Cos è. la Chimica? G. Micera Chimica Generale e Inorganica

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1 Cos è la Chimica?

2 La Chimica descrive la materia, le sue proprietà, le trasformazioni che essa subisce, e le variazioni di energia associate

3 Materia è tutto ciò che ha massa e volume Energia è la capacità di effettuare lavoro o trasferire calore

4 Ogni corpo è una riserva di energia (per posizione, velocità, composizione chimica, etc.)

5 L energia può essere distinta in Energia cinetica (energia associata al movimento) Energia potenziale (energia associa- ta alla posizione di un corpo)

6 Forme di Energia Potenziale 1. Energia gravitazionale L energia posseduta da un oggetto sulla Terra. 2. Energia elettrostatica L energia posseduta da ioni positivi e negativi che si trovano a corta distanza

7 Energia potenziale

8 Forme di Energia Potenziale 3. Energia potenziale chimica L energia dovuta all attrazione degli elettroni ai nuclei negli atomi e nelle molecole. Quando gli atomi si riarrangiano gli elettroni si ridistribuiscono l energia potenziale cambia (aumenta( o diminuisce)

9 Cl atomi (H e Cl) energia molecole (H 2 e Cl 2 ) molecole (HCl) H 2 + Cl 2 2HCl

10 Tutti i processi chimici e fisici sono accompagnati da scambi di energia e possono essere esotermici o endotermici

11 Reazione esotermica Calore Sistema Calore

12 Conservazione della Materia Non si osserva alcuna variazione nella quantità di materia totale in una reazione chimica o in un processo fisico

13 Conservazione dell'energia L'energia non può essere nén creata nén distrut- ta. Essa può essere solo convertita da una for- ma in un'altra. L energia totale nell Universo è costante

14 Conservazione di Materia ed Energia La quantità totale di Materia ed Energia nell'universo è costante.

15 Stati di Aggregazione della Materia SOLIDO, LIQUIDO, GASSOSO

16 Passaggi di Stato SOLIDO LIQUIDO GASSOSO Processo fusione sublimazione solidificazione evaporazione condensazione brinamento Passaggio S L S G L S L G G L G S

17 Proprietà chimiche e fisiche Le proprietà chimiche sono le proprietà che la materia manifesta quando subisce variazioni di composizione Le proprietà fisiche si manifestano senza che vari la composizione della sostanza Le proprietà sono intensive o estensive.

18 In una trasformazione chimica uno o più tipi di materia sono consumati (almeno in parte), una o più nuovi tipi di materia si formano, si ha assorbimento o cessione di energia. In una trasformazione fisica non si ha alcuna variazione nella composizione chimica.

19 Sostanze Una sostanza (o sostanza pura) è un particolare tipo di materia che presenta un insieme di proprietà unico, tale da distinguerlo da tutti gli altri tipi di materia. L acqua è l unica sostanza che si presenta sempre come un liquido trasparente, con punto di fusione 0 C, 0 punto di ebollizione 100 C, e dend ensità 1 g/ml, ecc.

20 Ogni sostanza: è omogenea, ossia presenta proprietà identi- che in ogni sua porzione; è caratterizzata da una composizione unica e ben definita in ogni suo campione. L acqua è l unica sostanza composta da idrogeno ed ossigeno in rapporto atomico 2:1. La composizione (H 2 O) è costante e caratterizza ogni campione d acqua. d

21 Miscele: combinazioni di due o più sostanze. Una miscela omogenea presenta proprietà uniformi (soluzione): può essere solida, liquida e gassosa Una miscela eterogenea non è uniforme (è possibile distinguere più di una fase) In tutte le miscele la composizione può essere variata; ogni componente conserva le sue proprietà.

22 Le miscele possono essere separate con metodi fisici. Una sostanza non può essere ulteriormente suddivisa con metodi fisici. Un composto è una sostanza che può essere decomposta attraverso metodi chimici.

23 Le sostanze sono costituite da atomi. Sostanze elementari (o elementi): sostanze costituite da un solo tipo di atomi Composti: sostanze formate da atomi diversi Milioni e milioni di sostanze sono note. Pochissime di queste (un centinaio) sono SOSTANZE ELEMENTARI O ELEMENTI! Lo zolfo, il rame, il carbonio, l ossigeno, l lo zinco e il ferro sono sostanze elementari. L acido solforico, l anidride l carbonica e l ossido l di zinco sono composti.

24 Sostanze elementari molecolari N 2, O 2, P 4, O 2, S 8, F 2, Cl 2 Sostanze elementari non molecolari: : Cu(s)

25 Classificazione della materia

26 Gli atomi sono le unità costituenti le sostanze, i mattoni fondamentali della materia. Per ogni ELEMENTO esiste un ATOMO distinto. 90 elementi sono di origine naturale e 20 artificiali, per un totale di circa 110 elementi e dunque 110 tipi di atomi diversi. Ogni atomo è indicato con un SIMBOLO.

