indice breve 1 Chimica, la scienza centrale 2 Appendici

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1 indice breve 1 Chimica, la scienza centrale 2 2 Atomi, Molecole e Ioni 32 3 Stechiometria: Rapporti di combinazione 72 4 Reazioni in soluzioni acquose Termochimica Teoria quantistica e struttura elettronica degli atomi Configurazione elettronica e Tavola periodica Legame chimico I: Concetti di base Legame chimico II: Geometria molecolare e teorie di legame Chimica organica Gas Forze intermolecolari, proprietà fisiche dei liquidi e dei solidi Proprietà fisiche dlle soluzioni Cinetica chimica Equilibrio chimico Acidi e Basi Equilibri acido-base ed equilibri di solubilità Entropia, energia ed equilibrio Elettrochimica Chimica nucleare Chimica ambientale Chimica di coordinazione Metallurgia e chimica dei metalli Elementi non metallici e loro composti Nuovi materiali 934 Appendici 1 Richiami di matematica A-1 2 Dati termodinamici a 1 atm e 25 C A-6 vi

2 indice generale Applicazioni xix Prefazione xx Per lo studente xxiii Sviluppo a 360 xxvii Ringraziamenti xxx 1 Chimica, la scienza centrale Studio della chimica 4 Chimica che potresti già conoscere 4 Metodo scientifico Classificazione della materia 6 Stati della materia 6 Elementi 6 Composti 6 Miscele Misurazione scientifica 8 Unità fondamentali del Sistema Internazionale 9 Massa 9 Temperatura 10 Unità derivate: volume e densità Proprietà della materia 14 Proprietà fisiche 14 Proprietà chimiche 15 Proprietà estensive e intensive Incertezza nella misura 15 Cifre significative 15 Calcoli con valori numerici misurati 16 Accuratezza e precisione Usare le unità e risolvere i problemi 20 Fattori di conversione 20 Analisi dimensionale controllare le unità di misura 20 2 Atomi, molecole e ioni Teoria atomica Struttura dell atomo 36 Scoperta dell elettrone 36 Radioattività 38 Protone e nucleo 39 Modello nucleare dell atomo 40 Neutrone Numero di massa, numero atomico e isotopi Tavola periodica 44 vii

3 viii indice 2.5 Scala delle masse atomiche e massa atomica media Molecole e composti molecolari 47 Molecole 47 Formula molecolare 48 Nomenclatura dei composti molecolari 49 Formula minima Ioni e composti ionici 55 Ioni atomici 55 Ioni poliatomici 56 Formule dei composti ionici 57 Nomenclatura dei composti ionici 58 Idrati 61 Composti inorganici più comuni 61 3 Stechiometria: Rapporti di combinazione Massa molecolare e peso formula Composizione percentuale dei composti Equazioni chimiche 76 Interpretare e scrivere le equazioni chimiche 76 Bilanciare le equazioni chimiche Mole e massa molare 82 Mole 82 Determinare la massa molare 84 Convertire tra loro massa, numero di moli e numero di particelle 84 Ricavare la formula minima dalla composizione percentuale Analisi per combustione 87 Determinazione della formula minima 87 Determinazione della formula molecolare Calcoli con le equazioni chimiche bilanciate 89 Moli di reagenti e prodotti 89 Masse di reagenti e prodotti Reagente limitante 92 Determinare il reagente limitante 92 Resa delle reazioni 96 4 Reazioni in soluzioni acquose Proprietà generali delle soluzioni acquose 112 Elettroliti e non elettroliti 112 Elettrolti forti e deboli Reazioni di precipitazione 117 Linee guida per determinare la solubilità di composti ionici in acqua 117 Equazioni molecolari 119 Equazioni ioniche 120 Equazioni ioniche nette Reazioni acido-base 121 Acidi e basi forti 122 Acidi e basi di Brønsted 122 Reazioni di neutralizzazione acido-base Reazioni di ossidoriduzione 126 Numeri di ossidazione 127 Ossidazione di metalli in soluzioni acquose 130 Bilanciamento di semplici equazioni redox 130 Altri tipi di reazioni redox Concentrazione delle soluzioni 136 Molarità 136 Diluizione 137 Stechiometria di reazioni in soluzione Reazioni in fase acquosa e analisi chimica 142 Analisi gravimetrica 142 Titolazioni acido-base 144

