Corso di Studi di Fisica Corso di Chimica

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1 Corso di Studi di Fisica Corso di Chimica Luigi Cerruti Lezione

2 A che punto siamo?

3 Il potenziale chimico Il potenziale chimico è una grandezza parziale molare ed è dato dalla derivata parziale dell'energia libera di Gibbs o energia di Gibbs G (T, p, n 1, n 2,... n k ) rispetto al numero di moli del componente i- esimo, mantenendo costante pressione, temperatura e composizione rispetto alle altre j-esime specie: Essendo G una funzione omogenea del primo ordine, per il teorema di Eulero si ha una relazione molto importante, e ricordando che T e p sono costanti: G = Σ i µ i n i =Σ i n i µ i L'energia libera di una miscela è la somma delle energie molari parziali dei diversi componenti chimici, moltiplicate per il loro numero di moli.

4 Il potenziale chimico Per un sistema ad un solo componente G/n = μ; il potenziale coincide con il valore dell energia di Gibbs molare G m,valore che abbiamo indicato anche con ΔG f : µ = G m Per un gas ideale, con p = 1 atm, vale l espressione: μ = μ + RT ln (p/p )

5 Energia di Gibbs Quoziente di reazione e costante di equilibrio Abbiamo ricavato importanti relazioni fra la variazione ΔG r dell energia di Gibbs dovuta ad una reazione nelle condizioni standard e il quoziente di reazione Q (concentrazioni qualunque) la costante di equilibrio K (concentrazioni all equilibrio) ΔG r = ΔG r + RT ln Q ΔG r = - RT ln k Un problema fisico: le sostanze reali non si comportano come i gas ideali e le soluzioni non sono soluzioni ideali Un problema matematico: dato che il logaritmo è una funzione trascendente i valori di Q e K vanno espressi come numeri puri e non come rapporti fra potenze delle concentrazioni o delle pressioni relative

6 Fugacità e attività Per superare i problemi posti dal comportamento reale delle sostanze e dall uso di funzioni trascendenti si sono elaborati i concetti di fugacità e attività La fugacità di un gas reale può essere definita come il valore f che rende vera l espressione: μ = μ + RT ln f La fugacità di un gas è il valore adimensionale che risulta dalla relazione f = c f p, dove c f ha le dimensioni dell inverso di una pressione Nelle trattazioni elementari ammettiamo che sia f = p, allora per un gas reale abbiamo: μ = μ + RT ln p In questa espressione p va inteso come un valore numerico adimensionale corrispondente alla pressione del gas reale Analogamente assumiamo che l attività di una j-esima sostanza reale in soluzione sia un valore adimensionale a j che poniamo numericamente eguale alla concentrazione [J]

7 Nomenclatura IUPAC Idrossidi e idracidi Per gli idrossidi (composti ternari) le regole sono le stesse per gli ossidi utilizzando il termine idrossido con l opportuno prefisso seguito dal nome del metallo la formula Ba(OH) 2 si legge diidrossido di bario Per gli idracidi (composti binari) la nomenclatura si ha aggiungendo la desinenza uro al nome del non metallo ad esempio HCl si legge cloruro di idrogeno

8 Nomenclatura tradizionale degli idracidi Nelle lezioni di questo corso si è sempre utilizzato il nome cloruro di idrogeno per indicare la sostanza HCl (g) e il nome acido cloridrico per indicare la sostanza HCl (aq)

9 Nomenclatura IUPAC Ossiacidi Per gli ossiacidi: Il nome si indica come acido [prefisso indicante il numero di atomi di ossigeno] osso [aggettivo derivato dal nome del non metallo]'' L'aggettivo derivato dal nome del non metallo deve terminare sempre in -ico si utilizza il termine osso per indicare l'ossigeno, preceduto da un prefisso che riporta il numero degli atomi di ossigeno (n.a.o.) tra parentesi tonde, tramite un numero romano, viene indicata il numero di ossidazione (n.o.) del non metallo Per scrivere correttamente la formula dell acido il numero degli atomi di idrogeno si ricava come differenza nei numeri di ossidazione: 2 n.a.o. n.o. = numero degli atomi di idrogeno ad esempio HNO 2 si chiamerà acido diossonitrico(iii));