27 Teoria di Dalton (1803) la materia è composta di particelle indivisibili chiamate atomi; tutti gli atomi di un elemento hanno le stesse proprietà; nelle reazioni chimiche gli atomi conservano la propria identità e si ricombinano tra loro; gli atomi si combinano in rapporti di piccoli numeri interi.

28 - perché gli atomi di differenti elementi sono diversi? - perché l'atomo è indivisibile?

29 L atomo non è indivisibile e non è omogeneo, ma composto da particelle subatomiche ognuna con massa e carica elettrica.

30 - J. J. Thomson ( ) 1903) postulò l esistenza degli elettroni attraverso i tubi a raggi catodici - Ernest Rutherford (1911) introdusse l atomo nucleare, contenente un nucleo denso con elettroni che circolano nel suo intorno a grande distanza

31 - Robert Millikan (1909) esperimento delle gocce d olio per determinare la carica dell elettrone. - James Chadwick (1932) scoprì il neutrone

32 Esperimento di Thomson (Nobel 1906): scoperta degli elettroni: particelle negative comuni a tutti gli elementi. Modello di Thomson Atomo: sferetta omogenea carica di elettricità positiva nella quale sono immersi gli elettroni in numero tale da realizzare l elettroneutralità.

33 IL MODELLO DI THOMSON Il modello di Thomson, noto come a a panettone : a) la carica positiva è distribui- ta in modo continuo all inter inter- no dell atomo come in una nube. b) all interno di tale regione si muovono le cariche negative

34 Tramite un tubo catodico, in cui le particelle cariche (elettroni) possono essere accelerate, si misurò il rapporto tra la carica (e) e la sua massa (m), cioè: e m

35 L esperimento di Millikan permise di determinare la carica dell elettrone

36 Modello di Rutherford La carica positiva e la massa dell atomo sono concentrate in un nucleo centrale molto piccolo rispetto all intero atomo; lo spazio restante è essenzialmente vuoto ed è occupato dagli elettroni che sono in continua rotazione attorno al nucleo.

37 Attese Le particelle α passano senza cambiare direzione o subiscono una minima deflessione. Perchè? le cariche positive, distribuite uniformemente non sono capaci di fermare le particelle α

38 Modello di Rutherford La carica positiva e la massa dell atomo sono concentrate in un nucleo centrale molto piccolo rispetto all intero atomo; lo spazio restante è essenzialmente vuoto ed è occupato da elettroni che in continua rotazione attorno al nucleo.

39 Come sarebbe in scala l atomo? l Decidiamo di disegnare i protoni e i neutroni con il diametro di un centimetro. Gli elettroni dovrebbero avere un diametro più piccolo dello spessore di un capello. L'atomo intero avrebbe il diametro lungo più di 30 campi da calcio!

40 Il nucleo è formato dai protoni che hanno carica elettrica positiva e dai neutroni sprovvisti di carica elettrica; attorno al nucleo ruotano gli elettroni dotati di carica negativa.

41 Particelle subatomiche Elettrone -1 9,109x10-28 g Protone +1 1,673x10-24 g Neutrone 0 1,675x10-24 g carica dell elettrone: 1,6x10-19 coulomb unità di massa atomica (µ) massa 12 C = 12 µ 1 µ = 1,66x10-24 g

42 Tavola Periodica, Numeri Atomici e di Massa Numero di massa Numero atomico X Numero Atomico,, Z = numero di protoni nel nucleo (anche = numero di elettroni nell atomo neutro) Numero di Massa,, A = numero totale di protoni + neutroni nel nucleo Perciò A = Z + N (N = numero di neutroni = A - Z) )

43 Isotopi Nuclidi con lo stesso Z ma differente A possono esistere e si chiamano isotopi. Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale Le specie atomiche sono circa 110,, di cui 90 naturali; di queste, 81 hanno almeno un nuclide stabile. 12 C 6 14 C H 1 2 H 1 3 H 99,986 % 0,014 % 7x %

44 Gli isotopi di un particolare elemento esistono in differenti proporzioni o abbondanze: 16 O 99.8% Tutti e tre hanno lo stesso 17 O 0.037% numero di elettroni e sono 18 O 0.163% chimicamente indistinguibili.

