CHIMICA. appunti. Fatto male:

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1 CHIMICA appunti A partire che l'atomo diventa una scienza si inizia a parlare di chimica. Il chimico si occupa delle reazioni chimiche studiando come trasformare una sostanza in un'altra, cambiando i legami tra gli atomi (la disposizione); ma non si cambia il tipo di atomo e rimane anche uguale la quantità degli atomi! Un atomo di un certo tipo rimane sempre uguale! Tranne che in una fusione nucleare. L'atomo è incolore, è invisibile ed è inodore. Dalton nel 1805 ha scoperto l'atomo, usando anche studi di altre persone: legge della conservazione della massa (Lavoisier) e la legge dei rapporti costanti (Proust). La legge della conservazione della massa dice che durante una reazione chimica la massa non cambia (la materia). Ma perché questa legge è venuta così tardi? Perché alcuni sostenevano che la massa cambia durante una reazione chimica. Loro (altri studiosi) sostenevano: Fatto male: Allora la massa non rimane uguale? No perché l'esperimento è stato fatto male! Non tenevano conto della massa che scompariva nell'aria, dunque Lavoisier rifece l'esperimento con una cupola di vetro sopra il recipiente, così anche la massa che evaporava poteva essere pesata! Un altro esperimento che è stato fatto: Anche in questo esperimento Lavoisier utilizza una cupola di vetro per non far scappare alcun massa nell'aria. In questo modo la massa rimase uguale. Tutti gli esperimenti che fecero gli studiosi per contraddire alla legge di Lavoisier sono stati fatti male, perciò Lavoisier aveva fin dall'inizio ragione. La massa in sé è materia, dunque la legge della conservazione della massa è la legge della conservazione della materia. Questa legge è stata scoperta molto difficilmente, uno dei motivi era che Lavoisier non sapeva bene cosa era il calore, lui era convinto che fosse una massa imponderabile (che non si può pesare). In realtà non aveva tutto torto perché oggi si sa che il calore ha una massa così piccola che quasi è imponderabile.

2 Finalmente arriviamo alla seconda legge ponderabile (esistono tre leggi ponderabili che poi permettevano a Dalton di sviluppare il primo modello atomico, ma la terza non è molto importante): la legge dei rapporti (o proporzioni) costanti, scoperta da Proust nel Proust studiava il passaggio da due elementi a un composto (ad esempio: argento + ossigeno = ossido d'argento). Ricordiamo velocemente cosa è un elemento: una sostanza formata da atomi uguali (dello stesso tipo), ma Proust questo non lo sapeva ancora ma comunque gli chiamava elementi perché per lui erano una cosa molto semplice (elementare). Esperimento di Proust: Cosa ci dice questa legge? Quando due elementi reagiscono per formare un composto lo fanno secondo un rapporto di massa costante e caratteristico (perché ogni elemento che si fa reagire con un altro ha un rapporto diverso). In alcuni casi il rapporto deve essere di 2 e mezzo, cioè che una massa deve essere due volte e mezzo più grande dell'altra. Dalton si basa su queste due leggi (anche su una terza ma non ha molta importanza per la sua scoperta) e costruisce il primo modello atomico. Modello atomico di Dalton: 1. La materia allo stato fondamentale è costituita da particelle ben definite dette atomi: pieni e indivisibili. 2. Ci sono più tipi di atomi, ciascuno costituisce un elemento. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono uguali per massa e proprietà e sono diversi da quelli di tutti gli altri elementi per massa e proprietà. 3. Durante una reazione chimica gli atomi restano inalterati: non si creano, non si distruggono, non si depongono, non si trasformano gli uni negli altri. Semplicemente cambiano la loro disposizione relativa per formare nuove sostanze, ma sempre secondo dei rapporti ben precisi e definiti. Ha formato questo modello atomico grazie agli studi di Lavoisier, sulla conservazione della massa (dove si conservano in realtà gli atomi!) e grazie a Proust e la sua legge dei rapporti costanti (dove rimangono sostanti gli atomi!).

3 Spiegazione della legge di Proust con il modello atomico di Dalton La quantità dell'argento e dell'ossigeno devono essere uguali se non restano degli atomi che non sono stati utilizzati durante la reazione chimica. Al tempo di Dalton si conoscevano quasi 45 tipi di elementi (atomi), invece oggi sappiamo che son 90. Gli atomi sono legati tra di loro grazie a legami chimici e durante una reazione chimica gli atomi cambiano la loro disposizione (non si cambiano i legami). Non tutti accettarono il modello atomico di Dalton! Dalton propone inoltre dei simboli per gli singoli elementi, ma come gli raffigurava lui non aveva molto senso e non erano pratici (non si riusciva a intuire quale simbolo corrisponde a quale atomo). Inoltre rappresentava le sostanze composte male, lavorava molto con la simmetria. Dalton era complicato e prematuro. I suoi simboli furono dimenticati e sostituiti con quelli classici che usiamo ancora oggi. Perché Dalton usava cerchi per rappresentare gli elementi? Per far capire alla gente che gli atomi sono rotondi. Comunque il modo più semplice per rappresentare gli elementi era di usare le lettere (l'alfabeto). La prima lettera sempre in grande e la seconda in piccolo (tranne se è un composto, in quel caso tutte le due lettere sono scritte in grande e si lasciano stare le lettere minuscole). Infine, la lingua dalla quale derivano le sigle degli atomi è il latino. Adesso alcuni elementi che si possono confondere facilmente: Idrogeno H Potassio K Iodio I Rame Cu Elio He Radio Ra Azoto N Antimonio Sb Sodio Na Tungsteno W Zolfo S Mercurio Hg Fosforo P Oro Au Fluoro F La massa degli atomi non è sempre uguale. Dunque se raddoppiamo gli atomi non è detto che la massa raddoppi. Anche se gli atomi non si possono pesare, non hanno una massa assoluta. Ai tempi di Dalton si usavano solo masse relative (ancora oggi), dunque si prendeva come riferimento l idrogeno (che era 1 uma/da/u) e poi semplicemente si diceva che un certo atomo è (il fluoro ad esempio) 19 volte più pesante dell idrogeno. 1 atomo di idrogeno ha massa 1 uma (relativa). Però Dalton non sapeva che a volte non aveva ragione, ad esempio con l acqua; lui sosteneva che l ossigeno pesa 8 volte di più rispetto all idrogeno, ma in realtà pesa 16 di più (Dalton questo ovviamente non lo sapeva).

