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
La chimica: una scienza a tre livelli Macroscopico Microscopico Simbolico 2
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? 3
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Le branche della chimica Chimica Inorganica Chimica Organica Chimica Fisica Chimica Analitica Biochimica Scienza dei Materiali Etc. 5
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METODO SCIENTIFICO Consiste, da una parte, nella raccolta di evidenza empirica e misurabile attraverso l'osservazione e l'esperimento; dall'altra, nella formulazione di ipotesi e teorie da sottoporre nuovamente al vaglio dell'esperimento. 7
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ACCURATEZZA L accuratezza esprime la vicinanza del risultato al valore vero o accettato come tale. PRECISIONE La precisione descrive l accordo tra due o più misure replicate. 9
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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 200.000 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, 11 cessano di avere validità all inizio e alla fine del tempo
Solar System Earth s upper continental crust 12
Elementi chimici e vita degli organismi 13
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 14
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. 15
Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l identità della sostanza in esame
Una proprietà chimica si riferisce all attitudine di una sostanza a mutarsi in un altra 17
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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.) 19
La materia si presenta in diversi stati di aggregazione (solido, liquido, gassoso) a seconda della temperatura e della pressione.
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
STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA: Solido Liquido Gas Ordine Disordine
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
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) 24
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
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
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
Uno specifico tipo di materia viene chiamato sostanza Sostanza pura Miscela
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 31
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 32
TEORIA ATOMICA La materia è continua solo su scala macroscopica. Per mettere in evidenza alcune proprietà fondamentali della materia si deve assumere un modello discontinuo, si deve cioè ammettere che essa sia costituita da particelle elementari, ma appare continua alla nostra percezione visiva. 33
Tubo di Crookes 34
Modello di Thomson Campo elettrico in grado di deviare i raggi catodici, portando sostegno all ipotesi della loro natura corpuscolare. Con il suo esperimento, Thomson chiarì che i raggi catodici erano particelle cariche negativamente (elettroni) e riuscì a misurare il rapporto carica/massa. I suoi studi misero anche in evidenza l esistenza di altre particelle, di carica opposta e di massa molto maggiore. (protoni) Nel 1898 Thomson formulò il primo modello atomico. 35
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MILLIKAN 37
Esperimento di Rutherford Particelle deviate Schermo fluorescente di solfuro di zinco Particelle riflesse Sorgente radioattiva Raggio di particelle alfa Lamina d oro 38
Modello di Rutherford Rutherford evidenzia l esistenza del nucleo dell atomo 39
Il raggio di un atomo è dell'ordine di 1 Å Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å 40
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. 41
Particelle subatomiche Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa protone (p) +1.6021773 x 10-19 C +1 1.6726 x 10-24 g 1.0073 elettrone (e) -1.6021773 x 10-19 C -1 9.109390 x 10-28 g 0.0005486 neutrone (n) 0 0 1.6749 x 10-24 g 1.0087 42
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 43
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. 1 12 H C O 1 6 16 8 44
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. 12 14 C C 6 6 45
Unità di massa atomica 46
Isotopi naturali di alcuni elementi Nuclide Massa relativa % di nuclidi 1 H 1,007825 99,985 2 H 2,014102 0,015 3 He 3,016030 ~ 10-4 4 He 4,002604 ~ 100 6 Li 6,015126 7,42 7 Li 7,01605 92,58 9 Be 9,012186 ~ 100 10 Be 10,013535 tracce 10 B 10,012939 19,6 11 B 11,009305 80,4 11 C 11,011433 tracce 12 C 12 98,89 13 C 13,003354 1,11 14 C 14,003142 tracce 47
Il peso atomico di un elemento è il numero, computato in uma, che esprime il valore della media ponderata della massa dei nuclidi isotopi che compongono quell elemento 48
In analogia al peso atomico si definisce anche un peso molecolare. Per esempio, se avessimo un composto di formula A 2 BC 3, il suo peso molecolare sarebbe dato da: p.m.= 2 p.a.(a) + p.a.(b)+ 3 p.a.(c) Ed ha lo stesso significato, cioè ci dice quanto il composto è più pesante del riferimento 49
1 mole = 6.0221415 10 23 particelle 1 mole di atomi di qualunque specie contiene un numero di Avogadro di atomi cioè 6.022 10 23 atomi. 1 mole di qualunque composto contiene un numero di Avogadro di molecole del composto cioè 6.022 10 23 molecole. Massa molare si intende la massa in grammi di una mole Il peso in grammi di un atomo è pari alla sua massa molare diviso il numero di Avogadro 50
La mole è la quantità di sostanza di un sistema contenente tante entità elementari quanti atomi sono contenuti in 12 g di 12 C 51
Qual è il significato del simbolismo chimico? Le formule (così come le reazioni chimiche) hanno un doppio significato: Qualitativo: perché ci dicono quali elementi entrano in gioco nella formazione di un composto. Quantitativo: perché entrano nel merito dei rapporti tra gli elementi che costituiscono il composto. Consideriamo per esempio la formula di: H 2 SO 4 Significato qualitativo Contiene: Idrogeno Zolfo Ossigeno Significato quantitativo Contiene: 2 atomi d idrogeno 1 atomo di zolfo 4 atomi di ossigeno 53
Le formule delle sostanze Le sostanze elementari ed i composti sono rappresentati graficamente con simboli convenzionali: le formule chimiche FORMULA MINIMA: (detta anche empirica) di una sostanza indica il numero relativo di atomi dei diversi elementi contenuti nella sostanza. In pratica indica il rapporto tra il numero di atomi presenti nella sostanza. FORMULA MOLECOLARE: Quanti atomi di ciascun elemento entrano a fare parte di una molecola di composto. Indica il numero effettivo, totale, di tutti gli atomi presenti in una molecola CH 2 O è la formula minima del glucosio C 6 H 12 O 6 è la formula molecolare del glucosio Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete e pertanto esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl 2, Fe, C, SiO 2 54
Composti molecolari Composti ionici 55
I composti ionici devono essere elettricamente neutri - e - - e - M M + M 2+ + e - + e - formazione di un catione X X - X 2- formazione di un anione Ora poiché da un acido si possono ottenere più anioni: H 2 SO 4 H 3 PO 4 H 2 O + CO 2 HSO 4 - H 2 PO 4 - HCO 3 - SO 4 2- HPO 4 2- CO 3 2- PO 4 3- è possibile prevedere la formazione di diversi sali. 56
Che cos è una reazione chimica? A + B AB reagenti prodotti L equazione chimica non s inventa! 57
Principio di Lavoisier, Legge di conservazione della massa (1797) 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 58
Tre sono le leggi fondamentali che regolano l andamento delle reazioni chimiche: 1. Legge della conservazione della materia o della costanza della massa: durante una reazione chimica la quantità di materia è invariabile, deve accadere: m 1 = m 2 A + B AB m 1 m 2 2. Legge dell invariabilità delle sostanze elementari: non si può trasformare un elemento in un altro: chimica)!!!! A ( elemento) B ( elemento) A B non avverrà mai (in una reazione 59
3. Legge delle proporzioni definite: 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. 60
Molarità La molarità del soluto in una soluzione è la quantità di soluto in moli diviso il volume della soluzione espresso in litri Diluendo una soluzione ad un volume maggiore, il numero totale delle moli di soluto non cambia, però si riduce la concentrazione del soluto