RIASSUNTO DEGLI ARGOMENTI DI CHIMICA TRATTATI IN 1 LICEO La chimica è una disciplina scientifica che si occupa dello studio della composizione, della struttura interna e delle proprietà delle sostanze, come pure delle loro trasformazioni e delle leggi che regolano tali trasformazioni. Fenomeno fisico: processo in cui le sostanze coinvolte mantengono intatte le loro proprietà o sono in grado di ricuperarle facilmente. Fenomeno chimico: processo in cui le sostanze coinvolte mutano radicalmente le loro proprietà, trasformandosi in nuove sostanze caratterizzate da proprietà differenti. Sostanze omogenee: sostanze che manifestano in tutti i punti le stesse proprietà. Appaiono come sostanze continue, uniformi, in cui è impossibile individuare i componenti, nemmeno al microscopio. Sostanze eterogenee: sostanze in cui le proprietà variano da punto a punto. Sono costituite da più componenti omogenee, dette fasi, non miscibili tra loro. Sostanze pure: sostanze omogenee, caratterizzate da proprietà ben definite e allo stato chimicamente puro: ciò significa che non sono più separabili con metodi fisici semplici in altre sostanze più semplici aventi proprietà differenti. Miscugli: insieme di due o più sostanze pure, ognuna delle quali mantiene inalterate le proprietà fisiche e chimiche o è in grado di ricuperarle facilmente. Le varie componenti di un miscuglio sono separabili con metodi fisici semplici. Elemento: sostanza pura che non può più essere scissa con metodi fisici o chimici in altre sostanze più semplici aventi proprietà differenti. La particella più piccola dell elemento, in grado di intervenire in una reazione chimica è l atomo (dal greco: indivisibile). Un elemento è costituito da atomi dello stesso tipo. Composto: insieme di due o più elementi che stanno fra loro in rapporti quantitativi ben definiti, i cui atomi sono tenuti assieme da particolari forze attrattive chiamate legami chimici. Gli elementi per formare un composto devono reagire chimicamente tra loro, perdendo le loro proprietà originarie e assumendo quelle nuove del composto. I composti sono separabili nei loro elementi costituenti solo con metodi fisici e chimici drastici. La particella più piccola del composto, avente le sue stesse proprietà, è la molecola. 1
La legge periodica di Mendelev (1869): Considerando una serie di elementi secondo la massa atomica crescente (modernamente secondo il numero atomico crescente) le proprietà variano in modo graduale. Con questo criterio, ad un certo momento, si incontra un certo elemento che ha proprietà simili a quello di partenza e così via. In altre parole le proprietà degli elementi dipendono, secondo Mendelev (1834-1907), dalla massa atomica (modernamente dipendono dal numero atomico) per cui nella tavola si formano gruppi (colonne verticali) e periodi (righe orizzontali). I primi due gruppi e gli ultimi sei della tavola periodica sono gruppi principali, in cui le proprietà variano in modo graduale e sono possibili previsioni. Negli altri invece, gruppi secondari, nelle proprietà ci sono molte differenze. Nomi degli otto gruppi principali: - Primo gruppo: gruppo dei metalli alcalini - Secondo gruppo: gruppo dei metalli alcalino - terrosi - Terzo gruppo: gruppo dei metalli terrosi - Quarto gruppo: gruppo del carbonio - Quinto gruppo: gruppo dell azoto - Sesto gruppo: gruppo dell ossigeno - Settimo gruppo: gruppo degli alogeni (generatori di sali) - Ottavo gruppo: gruppo dei gas nobili Legge della conservazione della massa (1789): (Lavoisier, 1743-1794) In una reazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei prodotti. Legge delle proporzioni definite (1801): (Proust, 1745-1826) In un composto gli elementi sono presenti in rapporti quantitativi ben definiti. (Composizione costante). Legge delle proporzioni multiple (ca1808): (Dalton, 1766-1844) Quando due elementi, combinandosi, danno origine a più di un composto, le quantità di massa di uno di essi (che corrispondono nei vari composti ad una stessa massa dell altro), stanno tra loro in rapporti di numeri interi e piccoli. 2
