INDICE. Prefazione. I fondamenti. D.5 Il nome di alcuni composti organici comuni F38 XIII. E Mole e massa molare

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1 Indice V INDICE Prefazione I fondamenti Introduzione e orientamento La chimica e la società La chimica: una scienza a tre livelli Come si fa scienza Le branche della chimica Padroneggiare la chimica XIII A. Materia ed energia F5 F1 F1 F1 F2 F3 F4 F5 A.1 Le proprietà fisiche F6 A.2 La forza F10 A.3 L energia F11 B Elementi e atomi F15 F17 B.1 Gli atomi F17 B.2 Il modello nucleare F18 B.3 Gli isotopi F19 B.4 L organizzazione degli elementi F21 C I composti F23 F24 C.1 Che cosa intendiamo per composti? F24 C.2 Le molecole e i composti molecolari F25 C.3 Gli ioni e i composti ionici F27 D La nomenclatura dei composti F30 F31 D.1 La denominazione dei cationi F31 D.2 La denominazione degli anioni F32 D.3 La denominazione dei composti ionici F33 «IN PRATICA» D.1 Come denominare i composti ionici F34 D.4 La denominazione dei composti molecolari inorganici F35 «IN PRATICA» D.2 Come denominare i composti molecolari inorganici semplici F36 D.5 Il nome di alcuni composti organici comuni F38 F39 E Mole e massa molare F40 E.1 La mole F40 E.2 La massa molare F42 F47 F La determinazione della formula chimica F49 F.1 La composizione percentuale in massa F49 F.2 La determinazione della formula empirica F50 F.3 La determinazione della formula molecolare F52 G Miscele e soluzioni F53 F55 G.1 La classificazione delle miscele F55 G.2 Le tecniche di separazione F56 G.3 La concentrazione F57 G.4 La diluizione F60 «IN PRATICA» G.1 Come calcolare il volume di soluzione madre necessario per realizzare una determinata diluizione F61 F62 H Le equazioni chimiche F64 H.1 I simboli nelle reazioni chimiche F64 H.2 Il bilanciamento delle equazioni chimiche F66 F68 I Soluzioni acquose e precipitazione F69 I.1 Gli elettroliti F69 I.2 Le reazioni di precipitazione F71 I.3 Equazioni ioniche ed equazioni ioniche nette F71 I.4 Mettiamo all opera la precipitazione F73 F75 J Acidi e basi F76 J.1 Gli acidi e le basi in soluzione acquosa F77 J.2 Acidi e basi forti e deboli F78 J.3 La neutralizzazione F80 F81

2 VI Indice K Le reazioni Redox F82 K.1 L ossidazione e la riduzione F82 K.2 Il numero di ossidazione: teniamo traccia degli elettroni F83 «IN PRATICA» K.1 Come assegnare il numero di ossidazione F84 K.3 Agenti ossidanti e riducenti F85 K.4 Il bilanciamento delle equazioni redox semplici F87 L La stechiometria delle reazioni F88 F90 L.1 La previsione da mole a mole F90 L.2 La previsione da massa a massa F91 «IN PRATICA» L.1 Come effettuare i calcoli da massa a massa F91 L.3 L analisi volumetrica F93 «IN PRATICA» L.2 Come interpretare la titolazione F94 M I reagenti limitanti F97 F99 M.1 La resa delle reazioni F100 M.2 I limiti della reazione F101 «IN PRATICA» M.1 Come identificare il reagente limitante F101 M.3 L analisi per combustione F105 F108 Capitolo 1 Gli atomi: il mondo quantico 2 L osservazione degli atomi Il modello nucleare dell atomo Le caratteristiche della radiazione elettromagnetica Gli spettri atomici 7 La teoria quantistica Radiazione, quanti e fotoni Il dualismo onda-corpuscolo della materia Il principio di indeterminazione Funzioni d onda e livelli energetici 19 L atomo di idrogeno Il numero quantico principale Gli orbitali atomici Lo spin elettronico La struttura elettronica dell idrogeno 34 La struttura degli atomi multielettronici L energia degli orbitali Il principio di Aufbau 36 «IN PRATICA» 1.1 Come prefigurare la configurazione elettronica dello stato fondamentale degli atomi La struttura elettronica e la tavola periodica 41 Il carattere periodico delle proprietà atomiche Il raggio atomico Il raggio ionico L energia di ionizzazione L affinità elettronica L effetto della coppia inerte Le relazioni diagonali Le proprietà generali degli elementi Come facciamo a sapere... che l elettrone possiede uno spin? L elaborazione della tavola periodica Capitolo 2 I legami chimici 60 I legami ionici Gli ioni formati dagli elementi I simboli di Lewis La formazione dei legami ionici Le interazioni tra ioni 64 I legami covalenti Le strutture di Lewis Le strutture di Lewis delle specie poliatomiche 69 «IN PRATICA» 2.1 Come formulare la struttura di Lewis delle specie poliatomiche La risonanza 73 «IN PRATICA» 2.2 Come utilizzare la carica formale per stabilire qual è la struttura di Lewis più probabile La carica formale 76 Le eccezioni alla regola dell ottetto Radicali e biradicali Gli strati di valenza espansi Le strutture inconsuete di alcuni composti del gruppo 13/III 82 Legami ionici e legami covalenti La correzione del modello covalente: l elettronegatività La correzione del modello ionico: la polarizzabilità 85 Forza e lunghezza dei legami covalenti La forza dei legami La variazione della forza del legame La lunghezza dei legami Che cosa ha a che fare questo con... la sopravvivenza. L autoconservazione chimica Come facciamo a sapere... la lunghezza di un legame chimico La spettroscopia nell infrarosso 97