4 Indice ix 5 Termochimica Energia e variazioni di energia 160 Forme di energia 160 Variazioni di energia nelle reazioni chimiche 160 Unità di energia Introduzione alla termodinamica 163 Stati e funzioni di stato 163 Prima legge della termodinamica 164 Lavoro e calore Entalpia 167 Reazioni condotte a volume o pressione costante 167 Entalpia e variazioni di entalpia 168 Equazioni termochimiche Calorimetria 171 Calore specifico e capacità termica 171 Calorimetria a pressione costante 172 Calorimetria a volume costante Legge di Hess Entalpia standard di formazione Teoria quantistica e struttura elettronica degli atomi Natura della luce 194 Proprietà delle onde 194 Spettro elettromagnetico 195 Esperimento della doppia fenditura Teoria quantistica 197 Quantizzazione dell energia 197 Fotoni ed effetto fotoelettrico Teoria di Bohr dell atomo di idrogeno 200 Spettro atomico a righe dell idrogeno 201 Spettro a righe dell idrogeno Proprietà ondulatorie della materia 208 Ipotesi di de Broglie 208 Diffrazione degli elettroni Meccanica quantistica 210 Principio di indeterminazione 211 Equazione di Schrödinger 212 Descrizione quanto meccanica dell atomo di idrogeno Numeri quantici 213 Numero quantico principale (n) 213 Numero quantico del momento angolare (,) 213 Numero quantico magnetico (m, ) 213 Numero quantico di spin elettronico (m s ) Orbitali atomici 216 Orbitali s 216 Orbitali p 217 Orbitali d e altri ad alta energia 217 Energie degli orbitali Configurazione elettronica 219 Energia degli orbitali atomici in sistemi multi elettronici 219 Principio di esclusione di Pauli 220

5 x indice Principio dell Aufbau 221 Regola di Hund 221 Regole generali per scrivere le configurazioni elettroniche Configurazioni elettroniche e Tavola periodica Configurazione elettronica e Tavola periodica Storia della Tavola periodica Tavola periodica moderna 240 Classificazione degli elementi 241 Formule degli elementi nelle equazioni chimiche Carica nucleare efficace Andamento periodico delle proprietà degli elementi 246 Raggio atomico 246 Energia di ionizzazione 247 Affinità elettronica 250 Carattere metallico Configurazione elettronica degli ioni 252 Ioni degli elementi dei gruppi principali 253 Ioni degli elementi del blocco d Raggio ionico 254 Confronto fra raggi ionici e raggi atomici 255 Serie isoelettroniche Andamento periodico delle proprietà chimiche degli elementi dei gruppi principali 256 Andamento generale delle proprietà chimiche 257 Proprietà dei metalli più reattivi 258 Proprietà di altri elementi dei gruppi principali 260 Confronto fra gli elementi dei gruppi 1A (1) e 1B (11) 264 Variazione delle proprietà degli ossidi lungo un periodo legame chimico I: concetti di base Formule di Lewis Legame ionico 279 Energia reticolare 280 Ciclo di Born-Haber Legame covalente 284 Strutture di Lewis 284 Legami multipli 285 Confronto fra composti ionici e covalenti Elettronegatività e polarità 286 Elettronegatività 287 Momento di dipolo e cariche parziali Disegnare le strutture di Lewis Strutture di Lewis e carica formale Risonanza Eccezioni alla regola dell ottetto 296 Ottetti incompleti 297 Numeri dispari di elettroni 297 Ottetti espansi Entalpia di legame 300

6 Indice xi 9 Legame chimico II: Geometria molecolare e teorie di legame Geometria molecolare 314 Modello VSEPR 314 Geometria delle nuvole elettroniche e geometria molecolare 316 Deviazione dagli angoli di legame ideali 319 Geometria delle molecole con più di un atomo centrale Geometria molecolare e polarità Teoria del legame di valenza Ibridazione di orbitali atomici 327 Ibridazione di orbitali s e p 328 Ibridazione di orbitali s, p e d Ibridazione in molecole che contengono legami multipli Teoria dell orbitale molecolare 342 Orbitali molecolari di legame e antilegame 342 Orbitali molecolari s 343 Ordine di legame 343 Orbitali molecolari p 344 Diagrammi degli orbitali molecolari Teorie del legame e descrizione di molecole con legami delocalizzati Chimica organica Perché il carbonio è differente Classi di composti organici Rappresentare molecole organiche 375 Formule di struttura compatte 376 Strutture di Kekulé 376 Strutture schematiche 376 Risonanza Isomeria 382 Isomeria di struttura 382 Stereoisomeria Reazioni organiche 386 Reazioni di addizione 386 Reazioni di sostituzione 388 Altri tipi di reazioni organiche Polimeri organici 395 Polimeri di addizione 395 Polimeri di condensazione 396 Polimeri biologici 397

