APPUNTI DI CHIMICA GENERALE Curati dal Prof. Miceli Gli appunti che seguiranno sono frutto di anni di esperienza, di tanta passione per questa disciplina e dell amore nato dall insegnamento in gran parte dovuto a molti alunni che hanno prestato la loro attenzione e il loro affetto. (Miceli)
Sommario unità didattiche 1. La materia 2. Le trasformazioni chimiche 3. La struttura dell atomo 4. La disposizione degli elettroni negli atomi 5. La tavola periodica 6. I legami chimici 7. La struttura delle molecole 8. Reazioni e nomenclatura dei composti inorganici 9. La mole 10. I solidi 11. I liquidi e le soluzioni 12. Gli aeriformi 13. L energia delle reazioni 14. La cinetica delle reazioni 15. Gli equilibri chimici 16. Gli acidi e le basi e il ph 17. Le reazioni di ossidoriduzione 18. L elettrochimica 19. Uso dei composti inorganici 20. La chimica dei materiali
Prima unità didattica La Materia
Definizione di chimica La chimica è la scienza che studia la materia, le sue proprietà,la sua composizione, la sua struttura e le sue trasformazioni
La chimica è una scienza Utilizza il metodo scientifico o sperimentale Questo metodo ha inizio con Galileo e viene consolidato da Newton
Fasi del metodo scientifico 1. Osservazione del fenomeno: vengono fatte misurazioni, mettere in risalto il problema,la regolarità del fenomeno (legge scientifica: la relazione tra fenomeni naturali nelle stesse condizioni è sempre la stessa es. legge della conservazione della massa di Lavoiser) 2. Formulazione di un ipotesi: una legge descrive in forma sintetica un fenomeno ma non lo spiega. La formulazione delle ipotesi intende scoprire le cause del fenomeno. L ipotesi è un tentativo di spiegazione di una legge. 3. Verifica sperimentale dell ipotesi: si eseguono una serie di esperimenti riproducendo le condizioni dei fenomeni di partenza. Se i risultati non mostrano contraddizioni rispetto all ipotesi di partenza, si può concludere che questa è verificata, cioè è corretta. In caso contrario bisogna formulare un ipotesi differente. 4. Elaborazione di una teoria: quando un ipotesi viene verificata su ampia scala, essa viene riconosciuta dalla comunità scientifica come conoscenza acquisita, diventa una teoria e può essere utilizzata come ipotesi per altri fenomeni. Quindi la teoria spiega la legge. Es. la teoria di Dalton spiega la legge di Proust in un composto chimico gli elementi si combinano sempre in un rapporto in peso definito e costante. La teoria spesso è rappresentata con modelli, es. i modelli molecolari in 3 D o grafici rappresentano la teoria particellare della materia
Materia Tutto ciò che possiede una massa e occupa un volume, sia visibile che invisibile solida liquida materia aeriforme organica miscugli inorganica Sostanza pura
Massa È la quantità di materia contenuta in un corpo (Newton). Oggi si definisce come massa: la misura dell inerzia di un corpo, cioè la resistenza che esso oppone a qualsiasi variazione del suo stato di quiete o di moto. Nel S.I. si misura in Kg La massa si misura con la bilancia a due piatti, cioè per confronto con masse campioni, dove: m1=massa campione; m2= massa da misurare m1xg=m2xg alla stessa accelerazione di gravità g m1=m2 Da non confondere con il peso
Peso Indica la forza con cui un corpo viene attratto dal centro della gravità (centro della terra) P = m x g Si misura nel S.I. in newton (N). 1N= 1Kgxm/sec 2 Il peso si misura con il dinamometro
Volume È lo spazio che occupa un corpo nel S.I. si misura in m 3 Nei solidi regolari si misura calcolandone le dimensioni, in quelli irregolari immergendo il corpo in un cilindro graduato in base all aumento del livello del liquido Nei liquidi si usa oltre il cilindro anche burette, pipette, matracci graduati. In Chimica le unità di misura maggiormente utilizzate sono il cm3 (per i solidi) e il ml (per i liquidi) 1cm 3 = 1ml 1dm 3 = 1 L
Densità È il rapporto tra massa e volume d=m/v Nel S.I. si misura in Kg/m 3, si può usare il g/cm 3 o g/ml Siccome il volume cambia al variare di temperatura e pressione, la densità di ogni sostanza deve essere relativa a temperatura e pressioni specifica. Ogni sostanza pura ha un valore di densità che ne permette la sua identificazione La densità è una grandezza intensiva, cioè non dipende dalla quantità della sostanza ne dal volume
Densità a 20 C e p 1 atm sostanza sostanza Densità g/cm3 o o g/ml sostanza sostanza Densità g/cm3 o o g/ml CO2 0,00198 benzene 0,880 Aria 0,00129 Sn 7,29 N2 N 2 0,00125 Al 2,71 H 2 H2 0,0000899 Ag 10,53 CH4 4 0,000716 C 2,26 O2 O 2 0,00133 Fe 7,87 acetone 0,791 Au 19,30 H2O 2 O 0,9982 Pb 11,35 Etere dietilico 0,714 Cu 8,93
Densità a 20 C e p 1 atm sostanza Densità g/cm3 o g/ml sostanza Densità g/cm3 o g/ml Li 0,53 Legno 0,512 K 0,86 Alcol etilico 0,789 Si 2,33 Olio di semi 0,926 Na 0,89 Zucchero 1,59 Zn 7,14 HCl 1,63 S 2,07 Argon 1,78 Cl 2 3,17
Unità di misura base S.I. grandezza Unità misura simbolo Lunghezza metro m Massa kilogrammo kg Tempo Corrente elettrica secondo ampere s A Temperatura Intensità luminosa kelvin candela K cd Quantità di sostanza mole mol
Termometri a mercurio temperatura Definisce lo stato termico della materia (caldo e freddo) Lo strumento di misura è il termometro Termometro digitale
