La chimica è la materia che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia.

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1 1 INTRODUZIONE ALLA CHIMICA GENERALE La chimica è la materia che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia. Si definisce materia tutto ciò che ha una massa ed occupa un volume. La massa è la quantità di materia di un corpo e si misura quindi in kg (o suoi multipli o sottomultipli). Lo strumento necessario per la determinazione della massa è quindi la bilancia. Il volume è lo spazio che un corpo occupa. Esso si può esprimere in litri, (l, cl, ml, ecc.) o in metri cubi (cm 3, mm 3, ecc.). Ad esempio, il volume di un sassolino lo si può determinare immergendolo in un cilindro graduato mezzo pieno d acqua. Da quanto aumenta il livello dell acqua nel cilindro si ricava il volume del sasso. La densità o, più correttamente, la massa volumica, (una volta chiamato peso specifico) è la quantità di materia in unità di volume, per cui si ottiene dal rapporto tra la massa e il volume: d = m v Si esprime in kg/m 3. Un corpo molto denso è quello che ha molta materia in poco volume. Elementi e composti. La materia, i corpi e qualunque oggetto, sono costituiti da elementi. Il rapporto tra corpi ed elementi è come quello tra un libro e le diverse lettere dell alfabeto con cui questo libro è scritto. Con una ventina di lettere è possibile costruire un infinità di parole! Analogamente, con circa un centinaio di elementi esistenti in natura, è possibile costruire una infinità di parole che corrispondono ai composti. Come la combinazione di due o più lettere dell alfabeto forma le parole, la combinazione di due o più elementi forma i composti. La parte più piccola in cui può essere scomposto un elemento è l atomo. Gli atomi che costituiscono un elemento sono tutti uguali tra loro. Esistono in natura tanti tipi di atomi quanti sono gli elementi. Alcuni materiali omogenei (ad esempio il sale puro, lo zucchero puro, lo zolfo puro), aventi sempre la stessa composizione, sono definiti sostanze. La chimica si occupa in gran parte dello studio dei processi attraverso cui le sostanze possono trasformarsi in altre sostanze. Secondo la Teoria Atomica la materia è costituita da piccolissime particelle dette atomi. Le sostanze costituite da un solo tipo di atomi vengono chiamate elementi. (ad es.: zolfo, ossigeno, idrogeno, azoto, rame, ecc.). Le sostanze costituite da più di un tipo di atomo sono chiamate composti (es.: zucchero, sale). L insieme di atomi da luogo a molecole, che risultano perciò costituite da atomi uguali o diversi. Gli atomi che costituiscono un composto sono presenti secondo un rapporto definito e costante.

2 2 LA MATERIA E I SUOI STATI DI AGGREGAZIONE La materia può trovarsi in tre stati di aggregazione: Solido Liquido Gassoso Prendiamo l acqua: in natura la si può trovare come acqua di fiume o di lago o di mare, o solida come la neve o il ghiaccio; oppure, ancora, sotto forma di vapore nell aria. I solidi hanno forma propria e volume proprio. Le particelle che formano un solido sono strettamente avvicinate le une alle altre e disposte in ordine regolare, secondo le tre direzioni dello spazio; non sono libere di muoversi come allo stato liquido o gassoso. I Liquidi hanno volume proprio, ma non hanno forma propria: assumono la forma del recipiente che li contiene. Quando si parla di volume bisogna precisare sempre la temperatura poiché, al variare di essa, il volume può subire un aumento o una diminuzione. Le particelle formanti un liquido sono meno strettamente avvicinate le une alle atre, disposte con un certo disordine, con notevole libertà di movimento. I gas non hanno forma propria né volume proprio, ma tendono ad occupare lo spazio e ad assumere la forma del recipiente che li contiene. Le particelle formanti un gas sono disposte con un disordine estremo e tanto distanziate le une dalle altre. Le forze che tengono unite le particelle di un solido sono in genere molto intense. Le forze esistenti fra le particelle formanti un liquido sono deboli. I gas hanno forze attrattive debolissime, quasi inapprezzabili, data la distanza esistente fra particella e particella. Ciò giustifica l estremo disordine e la loro libertà di movimento.