7 xii indice 11 Gas Proprietà dei gas 416 Caratteristiche dei gas 417 Pressione: definizione e unità di misura 417 Calcolare la pressione 418 Misurare la pressione Leggi dei gas 421 Legge di Boyle: la relazione pressione-volume 421 Legge di Charles e Gay-Lussac: la relazione temperatura-volume 423 Legge di Avogadro: la relazione quantità di materia-volume Equazione dei gas ideali 427 Derivare la legge dei gas ideali dalle leggi empiriche dei gas 427 Applicazioni dell equazione dei gas ideali Stechiometria di reazioni che coinvolgono gas 430 Calcolare il volume stechiometrico di un reagente in fase gassosa 431 Determinare le quantità dei reagenti consumati attraverso la variazione di pressione 432 Calcolare il volume di un prodotto gassoso Miscele di gas 434 Legge di Dalton delle pressioni parziali 434 Frazione molare 435 Problemi che coinvolgono l uso delle pressioni parziali Teoria cinetica dei gas 439 Applicazione alle leggi dei gas 440 Velocità molare 442 Diffusione e effusione Deviazioni dal comportamento ideale 445 Fattori che causano deviazioni dal comportamento ideale 445 Equazione di van der Waals Forze intermolecolari, proprietà fisiche dei liquidi e dei solidi Forze intermolecolari 462 Interazioni dipolo-dipoli 462 Legame a idrogeno 463 Forze di dispersione 465 Interazioni ione-dipolo Proprietà dei liquidi 468 Tensione superficiale 468 Viscosità 468 Tensione di vapore Struttura cristallina 472 Celle elementari 472 Impaccamento di sfere 473 Impaccamento compatto Tipi di cristalli 480 Cristalli ionici 480 Cristalli covalenti 482 Cristalli molecolari 483 Cristalli metallici Solidi amorfi 484

8 Indice xiii 12.6 Passaggi di fase 484 Passaggio di fase liquido-vapore 485 Passaggio di fase solido-liquido 486 Passaggio di fase solido-vapore Diagrammi di fase Proprietà fisiche delle soluzioni Tipi di soluzione Processo di dissoluzione a livello molecolare 507 Importanza delle forze intermolecolari 507 Energia ed entropia nella formazione della soluzione Modi di esprimere la concentrazione 511 Molalità 512 Percentuale in massa 512 Confronto tra i modi di esprimere la concentrazione Fattori che influenzano la solubilità 515 Temperatura 515 Pressione Proprietà colligative 517 Abbassamento della tensione di vapore 517 Innalzamento ebullioscopico 519 Abbassamento crioscopico 521 Pressione osmotica 522 Soluzioni di elettroliti Calcoli con le proprietà colligative Colloidi Cinetica chimica Velocità di reazione 544 Velocità media di reazione 544 Velocità istantanea 546 Stechiometria e velocità di reazione Dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti 551 Legge di velocità 551 Determinazione sperimentale della legge di velocità Dipendenza della concentrazione dei reagenti dal tempo 555 Reazioni del primo ordine 555 Reazioni del secondo ordine Dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura 562 Teoria degli urti 562 Equazione di Arrhenius Meccanismi di reazione 568 Reazioni elementari 568 Stadio determinante la velocità di reazione 569 Supporto sperimentale ai meccanismi di reazione Catalisi 573 Catalisi eterogenea 574 Catalisi omogenea 575 Enzimi: catalizzatori biologici 575