Massa atomica di un elemento (MA): rapporto tra la massa di un atomo di quell elemento e 1/12 della massa di un atomo di 12 C. Massa molecolare di un composto (MM): rapporto tra la massa di una molecola di quel composto e 1/12 della massa di un atomo di 12 C. Esso corrisponde alla somma delle masse atomiche degli elementi contenuti nella formula chimica, moltiplicate per gli indici che accompagnano i simboli o i gruppi funzionali. Grammoatomo di un elemento: quantità di quell elemento pari alla sua massa atomica espressa in grammi. Grammomolecola di un composto: quantità di quel composto pari alla sua massa molecolare espressa in grammi. Numero di Avogadro (N A ): numero di atomi di carbonio contenuti esattamente in 12g dell isotopo 12 C. Mole: quantità di sostanza pura contenente un numero di particelle uguale a N A. Ne consegue che: Massa di una mole di atomi = grammoatomo Massa di una mole di molecole = grammomolecola Formule utili: m = massa (g) N = numero di atomi o molecole (-) n = numero di moli, di grammoatomi o di grammomolecole (mol) Per gli elementi: n = Per i composti: n = n = n = massa di un atomo = massa di un atomo = 3
Molarità (M) o concentrazione molare: Indica il numero di moli di soluto (n) presenti in 1 L si soluzione. Per esempio, una soluzione 0,5 M (leggi: 0,5 molare) di NaCl significa che 0,5 moli di NaCl sono presenti in 1 L di soluzione. c = concentrazione molare o molarità (mol/l opp. mol) n = numero di moli di soluto (mol) V = volume della soluzione (l) c = Lo ione: atomo che possiede una carica elettrica poiché ha perso o ha acquistato un certo numero di elettroni. Nelle reazioni chimiche gli atomi dei metalli tendono a cedere uno o più elettroni, formando ioni positivi o cationi. I non-metalli invece tendono ad acquistare uno o più elettroni, formando ioni negativi o anioni. Osservazione: gli atomo sono generalmente instabili, reattivi, e tendono ad acquistare o cedere elettroni finché si trasformano in ioni isoelettronici con i gas nobili (chimicamente stabili): gli ioni, quindi, hanno in genere lo stesso numero di elettroni di una gas nobile e come tali sono più stabili degli atomi di partenza. Esempi di ioni poliatomici (A MEMORIA): - cationi: + NH 4 - anioni: - NO 3 - CO 3 2- SO 4 3- PO 4 OH - ione ammonio ione nitrato ione carbonato ione solfato ione fosfato ione idrossido (ossidrile) Elettrolita: sostanza che disciolta in acqua permette alla soluzione formata di condurre la corrente elettrica. Esempi: sali, idrossidi, acidi. La teoria ionica: gli elettroliti in soluzione conducono: la spiegazione fu data nel 1887 dal chimico svedese Arrhenius che propose la teoria ionica, secondo la quale gli elettroliti disciolti si dissociano in ioni (dal greco che va ), cioè particelle mobili in grado ad esempio di migrare verso elettrodi di segno opposto. Gli ioni positivi, in presenza di elettrodi, migrano al catodo (-) e si chiamano cationi. Gli ioni negativi all anodo (+) e si chiamano anioni. 4
Osservazioni sui raggi catodici: 1) Emesse dal catodo si propagano in linea retta verso l anodo. 2) Sono bloccati da uno schermo metallico: hanno una natura corpuscolare. 3) Vengono deviati da una calamita, cioè da un campo magnetico: non si tratta di luce ordinaria ma di particelle aventi una carica elettrica. 4) Ponendo sopra e sotto il tubo di scarica due piastre metalliche caricate elettricamente una + e una - i raggi catodici sono respinti dalla lastra - e attratti dalla +: sono particelle con carica negativa. 5) Impressionano la lastra fotografica. 