3 Indice VII Capitolo 3 Forma e struttura delle molecole 99 Il modello VSEPR Il modello VSEPR elementare Molecole che presentano coppie solitarie sull atomo centrale 104 «IN PRATICA» 3.1 Come applicare il modello VSEPR Le molecole polari 108 La teoria del legame di valenza I legami sigma e pi greco La promozione elettronica e l ibridazione degli orbitali Altri tipi di ibridizzazioni comuni Le caratteristiche dei legami multipli 117 La teoria degli orbitali molecolari I limiti della teoria di Lewis Gli orbitali molecolari La configurazione elettronica delle molecole biatomiche 123 «IN PRATICA» 3.2 Come determinare la configurazione elettronica e l ordine di legame di una specie biatomica omonucleare Il legame nelle molecole biatomiche eteronucleari Gli orbitali nelle molecole poliatomiche Le frontiere della chimica. I farmaci scoperti e i farmaci progettati Come facciamo a sapere... che gli elettroni non sono appaiati? Come facciamo a sapere... l energia degli orbitali molecolari? La spettroscopia nell ultravioletto e nel visibile 138 Capitolo 4 Le proprietà dei gas 140 La natura dei gas L osservazione dei gas La pressione Le unità di misura alternative della pressione 143 Le leggi dei gas Le osservazioni sperimentali Le applicazioni della legge del gas ideale 148 «IN PRATICA» 4.1 L utilizzazione della legge del gas ideale La densità dei gas La stechiometria delle reazioni tra gas Le miscele gassose 156 Il moto molecolare Diffusione ed effusione Il modello cinetico dei gas La distribuzione di Maxwell delle velocità 165 I gas reali Le deviazioni dal comportamento ideale La liquefazione dei gas Le equazioni di stato dei gas reali Come facciamo a sapere... la distribuzione delle velocità molecolari? Capitolo 5 Liquidi e solidi 179 Le forze intermolecolari Le origni delle forze intermolecolari Le forze ione-dipolo Le forze dipolo-dipolo Le forze di London Il legame a idrogeno Le repulsioni 187 La struttura dei liquidi L ordine nei liquidi Viscosità e tensione superficiale 189 Le strutture solide La classificazione dei solidi I solidi molecolari I solidi reticolari I solidi metallici Le celle elementari Le strutture ioniche 200 Le conseguenze sui materiali I cristalli liquidi I liquidi ionici Come facciamo a sapere... qual è l aspetto di una superficie? La diffrazione dei raggi X 212 Capitolo 6 I materiali inorganici 214 I materiali metallici Le proprietà dei metalli Le leghe L acciaio Le leghe non ferrose 218 I materiali duri Il diamante e la grafite Il carbonato di calcio I silicati Il cemento e il calcestruzzo 224