9 xiv indice 15 Equilibrio chimico Concetto di equilibrio Costante di equilibrio 594 Calcolo delle costanti di equilibrio 595 Valori delle costanti di equilibrio Equazioni di equilibrio 599 Equilibri eterogenei 599 Calcoli con le equazioni di equilibrio Uso delle equazioni di equilibrio per risolvere i problemi 606 Prevedere il verso di una reazione 606 Calcolo delle concentrazioni all equilibrio Fattori che influenzano l equilibrio chimico 611 Aggiunta o rimozione di una sostanza 612 Variazioni di volume e pressione 614 Variazioni di temperatura 615 Catalisi Acidi e basi Acidi e basi di Brønsted Proprietà acido-base dell acqua Scala di ph Acidi e basi forti 644 Acidi forti 644 Basi forti Acidi deboli e costanti di ionizzazione acide 647 Costante di ionizzazione, K a 648 Calcolare il ph dalla K a 648 Utilizzare il ph per determinare la K a Basi deboli e costanti di ionizzazione basiche 652 Costante di ionizzazione, K b 652 Calcolare il ph dalla K b 653 Utilizzare il ph per determinare la K b Coppie acido-base coniugate 654 Forza di un acido coniugato e di una base coniugata 654 Relazione tra K a e K b in una coppia coniugata acido-base Acidi diprotici e poliprotici Struttura molecolare e forza degli acidi 660 Acidi alogenidrici 660 Ossoacidi 660 Acidi carbossilici Propietà acido-base delle soluzioni saline 662 Soluzioni di sale basico 662 Soluzioni di sale acido 664 Soluzioni di sale neutro 665 Sali in cui si ha l idrolisi sia del catione sia dell anione Proprietà acido-base 667 Ossidi di metalli e di non metalli 667 Idrossidi basici e anfoteri Acidi e basi di Lewis 668

10 Indice xv 17 Equilibri acido-base ed equilibri di solubilità Effetto dello ione a comune Soluzioni tampone 683 Calcolo del ph di un tampone 684 Preparazione di una soluzione tampone a uno specifico ph Titolazioni acido-base 690 Titolazioni acido forte-base forte 691 Titolazioni acido debole-base forte 693 Titolazioni acido forte-base debole 696 Indicatori acido-base Equilibri di solubilità 700 Espressione del prodotto di solubilità e K ps 701 Calcoli con il K ps e solubilità 701 Previsioni nelle reazioni di precipitazione Fattori che influenzano la solubilità 705 Effetto dello ione a comune 705 ph 707 Formazione dello ione complesso Separazione di ioni attraverso le differenze di solubilità 712 Precipitazione frazionata 712 Analisi qualitativa di ioni metallici in soluzione Entropia, energia ed equilibrio Processi spontanei Entropia 726 Probabilità 726 Microstati 727 Entropia standard 729 Variazioni di entropia in un sistema Seconda e terza legge della termodinamica 733 Variazioni di entropia nel sistema 733 Variazioni di entropia nell ambiente 734 Terza legge della termodinamica Energia libera di Gibbs 736 Variazioni di energia libera standard 738 Uso di DG e DG nella risoluzione di problemi Energia libera e equilibrio chimico 742 Relazione tra DG e DG 742 Relazione tra DG e K Termodinamica dei sistemi viventi 746

11 xvi indice 19 Elettrochimica Bilanciamento delle reazioni redox Celle galvaniche Potenziali standard di riduzione Spontaneità delle reazioni redox in condizioni di stato standard Spontaneità delle reazioni redox in condizioni diverse dallo stato standard 773 Equazione di Nerst 773 Celle a concentrazione Batterie 777 Pile a secco e batterie alcaline 777 Accumulatori al piombo 777 Batterie a ioni litio 778 Pile a combustibile Elettrolisi 780 Elettrolisi di cloruro di sodio fuso 780 Elettrolisi dell acqua 780 Elettrolisi di una soluzione acquosa di cloruro di sodio 781 Applicazione quantitativa dell elettrolisi Corrosione Chimica nucleare Nuclei e reazioni nucleari Stabilità dei nuclei 799 Andamento della stabilità nucleare 800 Energia di legame nucleare Radioattività naturale 804 Cinetica del decadimento radioattivo 805 Datazione basata sul decadimento radioattivo Reazioni nucleari Fissione nucleare Fusione nucleare Utilizzo degli isotopi 817 Analisi chimica 817 Isotopi in medicina Effetti biologici delle radiazioni Chimica ambientale Atmosfera terrestre Fenomeni negli strati più esterni dell atmosfera 833 Aurora boreale e aurora australe 833 Misterioso bagliore dello Space shuttle Diminuzione dell ozono nella stratosfera 835 Buco dell ozono ai poli Vulcani Effetto serra Piogge acide Smog fotochimico 845