4 Masse relative: quante volte un certo atomo pesa di più rispetto all atomo d idrogeno (esempio: Carbonio 12 uma, dunque peserà 12 volte di più rispetto all idrogeno). Dalton aveva scelto l atomo d idrogeno perché era quello più semplice. Legge di Avogadro Il volume di un gas dipende dalla temperatura, dalla pressione e dal numero di particelle, ma non dipende dal tipo di gas. Conseguenza: volumi uguali di gas diversi misurati alle stesse condizioni di T e di P conterranno lo stesso numero di particelle. La materia si può presentare allo stato solido, liquido e gassoso. Solidi: hanno una forma proprio e un volume proprio. Liquidi: non hanno una forma propria, dipende dal recipiente ma anche loro hanno un volume proprio. Gas: non hanno una forma propria e neanche un volume proprio. Tra ogni singola particella di gas ci sono spazi vuoti (c è niente). Questo spiega anche il fatto che i gas sono comprimibili ed espandibili. Il volume di un liquido è 1000 volte più piccolo della stessa sostanza allo stato gassoso. Per studiare i fattori dei volumi dei gas si usano recipienti a volumi variabili. Se si mette un peso sul coperchio il volume del gas sottostante diminuisce, ma aumenta la pressione. - La pressione di un gas dipende dal volume, più il volume diminuisce più la pressione sale. - Mettendo però una fiamma sotto il cilindro la pressione sale e anche il volume, dunque il volume dipende anche dalla temperatura (come detto all inizio). Quest ultima affermazione (solo la seconda!) vale anche per i solidi (esempio: spazio tra i binari) e liquidi (esempio: termometro), naturalmente le deformazioni dei volumi è molto più nota nei gas. Riprendendo... Il volume di un gas non dipende dal tipo di gas ma dipende dalle condizioni (T e P). Sapendo questo era facilissimo costruire una tabella delle masse relative, naturalmente solo per i gas. Perché se prendo un litro di un gas ed un altro litro di un altro tipo di gas e poi gli peso so immediatamente quante volte le particelle del secondo gas pesano di più delle particelle del primo gas (sempre preso come riferimento l idrogeno), essendo i volumi uguali e anche il numero di particelle; a volte però questa regola non sarà giusta. Legge dei volumi

5 Riprendendo... Se raddoppiamo il numero di particelle di un gas si raddoppia automaticamente anche il suo volume. Adesso un calcolo fondamentale: Come calcolare la massa molecolare di una sostanza (composto)? - Unità di misura della massa molecolare: u (o u.m.a., cioè unità di massa atomica) - Calcolo MM x = massa molecolare della sostanza x, misurata in u. MA y = massa atomica dell elemento y. Per capire meglio il calcolo facciamo un esempio: MM C4H4N2 = 4 x MA C + 4 x MA H + 2 x MA N = 4 x 12,0 + 4 x 1, x 14,0 = 80,0 u. Adesso sappiamo che la sostanza pesa circa 80 volte di più rispetto all idrogeno. NB: per approssimare la MA di un elemento bisogna ricordare che per fare il calcolo servono sempre solo 3 cifre, cioè l intero numero non deve contenere più di 3 cifre. Bilanciamento di una reazione - Premessa Per bilanciare una reazione non esistono regole precise, ma una cosa deve essere chiara: il numero di atomi di un elemento dalla parte dei reagenti dev essere uguale al numero di atomi dello stesso elemento dalla parte dei prodotti. - Esempio reagenti prodotti Reazione non bilanciata: Reazione bilanciata: es.: 2 at. di O 3 at. di 0 (numero differente di atomi d ossigeno) CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O Si legge: il metano reagisce con l ossigeno a dare anidride carbonica e acqua. es.: 4 at. di O 4 at. di O (stesso numero di atomi d ossigeno) 1CH 4 + 2O 2 1CO 2 + 2H 2 O Si legge: per ogni molecola di metano reagiranno due molecole di ossigeno dando una molecola di CO 2 e due di H 2 O. NB: è un puro caso che le molecole del reagente e del prodotto sono in rapporto fra loro. - Conclusioni Se contiamo i numeri di atomi di un elemento nella reazione non bilanciata notiamo che sono differenti, però nella reazione bilanciata il numero di atomi di un elemento sono uguali.