Chimica. La Chimica è la scienza che cerca di comprendere il comportamento della materia studiando il comportamento di atomi e molecole

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1 Chimica La Chimica è la scienza che descrive la materia, le sue proprietà e le trasformazioni che essa subisce, insieme alle variazioni energetiche che accompagnano questi processi La Chimica è la scienza che cerca di comprendere il comportamento della materia studiando il comportamento di atomi e molecole 1

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3 La chimica: una scienza a tre livelli Macroscopico Microscopico Simbolico 3

4 In che modo le sostanze si combinano per formare altre sostanze? Quanta energia c è in gioco nelle trasformazioni che osserviamo? Come è costituita la struttura intima della materia? In che modo gli atomi e le loro combinazioni si correlano a quelle proprietà misurabili della materia come il colore, la durezza, la reattività chimica e la conducibilità elettrica? Quali fattori fondamentali influenzano la stabilità di una sostanza? Come possiamo far avvenire una certa trasformazione energeticamente sfavorita? Quali fattori controllano la velocità associata ad una trasformazione chimica? 4

5 Le branche della chimica Chimica Inorganica Chimica Organica Chimica Fisica Chimica Analitica Biochimica Scienza dei Materiali Etc. 5

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8 Metodi diversi di calcolo basati sulla velocità di espansione dell universo e sul decadimento dei nuclidi a vita lunghissima hanno portato a stimare un età dell universo intorno a 15 miliardi di anni a partire dal Big Bang. Per confronto, si consideri che la Terra ha circa 4.5 miliardi di anni, che la vita è comparsa sulla Terra circa 3.8 miliardi di anni fa, i primi organismi multicellulari 500 milioni di anni fa, i primati 70 milioni di anni fa e L homo sapiens meno di anni fa. Nulla sappiamo sull evento iniziale del Big Bang (t=0) né ha senso chiederci che cosa ci fosse prima: il tempo è nato col Big Bang e le leggi della fisica, compresa la legge della relatività generale di Einstein, 8 cessano di avere validità all inizio e alla fine del tempo

9 Solar System Earth s upper continental crust 9

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11 Elementi chimici e vita degli organismi 11

12 La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio L energia è definita come la capacità di compiere lavoro o di trasferire calore Nell universo la somma delle quantità di energia e materia è costante: E = mc 2 In chimica, la sostanza è una forma pura e unica di materia 12

13 Le sostanze La materia è costituita da sostanze Quando esse sono formate da atomi di una sola specie atomica si chiamano sostanze elementari Quando esse sono formate da atomi di specie diverse si chiamano sostanze composte o composti Le proprietà delle sostanze vengono definite chimiche o fisiche a seconda che sia coinvolta o meno la formazione di nuove sostanze. 13

14 Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l identità della sostanza in esame

15 Una proprietà chimica si riferisce all attitudine di una sostanza a mutarsi in un altra 15

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17 Le proprietà della materia possono essere ulteriormente classificate a seconda che esse dipendano o meno dalla quantità di sostanza presente Proprietà estensive (volume, massa, etc.) Proprietà intensive (temperatura, colore, etc.) 17

18 La materia si presenta in diversi stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso) a seconda della temperatura e della pressione.

19 Gli stati della materia Il Solido possiede forma e volume ben definiti Il Liquido possiede un volume definito e forma del contenitore Il Gas possiede forma e volume del contenitore

20 STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA: Solido Liquido Gas Ordine Disordine

21 Stato della Materia Gassoso Posizione delle Molecole Non interagenti Separate da grandi distanze Interazioni fra molecole Collisioni tra molecole Liquido Fortemente interagenti ma disordinatamente disposte Forze attrattive Solido Ordinate a formare un reticolo Grandi forze attrattive Quali sono le tipiche densità nei tre stati di aggregazione? Gas 10-3 g/cm 3 Liquidi-Solidi (Fasi condensate) 1-10 g/cm 3

22 La materia è costituita da atomi che si differenziano per le loro proprietà. Atomi con le stesse proprietà costituiscono gli elementi Ogni elemento ha un suo nome e simbolo, costituito da una o due lettere che normalmente corrispondono a quelle iniziali del relativo nome latino (Es N da nitrogenium, Au da aurum, Na natrium) 22

23 Tre sono le leggi fondamentali che regolano l andamento delle reazioni chimiche: 1. Principio di Lavoisier, Legge di conservazione della massa (1797) Durante una reazione chimica la quantità di materia è invariabile deve accadere: m 1 = m 2 A + B AB m 1 m 2 In una trasformazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale a quella dei prodotti ovvero Nulla si crea, nulla si distrugge ma tutto si trasforma 23

24 2. Legge dell invariabilità delle sostanze elementari: non si può trasformare un elemento in un altro: A ( elemento) B ( elemento) A B non avverrà mai (in una reazione chimica)!!!! 24