10 Nomenclature usuale e IUPAC Ossiacidi Acido borico Acido nitroso Acido nitrico Acido solforoso Acido solforico Acido ipocloroso Acido cloroso Acido clorico Acido perclorico

11 Acidi e basi secondo Arrhenius

12 Ione H + e ione idronio Non possono esistere protoni liberi in soluzione Utilizziamo la notazione H + per semplicità Un acido di Arrhenius cede un protone ad una molecola d acqua formando lo ione idronio, o idrogenione La struttura è quella di una piramide trigonale regolare, piuttosto schiacciata Si noti che le cariche positive sono egualmente distribuite sugli atomi di idrogeno e che l atomo di ossigeno ha una carica negativa

13 Ione H + e ione di Zundel Lo ione idronio è così ricco di cariche elettriche che stenta a rimanere isolato L associazione più semplice è quella con un altra molecola d acqua, dando lo ione Zundel, H 5 O 2 + Georg Zundel è stato un chimico fisico tedesco, diventato biofisico Si noti che le cariche positive sugli atomi di idrogeno terminali non sono cambiate di molto. Si ha comunque un accumulo di cariche sull atomo di idrogeno condiviso

14 Ione H + e ione di Eigen Lo ione più stabile formato da un protone e molecole d acqua è lo ione di Eigen, formato con quattro molecole d acqua e di formula H 9 O + 4 Manfred Eigen è un chimico fisico tedesco, premio Nobel per la chimica 1967

15 Mobilità di H + Meccanismo di Grotthuss Il meccanismo di Grotthuss è un modello cinetico che spiega la particolare mobilità dello ione idrogeno in soluzione acquosa. Il meccanismo consiste in una serie di trasposizioni cooperative dello ione H + : il protone forma il catione ossonio H 3 O + e, tendendo a stabilire legami idrogeno O-H O con un atomo di ossigeno di un'altra molecola di acqua, subisce un "passaggio" da una molecola di acqua ad un'altra risultando in tal modo in netto movimento generato dal continuo rompersi e formarsi di legami covalenti negli ioni Zundel

16 Acidità e problemi di misura La misura dell acidità di una soluzione è rilevante per il controllo di molte fermentazioni industriali Søren Peter Lauritz Sørensen era un chimico danese a capo dei Laboratori della Carlsberg e propose una procedura per esprimere le concentrazioni dello ione H + Espresse in mol L -1 le concentrazioni [H 3 O + ] dello ione H + in molte soluzioni comuni si collocherebbero in un intervallo molto ristretto Risulta più conveniente esprimerle come ph = - log [H 3 O + ] Sørensen indicò con ph l acronimo di pondus Hidrogenii

17 ph = - log [H 3 O + ] ph è un valore che esprime l acidità o la basicità di una soluzione, indice della concentrazioni di ioni idrogeno disciolti nella soluzione stessa Acidità della soluzione e ph sono in relazione inversa maggiore è la concentrazione di idrogenioni, minore è il valore di ph e viceversa. L acqua pura, ha ph uguale a 7, valore che corrisponde a neutralità della soluzione. Quando il ph è inferiore a 7 la soluzione è acida, quando è superiore è basica, o alcalina.

18 Acidi e basi di uso quotidiano

19 poh e pk Analogamente al ph si definisce un poh: poh = - log[oh - ] Più in generale il valore negativo del logaritmo dell espressione numerica di una certa grandezza è spesso utilizzato in chimica quando si ha a che fare con valori numerici molto piccoli, così può risultare utile esprimere una costante di equilibrio come pk, anziché con il semplice valore K: pk = - logk

20 Acidi e basi Teoria di Brønsted e Lowry

21 Equilibri di Brønsted

22 Autoionizzazione dell acqua

23 Prodotto ionico dell acqua

24 Acido e base coniugata Costante acida, costante basica e K w

25 Acidi forti e deboli

26 ph di acidi e basi forti

27 Idrolisi dei sali