4 VIII Indice Boruri, carburi e nitruri I vetri Le ceramiche 227 I materiali per le nuove tecnologie Il legame nello stato solido I semiconduttori I superconduttori I materiali luminescenti I materiali magnetici I materiali compositi 236 I nanomateriali La natura e gli impieghi dei nanomateriali I nanotubi La preparazione dei nanomateriali Capitolo 7 La prima legge della termodinamica 246 Sistemi, stati ed energia I sistemi Lavoro ed energia Il lavoro di espansione Il calore La misura del calore La prima legge Interludio molecolare: l origine dell energia interna 262 L entalpia Il trasferimento del calore a pressione costante La capacità termica a volume o a pressione costante Interludio molecolare: l origine della capacità termica dei gas L entalpia dei cambiamenti fisici Le curve di riscaldamento 272 L entalpia delle trasformazioni chimiche L entalpia di reazione La relazione tra DH e DU L entalpia standard di reazione La combinazione delle entalpie di reazione: la legge di Hess 278 «IN PRATICA» 7.1 Come utilizzare la legge di Hess Il calore scambiato nelle reazioni L entalpia standard di formazione Il ciclo di Born-Haber L entalpia di legame La variazione dell entalpia di reazione con la temperatura Come facciamo a sapere... la forma della curva di riscaldamento? Che cosa ha a che fare questo con... l ambiente? I combustibili alternativi Capitolo 8 La seconda e la terza legge della termodinamica 302 L entropia Le trasformazioni spontanee Entropia e disordine Le variazioni di entropia Le variazioni di entropia che accompagnano i cambiamenti di stato fisico L interpretazione molecolare dell entropia L equivalenza tra entropia statistica ed entropia termodinamica L entropia standard molare L entropia standard di reazione 323 I cambiamenti di entropia globali L ambiente La variazione complessiva dell entropia L equilibrio 330 L energia libera Concentriamoci sul sistema L energia libera di reazione L energia libera e il lavoro non espansivo L effetto della temperatura Le variazioni di energia libera nei sistemi biologici Le frontiere della chimica. La ricerca dello zero assoluto Capitolo 9 Gli equilibri fisici 350 Fasi e transizioni di stato La pressione di vapore Volatilità e forze intermolecolari La variazione della pressione di vapore con la temperatura L ebollizione Il congelamento e la fusione I diagrammi di stato Le proprietà critiche 360 La solubilità I limiti della solubilità La regola del simile discioglie il simile Pressione e solubilità dei gas: la legge di Henry La temperatura e la solubilità L entalpia di dissoluzione L energia libera di dissoluzione 369 Le proprietà colligative La molalità 370 «IN PRATICA» 9.1 Come si utilizza la molalità 371

5 Indice IX 9.15 L abbassamento della pressione di vapore Innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico L osmosi 378 «IN PRATICA» 9.2 Le proprietà colligative nella determinazione della massa molare 380 Le miscele liquide binarie La pressione di vapore delle miscele liquide binarie La distillazione Gli azeotropi 386 Le conseguenze in biologia e sui materiali I colloidi Biomateriali e materiali biomimetici Le frontiere della chimica. La somministrazione guidata dei farmaci La cromatografia 399 Capitolo 10 Gli equilibri chimici 401 Le reazioni all equilibrio La reversibilità delle reazioni L equilibrio e la legge dell azione di massa L origine termodinamica delle costanti di equilibrio Il grado di avanzamento della reazione Il verso di svolgimento della reazione 414 Le costanti di equilibrio La costante di equilibrio in funzione della concentrazione molare dei gas Le forme alternative della costante di equilibrio L utilizzazione delle costanti di equilibrio 419 «IN PRATICA» 10.1 Come costruire e utilizzare una tabella di equilibrio 420 La risposta degli equilibri al mutamento delle condizioni L aggiunta e la sottrazione di reagenti La compressione della miscela di reazione La temperatura e l equilibrio I catalizzatori e il successo di Haber Le conseguenze per la biologia: l omeostasi Capitolo 11 Acidi e basi 442 La natura degli acidi e delle basi Gli acidi e le basi di Brønsted-Lowry Gli acidi e le basi di Lewis Ossidi acidi, basici e anfoteri Lo scambio di protoni tra molecole di acqua La scala del ph Il poh delle soluzioni 454 Gli acidi e le basi deboli Le costanti di acidità e di basicità L altalena coniugata La struttura molecolare e la forza acida La forza degli ossiacidi 462 Il ph delle soluzioni di acidi e di basi deboli Le soluzioni di acidi deboli 465 «IN PRATICA» 11.1 Come calcolare il ph della soluzione di un acido debole Le soluzioni di basi deboli 468 «IN PRATICA» 11.2 Come calcolare il ph della soluzione di una base debole Il ph di soluzioni saline 470 Gli acidi e le basi poliprotici Il ph di una soluzione di acido poliprotico Le soluzioni di sali degli acidi poliprotici La concentrazione delle specie solute 479 «IN PRATICA» 11.3 Come calcolare la concentrazione di tutte le specie nella soluzione di un acido poliprotico La composizione e il ph 482 L autoprotolisi e il ph Le soluzioni molto diluite di acidi e di basi forti Le soluzioni molto diluite di acidi deboli Che cosa ha a che fare questo con... l ambiente? Le piogge acide e il patrimonio genetico Capitolo 12 Gli equilibri in soluzione acquosa 497 Le soluzioni miste e i tamponi L azione tampone La costruzione di un tampone La capacità tamponante 504 Le titolazioni Le titolazioni acido forte-base forte 505 «IN PRATICA» 12.1 Come calcolare il ph durante la titolazione acido forte-base forte Le titolazioni acido forte-base debole e acido debole-base forte 509 «IN PRATICA» 12.2 Come calcolare il ph durante la titolazione di un acido debole o di una base debole Gli indicatori acido-base La stechiometria delle titolazioni degli acidi poliprotici 517