25 3. Legge delle proporzioni definite (Proust) In qualunque composto il rapporto fra le quantità in peso degli elementi costitutivi è definito e costante. Ogni composto ha una composizione costante, cioè contiene sempre gli stessi elementi secondo rapporti definiti e costanti, caratteristici del composto: 1) H 2 O acqua 2) H 2 O 2 perossido d idrogeno 3) N 2 O ossido di diazoto o protossido di azoto 4) NO ossido di azoto 5) N 2 O 3 triossido di diazoto o anidride nitrosa 6) NO 2 [N 2 O 4 ] biossido di azoto 7) N 2 O 5 pentossido di diazoto o anidride nitrica I composti 1-7 sono sempre formati dagli stessi elementi: idrogeno ed ossigeno (1-2), azoto ed ossigeno (3-7), ma ogni composto individua una sostanza con caratteristiche chimiche e fisiche differenti. 25

26 4. Legge delle proporzioni multiple (Dalton) Quando due elementi (A e B) possono combinarsi insieme in rapporti ponderali diversi per dare diversi composti, le quantità (in grammi) di uno di essi che nei vari casi si combinano con la medesima quantità dell altro possono essere espresse come un rapporto di numeri interi (piccoli): AB 1 AB 2 AB 3 AB 4

27 Ad esempio, 7 g di azoto (N) si combinano con l'ossigeno (O) nei seguenti modi: con 4 g di ossigeno formando 11 g di monossido di diazoto con 8 g formando 15 g di monossido di azoto con 12 g formando 19 g di triossido di diazoto con 16 g formando 23 g di biossido di azoto con 20 g formando 27 g di pentossido di diazoto. Tale esempio esprime come i grammi di ossigeno necessari a reagire con 7 g di azoto per formare composti diversi siano un multiplo di 4. 27

28 Avvalendosi delle teorie chimiche del tempo Dalton nel 1803 formulò la sua teoria atomica : materia formata da atomi, inalterabili ed indivisibili; in una stessa sostanza (elemento) gli atomi sono tutti uguali; gli atomi di diversi elementi differiscono per massa e per altre particolarità; le trasformazioni chimiche avvengono per unione o separazione di atomi tra di loro. 28

29 Fase Porzione omogenea di materia limitata da superfici di separazione ben definite Miscela Insieme di più individui chimici a) Omogenea : l insieme degli individui chimici che costituiscono un unica fase. Si chiama anche soluzione b) Eterogenea: l insieme degli individui chimici che costituiscono fasi diverse

30 Differenza tra miscele e composti Miscela I componenti si possono separare con l ausilio di tecniche fisiche La composizione è variabile Le proprietà sono affini a quelle dei componenti Composto I componenti non si possono separare con l ausilio di tecniche fisiche La composizione è costante Le proprietà sono diverse da quelle dei componenti

31 Tecniche di separazione Le miscele si separano ricorrendo alle differenze di proprietà fisiche tra i componenti; tra le tecniche basate su questo criterio vi sono la decantazione, la filtrazione, la cromatografia e la distillazione

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34 Uno specifico tipo di materia viene chiamato sostanza Sostanza pura Miscela

35 Una sostanza è un tipo particolare di materia che non può essere ulteriormente decomposta o purificata con metodi fisici. Ogni sostanza possiede proprie caratteristiche specifiche che sono diverse dall insieme delle proprietà di ogni altra sostanza Un composto è quella sostanza che, mediante metodi chimici, può essere trasformata in sostanze più semplici che mantengono sempre lo stesso rapporto di massa Un elemento è una sostanza che non può essere decomposta in sostanze più semplici mediante delle trasformazioni chimiche 35

36 Atomi Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche dette elettroni, protoni e neutroni. Protoni e neutroni formano un minuscolo, denso corpo centrale detto nucleo dell atomo. Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio intorno al nucleo. 36

37 Particelle subatomiche Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa protone (p) x C x g elettrone (e) x C x g neutrone (n) x g

38 Struttura dell atomo Gli atomi sono costituiti da un nucleo positivo e da elettroni negativi. Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å. Il raggio di un atomo è dell'ordine di 1 Å. Proporzione: 100m vs 1mm 38

39 Le molecole Le molecole sono aggregati discreti di atomi tenuti insieme da legami chimici Lo zolfo elementare brucia all aria con una fiamma azzurra e produce SO 2 39

40 Nuclidi A Z X Un nuclide è un atomo caratterizzato dal numero atomico Z (numero di protoni) e dal numero di massa A (numero di neutroni e di protoni). Il nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni. Il numero Z caratterizza la specie atomica H C O

41 Isotopi Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che differiscono per il numero di massa. Isotopi hanno lo stesso Z (numero atomico) ma differente A (numero di massa) Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale. Le specie atomiche sono 106, di cui 90 naturali; di queste, 81 hanno almeno un nuclide stabile C C

42 Unità di massa atomica 42