organici Alcoli e fenoli 896 CHIMICA IN AZIONE: Lo sviluppo di solventi più ecocompatibili Eteri Aldeidi e chetoni Ammine Acidi carbossilici 906 CHIMICA IN AZIONE: La chimica dei pigmenti degli artisti Alcuni derivati degli acidi carbossilici 910 CHIMICA IN AZIONE: Burro, margarina e grassi trans Sommario dei gruppi funzionali 915 CLASSI FONDAMENTALI DI REAZIONI ORGANICHE Reazioni di sostituzione Reazioni di addizione Reazioni di eliminazione Reazioni di polimerizzazione Termini chiave 927 Esercizi 928 Chimica organica II: strutture, reazioni scelte e biopolimeri 937 STRUTTURE DELLE MOLECOLE ORGANICHE Isomeri costituzionali Stereoisomeri Conformazioni 943 REAZIONI SCELTE Reazioni di acidi e basi di Brønsted- Lowry Reazioni di ossido-riduzione 947 CHIMICA IN AZIONE: La comunicazione chimica Formazione di derivati degli acidi carbossilici Idrolisi degli esteri 953 BIOPOLIMERI Carboidrati Polipeptidi e proteine 959 CHIMICA IN AZIONE: Le cannucce delle cellule Acidi nucleici Termini chiave 966 Esercizi 967 Composti di coordinazione Composti di coordinazione Complessi ammoniacali Definizioni importanti Nomenclatura 978
9 I N D I C E G E N E R A L E xxi 25-5 Strutture 979 ISOMERIA NEI COMPOSTI DI COORDINAZIONE Isomeri strutturali (costituzionali) Stereoisomeri 983 LEGAME NEI COMPOSTI DI COORDINAZIONE Teoria del campo cristallino Colori e serie spettrochimica 990 Termini chiave 992 Esercizi Metalli I: metallurgia METALLI La distribuzione dei metalli in natura 998 METALLURGIA Pretrattamento dei minerali grezzi Riduzione a metallo elementare Raffinazione dei metalli 1002 METALLURGIA DI METALLI SPECIFICI Magnesio Alluminio Ferro Rame Oro 1011 Termini chiave 1011 Esercizi 1012 Metalli II: proprietà e 27 reazioni 1015 I METALLI ALCALINI (GRUPPO 1A) Metalli del Gruppo 1A: proprietà e presenza in natura Reazioni dei metalli del Gruppo 1A 1017 CHIMICA IN AZIONE: Gli elementi in tracce e la vita Usi dei metalli del Gruppo 1A e dei loro composti 1021 I METALLI ALCALINO TERROSI (GRUPPO 2A) Metalli del Gruppo 2A: proprietà e presenza in natura Reazioni dei metalli del Gruppo 2A Usi dei metalli del Gruppo 2A e dei loro composti 1023 I METALLI POST-TRANSIZIONE Gruppo 3A: andamenti periodici 1025 CHIMICA IN AZIONE: Il metallo più prezioso del mondo 1027 I METALLI DI TRANSIZIONE d Proprietà generali Stati di ossidazione Ossidi di cromo, ossianioni e idrossidi 1030 Termini chiave 1031 CHIMICA IN AZIONE: La nostra relazione di odio-amore con il mercurio 1032 Esercizi Alcuni non-metalli e metalloidi 1036 I GAS NOBILI (GRUPPO 8A) Diffusione, usi e proprietà Composti dello xeno 1038 GLI ALOGENI (GRUPPO 7A) Proprietà Diffusione, produzione ed usi Reazioni degli alogeni Gli alogenuri di idrogeno e gli acidi alogenidrici Gli ossiacidi degli alogeni (o acidi ternari) 1044 ZOLFO, SELENIO, TELLURIO Diffusione, usi e proprietà Reazioni degli elementi del Gruppo 6A Idruri degli elementi del Gruppo 6A Ossidi degli elementi del Gruppo 6A Ossiacidi dello zolfo 1049 AZOTO E FOSFORO Diffusione dell azoto Composti idrogenati dell azoto Ossidi di azoto 1053 CHIMICA IN AZIONE: Gli ossidi di azoto e lo smog fotochimico 1055
10 xxii I N D I C E G E N E R A L E Alcuni ossiacidi di azoto e relativi sali Fosforo 1057 SILICIO Il silicio e i silicati 1058 Termini chiave 1059 Esercizi 1060 APPENDICE A Alcune operazioni matematiche A-1 APPENDICE B APPENDICE C Configurazioni elettroniche degli atomi degli elementi A-9 Unità comuni, equivalenze e fattori di conversione A-12 APPENDICE D Costanti fisiche A-15 APPENDICE E Alcune costanti fisiche di sostanze comuni A-16 APPENDICE G APPENDICE H APPENDICE I APPENDICE J APPENDICE K APPENDICE L Indici delle equazioni E-1 Glossario/Indice analitico I-1 Costanti di ionizzazione di basi deboli a 25 C A-20 Costanti dei prodotti di solubilità di alcuni composti inorganici a 25 C A-21 Costanti di dissociazione di alcuni ioni complessi A-23 Potenziali standard di riduzione in soluzioni acquose a 25 C A-24 Valori termodinamici scelti a K A-27 Risposte agli esercizi numerici scelti di numero pari A-29 APPENDICE F Costanti di ionizzazione di acidi deboli a 25 C A-18
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