6 X Indice Gli equilibri di solubilità Il prodotto di solubilità L effetto dello ione in comune Prevedere la precipitazione La precipitazione selettiva La dissoluzione dei precipitati La formazione di ioni complessi L analisi qualitativa Che cosa ha a che fare questo con... la sopravvivenza? I tamponi fisiologici Capitolo 13 L elettrochimica 538 La rappresentazione delle reazioni Redox Le semireazioni Il bilanciamento delle equazioni redox 539 «IN PRATICA» 13.1 Come bilanciare le equazioni redox complicate 540 Le celle galvaniche La struttura delle celle galvaniche Il potenziale di cella e l energia libera di reazione La notazione delle celle 550 «IN PRATICA» 13.2 Come formulare la reazione di cella corrispondente a un certo diagramma di cella I potenziali standard La serie elettrochimica I potenziali standard e le costanti di equilibrio 560 «IN PRATICA» 13.3 Come calcolare le costanti di equilibrio dai dati elettrochimici L equazione di Nernst Gli elettrodi ione-selettivi 566 Le celle elettrolitiche L elettrolisi I prodotti dell elettrolisi 569 «IN PRATICA» 13.4 Come prevedere il risultato dell elettrolisi 570 Le conseguenze sui materiali Le applicazioni dell elettrolisi La corrosione Le celle di impiego pratico Le frontiere della chimica. Le pile a combustibile Capitolo 14 La cinetica chimica 586 Le velocità di reazione La concentrazione e la velocità di reazione La velocità istantanea di reazione Le leggi cinetiche e l ordine di reazione 591 La concentrazione e il tempo Le leggi cinetiche integrate del primo ordine Il tempo di dimezzamento delle reazioni del primo ordine Le leggi cinetiche integrate del secondo ordine 604 I meccanismi di reazione Le reazioni elementari Le leggi cinetiche delle reazioni elementari Le reazioni a catena Velocità ed equilibrio 613 I modelli di reazioni L effetto della temperatura La teoria degli urti La teoria dello stato di transizione 622 Accelerare le reazioni La catalisi I catalizzatori industriali I catalizzatori viventi: gli enzimi Come facciamo a sapere... che cosa accade agli atomi durante la reazione? Come facciamo a sapere... che cosa succede durante l urto tra molecole? Che cosa ha a che fare questo con... l ambiente. La protezione dello strato di ozono Il calcolo 639 Capitolo 15 Gli elementi: i gruppi principali 640 La periodicità Le proprietà degli atomi I legami e il loro andamento 642 L idrogeno L elemento I composti dell idrogeno 647 Il gruppo 1: i metalli alcalini Gli elementi del gruppo I composti di litio, sodio e potassio 651 Il gruppo 2: i metalli alcalinoterrosi Gli elementi del gruppo I composti del berillio, del magnesio e del calcio 655 Il gruppo 13/III: la famiglia del boro Gli elementi del gruppo 13/III Gli ossidi e gli alogenuri del gruppo 13/III I borani e i boroidruri 662