3 2.1 I PASSAGGI DI STATO I tre stati di aggregazione in cui può trovarsi la materia dipendono dalle condizioni ambientali di temperatura e pressione in cui si trova. Al variare di queste condizioni si può avere il passaggio da uno stato all altro. Prendiamo ancora ad esempio l acqua: portandola da liquida alla temperatura di 0 C e alla pressione di 760 mm Hg, essa comincerà a trasformarsi in ghiaccio, quindi a passare dallo stato liquido a quello solido. Questo passaggio si chiama solidificazione. Prendiamo ora il ghiaccio: aumentiamo gradatamente la temperatura e vedremo che, ad un certo punto esso comincia a sciogliersi. Questo fenomeno si chiama fusione. Le temperature in cui avvengono i due passaggi di stato si chiamano rispettivamente: temperatura di solidificazione e temperatura di fusione, ed hanno lo stesso valore, ciò coincidono. E interessante osservare come, durante questi due passaggi la temperatura della materia (acqua o ghiaccio) rimanga costante finché non ne è avvenuta la completa fusione o solidificazione. L altro passaggio di stato è l evaporazione: con un ulteriore aumento della temperatura alcune molecole di acqua abbandonano la superficie della massa liquida e passano allo stato di vapore. Quando ciò avviene in maniera rapida si chiama ebollizione, e la temperatura in cui inizia a verificarsi è la temperatura di ebollizione. Il passaggio inverso, da vapore a liquido, si chiama condensazione; la condensazione è un fenomeno molto comune, basti pensare alla formazione della rugiada, della nebbia e delle nuvole. Può succedere che una sostanza passi direttamente dallo stato solido a quello di vapore, senza passare per lo stato liquido: questo fenomeno è la sublimazione (ne è un esempio la naftalina). Può succedere però anche il fenomeno inverso: che una sostanza gassosa diventi solida, senza passare attraverso lo stato liquido. In natura succede, ad esempio, che l umidità dell aria (acqua allo stato di vapore) in seguito all abbassamento brusco della temperatura al di sotto degli 0 C, diventi ghiaccio e si formi la brina. Il fenomeno si chiama brinamento. Ogni volta che si ha un passaggio di stato, oltre a dover precisare il valore della temperatura, occorre precisare anche quello della pressione. I passaggi di stato sono semplici trasformazioni dello stato fisico della materia, mentre le proprietà chimiche non subiscono alcuna variazione. I passaggi di stato sono, inoltre, trasformazioni reversibili, cioè possono avvenire nelle due opposte direzioni. Variando le condizioni di temperatura o di pressione si può, quindi, far avvenire un cambiamento di stato o quello opposto.

4 3 LA TEORIA ATOMICA, L ATOMO DI DALTON E IL PESO ATOMICO All inizio dell 800, un chimico inglese, John Dalton, in seguito ad alcuni esperimenti, elaborò una teoria atomica che può essere riassunta nei seguenti punti: a) la materia è costituita da atomi; b) l atomo è indivisibile; c) l atomo è la più piccola parte di un elemento; d) gli atomi non si possono trasformare in altri atomi; e) gli atomi non possono essere né creati, né distrutti; f) gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro, cioè hanno tutti lo stesso peso, la stessa forma, le stesse dimensioni; g) le reazioni chimiche consistono nella unione e nella separazione di atomi; h) alle reazioni chimiche gli atomi partecipano sempre integri, senza mai frazionarsi. Se gli atomi sono talmente piccoli da risultare invisibili anche ai più sofisticati microscopi, figuriamoci se può essere possibile determinarne direttamente il peso! Però è facile immaginare e possibile constatare che i diversi elementi abbiano un loro diverso peso, come il punto f) ci dice. Conoscendo dalla formula chimica in quale rapporto gli atomi degli elementi si uniscono per formare un composto e misurando direttamente la quantità in peso con cui questi elementi si combinano, è possibile ottenere un rapporto che corrisponde a quante volte un elemento pesa più di un altro elemento. Si ottiene così un peso relativo, il Peso Atomico. Il Peso Atomico di un elemento esprime quante volte l atomo di un elemento pesa più dell unità prescelta. L unità di riferimento stabilita corrisponde alla dodicesima parte del peso di un atomo di carbonio (P.A. = 12). Questa unità prende il nome di unità di massa atomica (U.M.A.).* Sapendo a quanti grammi corrisponde detta unità di misura, si può immediatamente risalire al peso assoluto, in grammi, di un qualunque atomo: moltiplicando il peso atomico per il peso in grammi dell unità di riferimento. Una unità di massa atomica equivale a 1,66 x grammi. Per fare un esempio, un atomo di idrogeno, il cui peso atomico è 1,008 U.M..A, ha un peso assoluto che è uguale a: 1,008 X 1,66 X g = 1,673 x g. (prova a fare qualche esempio anche tu). (* l unità di massa atomica è detta anche Dalton. Essa corrisponde al peso di un protone o di un neutrone).