45 ISOTOPI Esempio: 35 Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 18 neutroni 37 Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 20 neutroni

46 Esistono circa 300 isotopi stabili degli elementi. Per gli elementi con un numero di protoni compreso tra 1-20, 1 i nuclei stabili hanno circa 1 neutrone per ogni protone. Per gli elementi con più protoni, il rapporto tra neutroni e protoni aumenta fino ad 1.5 fino al nucleo stabile più grande.

47 All aumentare del numero dei protoni, aumenta il numero di neutroni richiesto per tenerli insieme. Quando Z diventa troppo elevato (> 83), il bilanciamento non si può realizzare: : i nuclei sono INSTABILI e si disintegrano. (radioattività)

48 massa 1 H = µ o u.m.a. o dalton massa 2 H = µ massa 16 O = µ massa 17 O = µ massa 18 O = µ massa del protone 1, µ massa del neutrone 1, µ massa dell elettrone 0, µ

49 16 O 17 O 18 O µ µ µ % 0.038% 0.200% massa atomica media: µ 126 I 100% µ massa atomica media: µ

50 Unità di massa atomica: 1/12 della massa di 12 C ( = 1, Alcune masse atomiche g) 24 g) H 1,008 He 4,003 Li 6,941 Be 9,012 B 10,811 C 12,011 N 14,007 O 15,999 F 18,998 Ne 20,180 Na 22,990 Mg 24,305 Al 26,982 Si 28,086 P 30,974 S 32,066 Cl 35,453 Ar 39,948

51 massa in u.m.a. miscela naturale massa in u.m.a. e 5,485x10-4 C 12,0111 n 1,0086 O 15, H 1,0078 F 18, H 2,0141 Cl 35,453 4 He 4,0026 Br 79, C 12,0000 U 238,03 19 F 18,9984 Md [258]*

52 Difetto di massa massa 16 O = µ 8 neutroni = 8x1, = 8, µ 8 protoni = 8x1, = 8, µ 8 elettroni = 8x0, = 0, µ massa totale = 16, µ differenza (difetto di massa)= 0, µ

53 Il nucleo ha una massa più piccola della somma delle particelle che lo compongono. La perdita di massa è un riflesso dell energia energia di legame del nucleo. E l energia che tiene unito il nucleo L energia è data da E = mc 2 Energia di legame = (difetto( di massa) c 2

54 Difetto di Massa & Energia di Legame Teoria di Einstein della Relatività massa ed energia sono equivalenti E = mc 2 DIFETTO DI MASSA Energia di Legame = m m c 2 c = velocità della luce (3.0x10 8 ms - 1 )

55 Energia di Legame del Nucleo di Elio L Elio ha massa x10-27 kg. m = ( Z m p + N m n ) - m nucleo Massa Massa Massa Protone Neutrone Nucleo Z = 2, m p = x10-27 kg N = 2, m n = x10-27 kg m m = x x10-27 = x10-27 kg Energia di Legame = m m c 2 = 4.545x10-12 J = 28.3 MeV E l energia liberata quando i nucleoni formano il nucleo. E l energia richiesta per scindere il nucleo nei suoi componenti.

56 Le energie di legame sono più grandi delle energie associate con le reazioni chimiche. Perciò le reazioni chimiche non coinvolgono variazioni nella composizione nucleare.

57 Per confrontare la stabilità di differenti nuclei, si confrontano le perdite di massa per ciascun nucleo, diviso il numero di particelle che essi contengono

58 Energia di Legame per Nucleone Fusione Rilascio di energia Fissione Rilascio di energia Dopo il Fe, il valore diminuisce. C è sempre minore colla per nucleone e i nuclei diventano sempre meno stabili. Sopra Z ~83 I nuclei sono instabili Curva dell energia energia di legame

59 Fissione nucleare Un atomo pesante (come l uranio 235) si scinde in due nuclei più piccoli : la somma delle masse dei due nuclei è minore di quella del nucleo originale. La massa mancante si è trasformata in energia. 80 milioni di kj per grammo di 235 U!! 50 kj per grammo quando si brucia il gas naturale.

60 Fusione nucleare Due nuclei atomici leggeri (come l idrogeno) si fondono in un nucleo più grande.. La massa finale è più piccola della somma delle masse iniziali, perciò si ha il rilascio di una enorme quantità di energia. Per provocare la fusione, è necessario costringere i nuclei carichi positivamente a collidere. Ciò è possibile solo ad alte temperature. Perciò, la reazione di fusione si chiama termonucleare.

61 Le reazioni di fissione e di fusione: nel Sole ogni secondo 700 milioni di tonnellate di idrogeno si trasformano in elio l elio prodotto ha una massa inferiore di circa 4 milioni di tonnellate rispetto all idrogeno di partenza.

62 Particelle Fondamentali Massa (kg) Carica (C) +1.6x x10-19 Massa (µ, amu)