12 Indice xvii 21.8 Inquinamento tra le mura domestiche 846 Rischi derivanti dal radon 846 Anidride carbonica e monossido di carbonio 848 Formaldeide Chimica di coordinazione Composti di coordinazione 858 Proprietà dei metalli di transizione 858 Leganti 860 Nomenclatura dei composti di coordinazione Struttura dei composti di coordinazione Legame nei composti di coordinazione: teoria del campo cristallino 867 Separazione del campo cristallino nei complessi ottaedrici 867 Colore 868 Proprietà magnetiche 869 Complessi tetraedrici e planari quadrati Reazioni dei composti di coordinazione Applicazioni dei composti di coordinazione Mettalurgia e chimica dei metalli Distribuzione dei metalli in natura Processi metallurgici 883 Pretrattamento del minerale 883 Produzione dei metalli 883 Metallurgia del ferro 884 Produzione dell acciaio 885 Purificazione dei metalli Teoria delle bande e conduttività 888 Conduttori 888 Semiconduttori Andamento periodico delle proprietà dei metalli Metalli alcalini Metalli alcalino-terrosi 893 Magnesio 894 Calcio Aluminio Elementi non metallici e i loro composti Proprietà generali dei non-metalli Idrogeno 906 Idruri binari 907 Isotopi dell idrogeno 908 Idrogenazione 909 Economia basata sull idrogeno Carbonio Azoto e Fosforo 911 Azoto 911 Fosforo Ossigeno e Zolfo 916 Ossigeno 916 Zolfo Alogeni 921 Preparazione e proprietà generali degli alogeni 923 Composti degli alogeni 925 Utilizzo degli alogeni 926

13 xviii indice 25 Nuovi materiali Polimeri 936 Polimeri di addizione 936 Polimeri di condensazione Materiali ceramici e compositi 945 Materiali ceramici 945 Materiali compositi Cristalli liquidi Materiali biomedicali 949 Impianti dentali 950 Materiali per tessuti molli 950 Articolazioni artificiali Nanotecnologie 952 Grafite, buckyball e nanotubi Semiconduttori Superconduttori 956 Appendici 1 Richiami di matematica A-1 2 Dati termodinamici a 1 atm e 25 C A-6 Glossario G-1 Risposte ai problemi di numero dispari AP-1 Crediti C-1 Indice analitico I-1

14 Applicazioni Box degli interrogativi A che cosa assomigliano le molecole? 5 Quanto sono importanti le unità di misura? 14 Come puoi accrescere le tue possibilità di successo nel corso di chimica? 21 Chi era Dalton? 35 Come si misura la massa atomica? 43 Come si assegnano i nomi agli ossoanioni e gli ossiacidi? 59 Come faccio a ricordare tutte queste reazioni? 98 Come si fa a stabilire se un composto è un elettrolita? 116 Come si assegnano i numeri di ossidazione? 128 Perché nella parte superiore della Tavola periodica compaiono due tipi di numerazione? 242 A che cosa si deve l andamento periodico delle proprietà? 245 I dipoli di legame possono annullarsi nelle molecole complesse? 322 Come si rappresentano gli elettroni di un orbitale? 324 Come si assegna il nome ai composti organici? 368 Come si assegna il nome a composti con gruppi funzionali specifici? 372 Come si assegna il nome alle molecole con più di un sostituente? 374 Come si determina la struttura dei cristalli? 476 La Sindone di Torino è realmente la veste di sepoltura di Cristo? 563 Che cosa succede se l equazione di equilibrio contiene solo gas? 603 Che cosa succede alle unità di misura nelle costanti di equilibrio? 622 La chimica nella vita quotidiana La scala di temperatura Fahrenheit 11 La distribuzione degli elementi sulla Terra 45 La stechiometria del metabolismo 80 L invenzione del Gatorade 114 Capacità termica e ipotermia 174 Puntatori laser 199 Laser 207 Gli elementi chimici della vita 239 Ossa radioattive 265 La potenza dei radicali 298 Perché il monossido di carbonio è tossico? 348 Luce polarizzata e film 3D 385 Attività biologica degli enantiomeri 385 Reazioni S N La chimica della vista 394 L ossigenoterapia iperbarica 438 La struttura delle proteine 464 I pericoli dei passaggi di fase 489 La solubilità delle vitamine 509 I fluidi endovenosi 524 Emodialisi 527 Catalisi e ubriachezza 577 Produzione di emoglobina ad alta quota 617 Gli antiacidi e il bilanciamento del ph nello stomaco 642 La difesa del ph del sangue 689 Celle a concentrazione biologiche 776 La radioattività nel tabacco 819 La chimica di coordinazione nel trasporto di ossigeno 874 L importanza del molibdeno 883 Polimeri conduttori di elettricità 943 xix