T.A.R.M Luigi Cerruti Lezioni di chimica 11-12

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1 T.A.R.M Luigi Cerruti Lezioni di chimica 11-12

2 La definizione di mole La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12. Le entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle. Si tenga conto che raggruppamenti atomici importantissimi come l'idrossile OH, il carbossile COOH, il solfonile SO 3 non sono né atomi, né molecole né ioni.

3 La rete di reazioni che collega le sostanze semplici e composte C + O 2 CO 2 (1) H 2 + ½ O 2 H 2 O (2) C + ½ O 2 CO (3) C + H 2 O CO + H 2 (4) CO + 2 H 2 CH 3 OH (5)

4 Il rapporto fra quantità di sostanza in moli e massa in grammi Convertire 1,5 mol di ossigeno atomico in g Convertire 2,5 mol di ossigeno molecolare in g m.a.r. (O) 16; massa molare (O) 16 g mol -1 1,5 mol 16 g mol -1 = 24 g m.m.r. (O 2 ) 32; massa molare (O 2 ) 32 g mol -1 2,5 mol 32 g mol -1 = 80 g Convertire 2,5 mol di cloruro di sodio (NaCl) in g peso formula NaCl = 22, ,45 = 58,44 massa molare NaCl 58,44 g mol -1 2,5 mol 58,44 g mol -1 = 146,1 g Convertire 10 g di ammoniaca (NH 3 ) in moli m.m.r. (NH 3 ) 17 massa molare 17 g mol g /17 g mol -1 = 0,59 mol

5 La reazione chimica Si ha una reazione chimica quando una o più sostanze si trasformano in una o più sostanze diverse Si presentano casi diversi Una sostanza si trasforma in un'altra sostanza: A B Una sostanza si trasforma in più sostanze: A B + C Più sostanze si trasformano in una sostanza: A + B C Più sostanze si trasformano in altre sostanza: A + B C + D Le sostanze a sinistra del segno di reazione ( ) sono dette reagenti, le sostanze a destra non dette prodotti reagenti prodotti

6 Come descriviamo una reazione chimica Descriveremo una reazione generica con la scrittura: aa + bb + cc + dd + Questa scrittura è detta equazione chimica Con A, B, C, D indichiamo le formule delle sostanze che partecipano alla reazione Le formule possono essere molecolari (H 2 O, OH -, C 2 H 6 ) oppure indicanti semplicemente la composizione della sostanza (NaCl) Le formule rappresentano: le masse molari delle sostanze (livello macroscopico) la composizione atomica delle sostanze e le cariche delle entità microscopiche I coefficienti a, b, c, d indicano i rapporti quantitativi fra le sostanze che reagiscono; essi sono detti coefficienti stechiometrici

7 Bilanciamento di una reazione (di una equazione chimica) Una equazione bilanciata esprime l'uguaglianza numerica fra gli atomi dei reagenti e gli atomi dei prodotti, nonché la conservazione delle cariche Equazione non bilanciata: N 2 + H 2 NH 3 Equazione bilanciata: N H 2 2 NH 3 Una equazione bilanciata esprime i rapporti quantitativi fra le moli delle sostanze che partecipano alla reazione

8 Bilanciamento di una reazione (una procedura opportuna) Dovendo bilanciare una reazione si può seguire una successione di controlli e aggiustamenti: bilanciare i coefficienti dei metalli bilanciare i coefficienti dei metalloidi e dei semimetalli bilanciare i coefficienti dell'idrogeno bilanciare i coefficienti dell'ossigeno eseguire un controllo finale E' assolutamente necessario che siano conservati il numero di atomi e la carica netta

9 La reazione chimica e la conservazione dei nuclei e degli elettroni Durante una reazione chimica non vengono alterati i nuclei degli atomi e non cambia il numero di elettroni presenti Si conserva quindi il numero di atomi presenti per ciascun elemento, mentre può variare la loro carica attraverso il trasferimento di elettroni da una entità microscopica ad un'altra: 2Fe 2+ (aq) + Cl 2 (g) 2Fe 3+ (aq) + 2Cl - (aq) Si noti che in questa equazione sono indicate solo le entità che partecipano alla reazione. Sono presenti altri ioni 'spettatori', ad. es Cl - (aq) che bilanciano le cariche di Fe 2+ (aq) L'aumento di cariche sugli ioni ferrosi che diventano ferrici è compensato dalla formazione di ioni Cl - (aq)