7 Indice XI Il gruppo 14/IV: la famiglia del carbonio Gli elementi del gruppo 14/IV Gli ossidi del carbonio e del silicio Altri importanti composti del gruppo 14/IV 669 Il gruppo 15/V: la famiglia dell azoto Gli elementi del gruppo 15/V I composti con l idrogeno e con gli alogeni Ossidi e ossiacidi dell azoto Ossidi e ossiacidi del fosforo 677 Il gruppo 16/VI: la famiglia dell ossigeno Gli elementi del gruppo 16/VI I composti con l idrogeno Ossidi e ossiacidi dello zolfo 684 Il gruppo 17/VII: gli alogeni Gli elementi del gruppo 17/VII I composti degli alogeni 688 Il gruppo 18/VIII: i gas nobili Gli elementi del gruppo 18/VIII I composti dei gas nobili Che cosa ha a che fare questo con... l ambiente? L effetto serra Le frontiere della chimica. I materiali autoassemblanti Capitolo 16 Gli elementi: il blocco d 699 Gli elementi del blocco d e i loro composti L andamento delle proprietà fisiche L andamento delle proprietà chimiche 702 Alcuni elementi in rassegna Dallo scandio al nichel I gruppi 11 e I complessi e i composti di coordinazione I complessi 713 «IN PRATICA» 16.1 La nomenclatura dei complessi dei metalli d e dei composti di coordinazione La forma dei complessi Gli isomeri 719 La struttura elettronica dei complessi La teoria del campo cristallino La serie spettrochimica Il colore dei complessi Le proprietà magnetiche dei complessi La teoria del campo dei ligandi Che cosa ha a che fare questo con... la sopravvivenza. Perché i metalli d sono importanti nella nostra dieta Come facciamo a sapere... che un complesso è otticamente attivo? Capitolo 17 La chimica nucleare 739 La disintegrazione radioattiva Le prove della disintegrazione radioattiva spontanea Le reazioni nucleari L andamento della stabilità nucleare La previsione del tipo di disintegrazione nucleare La nucleosintesi 746 La radiazione nucleare Gli effetti biologici della radiazione La misura della velocità della disintegrazione nucleare Gli impieghi dei radioisotopi 756 L energia nucleare Le trasformazioni massa-energia La fissione nucleare La fusione nucleare La chimica dell energia nucleare Che cosa ha a che fare questo con... la sopravvivenza. La medicina nucleare Come facciamo a sapere... quando è radioattivo un materiale? Capitolo 18 Chimica organica I: gli idrocarburi 770 Gli idrocarburi alifatici I tipi di idrocarburi alifatici 770 «IN PRATICA» 18.1 La nomenclatura degli idrocarburi alifatici Gli isomeri Le proprietà degli alcani Le reazioni di sostituzione degli alcani Le proprietà degli alcheni L addizione elettrofila 782 I composti aromatici La nomenclatura degli areni La sostituzione elettrofila 784 Le conseguenze sui materiali: i carburanti Le benzine Il carbon fossile La spettrometria di massa 794

8 XII Indice Capitolo 19 Chimica organica II: i polimeri e i composti biologici 796 I gruppi funzionali comuni Gli aloalcani Gli alcoli Gli eteri I fenoli Le aldeidi e i chetoni Gli acidi carbossilici Gli esteri Ammine, amminoacidi e ammidi 802 «IN PRATICA» 19.1 Come denominare i composti semplici in possesso di gruppi funzionali 804 Le conseguenze sui materiali La polimerizzazione per addizione La polimerizzazione per condensazione I copolimeri Le proprietà fisiche dei polimeri 811 Le conseguenze di ordine biologico Le proteine I carboidrati Gli acidi nucleici Le frontiere della chimica. I polimeri conduttori La risonanza magnetica nucleare 827 Fonti delle illustrazioni 829 Indice analitico 831 Appendice 1 Simboli, unità di misura e tecniche matematiche Appendice 2 I dati sperimentali Appendice 3 La nomenclatura Glossario

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