6) Illuminano sostanze fluorescenti (ZnS). Conclusioni sui raggi catodici: I raggi catodici sono dunque elettroni, scoperti in questo modo nel 1897 da Thomson. Con esperienze analoghe, ponendo nel tubo di scarica il gas idrogeno, si scoprì che i suoi atomi venivano ionizzati tramite l energia elettrica, perdevano cioè l elettrone. La particella rimasta era il protone, scoperto nel 1920. Modello atomico di Thomson (1904): L atomo è una sfera piccolissima, piena di materia e avente carica elettrica positiva. Nell atomo, in modo uniforme, sono distribuiti gli elettroni in numero tale da neutralizzare la carica positiva della sfera. Taluni parlavano di un modello a torta di mele o a panettone. Modello atomico di Rutherford (1911): 1) L atomo è composto da un nucleo centrale in cui sono concentrate tutta la carica positiva e la massa dell atomo. 2) I leggerissimi elettroni occupano lo spazio vuoto intorno al nucleo. 3) Il diametro del nucleo deve essere centomila volte più piccolo (10-15 m) del diametro dell atomo (10-10 m) 5
4) Gli elettroni carichi negativamente, ruotano intorno al nucleo come pianeti intorno al Sole, e sono in numero tale da bilanciare esattamente la carica positiva del nucleo. Dati inerenti l atomo: - Massa dell atomo: 10-20 - 10-22 g - Diametro di un atomo: 10-10 m (1 angstrom = 1 Å = 10-10 m) - Diametro di un nucleo: 10-15 m Isotopi: atomi dello stesso elemento (aventi quindi ugual Z e ugual numero di protoni) che possiedono un diverso numero di neutroni (e quindi un diverso A (numero di massa)). Un elemento in genere è costituito da una miscela di isotopi diversi, presenti in natura in determinate percentuali. L energia di ionizzazione: ponendo in un tubo a raggi catodici un elemento allo stato gassoso rarefatto e aumentando gradualmente la differenza di potenziale (o tensione), si osserva che fino a un certo punto aumenta anche l intensità della corrente che attraversa il gas, mentre, al di là di un certo valore della differenza di potenziale, l intensità di corrente si riduce fino ad annullarsi. Si può ammettere che, quando si verifica questa condizione, l energia fornita al sistema venga utilizzata interamente per strappare elettroni dagli atomi del gas. Il valore della tensione di corrente in corrispondenza della quale ciò avviene è detto potenziale di ionizzazione. Due scienziati Franck e Herzt, nel 1914, stabilirono, in pratica, che in uno stesso atomo, per rimuovere via via un primo elettrone, un secondo elettrone, un terzo elettrone ecc. in successione, occorre somministrare quantità crescenti di energia: tale energia è detta energia di ionizzazione. La rimozione degli elettroni da un atomo avviene in tempi successivi e mediante somministrazione di quantità di energia di ionizzazione di volta in volta crescenti. Gli elettroni sono distribuiti intorno al nucleo in strati sferici concentrici e situati a varie distanze da esso. Gli elettroni presenti in ciascuno strato elettronico possiedono tutti la medesima quantità di energia. Osservazioni sulle relazioni tra configurazione elettronica degli elementi e tavola periodica: 1) Con i metalli alcalini inizia sempre il riempimento di un nuovo livello energetico: ciò corrisponde sulla tavola periodica all inizio di un nuovo periodo. 6
2) I gas nobili, ad eccezione dell elio (Z=2), hanno 8 elettroni nel livello energetico più esterno: ciò è sinonimo di stabilità. 3) Gli elementi appartenenti ad uno stesso gruppo principale posseggono ugual numero di elettroni nel livello energetico più esterno (detti elettroni di valenza): questo moderno criterio d impostazione della tavola periodica è compatibile con quello storico. Infatti le proprietà degli elementi dipendono dalla configurazione elettronica: elementi con ugual numero di elettroni di valenza hanno proprietà simili. 4) Gli atomi degli elettroni tendone, nelle reazioni chimiche, a cedere o ad acquistare elettroni per formare ioni isoelettronici con i gas nobili, cioè aventi la configurazione elettronica stabile ad ottetto, tipica dei gas nobili (8 e - di valenza). 7