10 La reazione chimica e la conservazione della massa La conservazione della massa durante le reazioni chimiche è una legge proposta da Lavoisier nel 1789 L'equivalenza Einsteniana fra massa ed energia non altera la validità di questa legge Si consideri una reazione esotemica in cui il sistema perde kj di energia sotto forma di calore; questa energia corrisponderebbe alla 'perdita di massa' di circa g, massa a sua volta corrispondente a quella di circa atomi di idrogeno Dal sistema non 'scompare' affatto massa, ma si ha solo perdita di energia e conservazione della massa

11 Conservazione della massa e dell'energia in chimica e in fisica In fisica massa ed energia obbediscono ad un'unica legge di conservazione, E = mc 2, in chimica utilizziamo due leggi di conservazione: la legge di Lavoisier e il primo principio della termodinamica Consideriamo la reazione nucleare 238 U 234 Th + 4 He + 6, J Malgrado si conservi la somma dei numeri di massa, la massa dei nuclei non è conservata. La perdita di 0,0045 u nel singolo evento nucleare porta alla comparsa di energia pari a 6, J Se consideriamo una mole di 238 U, il decadimento dell'intera mole sviluppa 6, J x 6, mol -1 = J mol -1 In una reazione chimica sono coinvolte energie dell'ordine di 400 kj mol -1, in una reazione nucleare le energie sono dell'ordine di kj mol -1

12 La reazione A B In una reazione del tipo A B le sostanze A e B hanno la stessa composizione elementare, ma una struttura diversa Un esempio classico: isocianato di ammonio urea NH 4 CNO CO(NH 2 ) 2 Queste reazioni sono dette di isomerizzazione

13 La reazione A B + C Quando una sostanza si trasforma in più sostanze: A B + C La reazione è detta di decomposizione Molte reazioni di decomposizione sono esplosive: 2KClO 3 (s) 2KCl (s) + 3O 2 (g)

14 La reazione A + B C Quando più sostanze si trasformano in una sostanza: A + B C La reazione è detta di sintesi La seguente reazione rappresenta la sintesi del metanolo CO + 2H 2 CH 3 OH Si parla propriamente di sintesi quando da sostanze più semplici si ottiene una sostanza più complessa: 2NH 3 + CO 2 CO(NH 2 ) 2

15 Le reazioni A + B C + D Consideriamo la reazione generica: A + B C + D Alcune reazioni di questo tipo hanno un nome specifico Reazione di spostamento, in cui un elemento 'sposta' un altro elemento da un composto: Zn (s) + 2HCl (aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) la freccia indica che nel sistema si sviluppa un gas Del tutto analoga è la reazione di sostituzione: Cl 2 (g) + CH 4 (g) CH 2 Cl 2 (g) + H 2 (g)

16 Le reazioni A + B C + D Fra le reazioni che avvengono in soluzione sono molto importanti le reazioni di doppio scambio, con una diversa 'unione' fra ioni: AgNO 3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO 3 (aq) la freccia indica che nel sistema si produce un 'precipitato' solido Si considera insolubile una sostanza quando la quantità massima che si può sciogliere è minore di 10-2 mol L -1

17 Equazione ionica netta La reazione fra nitrato di argento e cloruro di sodio può essere descritta con l'equazione ionica netta: Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl (s) qui compaiono solo le specie che effettivamente partecipano alla reazione

18 Reazioni di precipitazione e regole di solubilità Alcune semplici regole ci permettono di prevedere buona parte delle reazioni di precipitazione Composti solubili Composti dei metalli alcalini e dell'ammonio (NH 4+ ) Nitrati Cloruri, bromuri, ioduri (eccetto con Pb 2+, Ag +, Hg 2 2+ ) Solfati (eccetto con Sr 2+, Ba 2+, Pb 2+, Hg 2 2+ ) Composti insolubili Carbonati, idrossidi, solfuri Eccetto con i metalli alcalini Idrossidi e solfuri di Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ sono moderatamente solubili

19 Acidi e basi Acido: una sostanza in grado di fornire H + (aq) (E' una definizione provvisoria) HCl (g) + (aq) H + (aq) + Cl - (aq) Base: una sostanza in grado di fornire OH - (aq) (E' una definizione provvisoria) NaOH (s) + (aq) Na + (aq) + OH - (aq)

20 Reazioni acido-base Le reazioni acido-base seguono il modello A + B C Infatti, in soluzione acquosa avviene il processo H + (aq) + OH - (aq) H 2 O 2 Questa è la reazione di neutralizzazione