5 Per rappresentare un atomo possiamo disegnare qualcosa che ci ricorda il sistema solare, in cui gli elettroni sono come i pianeti in orbita attorno al sole, che rappresenta il nucleo dell atomo: orbita protone (carica elettrica positiva) neutrone (senza carica elettrica) nucleo elettrone(carica elettrica negativa) l atomo qui rappresentato ha: - il numero atomico = 1 - il numero di massa = 2 ed è elettricamente neutro I protoni e gli elettroni hanno cariche uguali ma opposte; il numero di elettroni è uguale a quello dei protoni, quindi un atomo è neutro. Il neutrone è una particella priva di carica e avente più o meno la stessa massa del protone. La massa di un atomo è dato dalla somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo di un atomo. NB: il nucleo è la zona dell atomo in cui è concentrata quasi tutta la massa e la carica positiva dell atomo. Esso ha un raggio di circa volte più piccolo di quello dello stesso atomo.

6 4 IL LINGUAGGIO DELLA CHIMICA Sebbene vi siano poco più di cento elementi, esistono milioni di composti conosciuti dai chimici. Evidentemente è più comodo rappresentare gli elementi ed i composti mediante simboli e formule, per semplificare le scritture. Simboli e formule chimiche ci aiutano a riconoscere e a classificare un vasto numero di sostanze con le quali il chimico lavora, e costituiscono la base del linguaggio chimico. I simboli chimici degli elementi sono una forma di semplificazione, in quanto sostituiscono l intero nome di un elemento: così, ad esempio, Al rappresenta l atomo di alluminio. La formula chimica è una combinazione di simboli e spesso dei numeri, i quali informano sul tipo e sulla quantità di atomi che formano la molecola di un composto. I numeri, posti in basso a destra del simbolo, indicano dunque le proporzioni nelle quali gli elementi si trovano in un composto. L acqua, per esempio, è costituita dagli elementi idrogeno H e ossigeno O, e la sua formula chimica è H2O. Il numero 2, piccolo e posto in basso, dopo l H sta ad indicare che in quella molecola vi sono 2 atomi di idrogeno. L ossigeno non è seguito da nessun numero, perciò è sottinteso che nella molecola di acqua è presente solo un atomo di ossigeno. Una formula mette quindi in evidenza due cose: - gli elementi presenti nel composto (informazione qualitativa) - il numero relativo di atomi presenti di ciascun elemento (informazione quantitativa). Esempio: quali e quanti atomi di ciascun elemento sono presenti nei composti di questa tabella? COMPOSTO FORMULA ELEMENTI e rispettiva quantità Ammoniaca NH3 Azoto (1) ammoniaca (3) Glucosio C6H12O6 Carbonio (6) idrogeno (12) ossigeno (6) Sale da cucina NaCl Sodio (1) Cloro (1) Acqua ossigenata H2O2 Idrogeno (2) ossigeno (2) Candeggina NaClO Sodio (1) Cloro (1) Ossigeno (1)

7 Gli elementi si possono trovare costituiti da atomi singoli, come ad esempio l elio (He), il ferro (Fe), ecc.; alcuni elementi sono, invece, costituiti da molecole e vengono rappresentati con formule: P4 è una molecola di fosforo formata da 4 atomi; Se scrivo: 2P4 voglio quindi indicare due molecole di fosforo. Molti elementi hanno molecole biatomiche, come ad esempio: l idrogeno H2 l ossigeno O2 l azoto N2 il ferro F2 il cloro Cl2 il bromo Br2 lo iodio I2 Proviamo a rappresentare con disegni le diverse situazioni: P4 è una molecola di fosforo 4He sono quattro atomi di elio 3H2 sono tre molecole biatomiche di idrogeno