Calore Il calore è una forma di energia (energia termica) Un corpo a temperatura maggiore cede spontaneamente calore a quello a temperatura minore Un corpo ha temperatura maggiore di un altro se la sua energia cinetica (energia di movimento delle sue particelle)è maggiore Il calore si misura nel S.I. in joule (J) In chimica si usa la caloria (cal) 1 cal = 4,184 J 1 Kcal (chilocalorie) = 1000 cal Energia cinetica: Ec = 1\2 m x v 2 Energia Potenziale: Ep = m x g x h L energia immagazzinata nei cibi ( energia chimica) è energia potenziale Caloria: quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1 g di acqua pura da 14,5 a 15,5 C alla pressione atmosferica
Lo zero assoluto è la temperatura più bassa a cui i corpi possono avvicinarsi secondo le leggi della Termodinamica. A questa temperatura dovrebbe cessare ogni movimento delle particelle della materia Celsius Kelvin Fahrenheit Temperatura e sue unità di misura C = K 273,16 1 C=1,8 F C = ( F 32) : 1,8 zero assoluto
Calore specifico È la quantità di energia termica necessaria per innalzare o diminuire la temperatura di 1g di sostanza di un grado Celsius o Kelvin È una grandezza intensiva L acqua dei grandi bacini è un grande volano termico grazie all elevato calore specifico rispetto all aria
Notazione scientifica o notazione esponenziale I numeri eccessivamente grandi o troppo piccoli sono scomodi da scrivere o poco pratici ( es.: 562.000.000.000. oppure 0,000.000.000.049) Pertanto si ricorre alla notazione scientifica, utilizzando la formula: Ax10 n A è un numero che va da 1 a 9 n è il numero di posti per cui occorre spostare la virgola per arrivare ad A n può avere esponente positivo (se la virgola viene spostata verso sinistra) o avere esponente negativo( se la virgola viene spostata verso destra) Esempi di notazione scientifica dei numeri prima mostrati: 562.000.000.000 = 5,62 x 10 11 46.000.000 = 4,6 x 10 7 1,36 x 10 5 = 136.000 5,46 x 10 7 = 54.600.000 0,000.000.000.049 = 4,9 x 10-11 0,00000027 = 2,7 x 10-7 0,000033 = 3,3 x 10-5 2,1 x 10-6 = 0,0000021 4,67 x 10-8 = 0,0000000467 (il numero degli zeri è uguale all esponente negativo)
Proprietà Sono le caratteristiche che servono ad identificare la materia Possono essere: 1. Fisiche: danno indicazioni sulle dimensioni, sullo stato di aggregazione, sul peso ecc.. Es. massa, volume, densità, temperatura, calore, ecc 2. Tecnologiche: danno indicazioni sulle lavorabilità. Es. malleabilità, duttilità 3. Meccaniche: danno indicazione sulla resistenza. Es. tenacità, durezza 4. Organolettiche: danno indicazioni rispetto agli organi di senso. Es. colore, sapore, odore. 5. Chimiche: danno indicazioni quando la sostanza si trasforma in un altra. Es. comportamento alla combustione, al calore.
Composizione Per composizione chimica di una sostanza,si intende il tipo di elementi della tavola periodica che la costituiscono Nelle sostanze pure ( elementi e composti), la composizione viene indicata rispettivamente dal simbolo chimico e dalla formula chimica che oltre alla qualità degli elementi ne indica i reciproci rapporti
Composizione Oggi per stabilire la composizione di una sostanza si usa lo spettrometro di massa, che calcolando la massa degli isotopi degli elementi presenti, ne determina la qualità e la quantità per cui il rapporto e quindi la composizione chimica H 2 O e H 2 O 2 sono sostanze che presentano stessi elementi con rapporti diversi
Struttura Indica la disposizione spaziale degli atomi, degli ioni o delle molecole Es. il diamante e la grafite hanno stessa composizione ma differente struttura evidenti sono le diverse proprietà
Trasformazioni nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma (Antoine Lavoiseir 1783) trasformazioni fisiche: passaggi di stato trasformazioni chimiche: reazioni chimiche
Suddivisione della materia liquida solida aeriforme materia organica miscugli inorganica Sostanza pura
Gli stati della materia stato forma volume densità Dilatazione termica Dilatazione meccanica legami (al calore) (alla pressione) Solido propria Definito Alta bassa Quasi nulla forti Liquido Quella del recipiente definito Media Media piccolissima Deboli aeriforme Dell intero recipiente Intero recipiente bassa Alta notevole nulli
Trasformazioni fisiche: Passaggi di stato Ebollizione liquefazione
Passaggi di stato (differenze) Ebollizione: nelle sostanze pure avviene a determinate temperature ed interessa tutta la massa del corpo Evaporazione: avviene dentro un intervallo di temperatura al di sotto di quella di ebollizione ed interessa solo lo strato superficiale del corpo Condensazione: interessa i vapori per abbassamento della temperatura Liquefazione: interessa i gas per aumento della pressione
Vapori e Gas Vapori: sostanze che a temperatura ambiente e pressione atmosferica possono trovarsi sia liquide che aeriformi. Es. vapore acqueo, vapore di iodio Gas: sostanze che temperatura ambiente e pressione atmosferica possono trovarsi solo aeriformi Es. ossigeno, azoto, elio, neon, anidride carbonica, metano, ecc
Curva di riscaldamento dell acqua
Esempio sperimentale di fusione su naftalina(www.atuttascuola.it)