Corso di chimica generale Dr. Riccardo Montioli Email: riccardo.montioli@univr.it Programma - La materia e l energia - Le particelle subatomiche e la misura della massa - L atomo, teorie e struttura - I numeri quantici e la configurazione elettronica - La tavola periodica degli elementi - I legami chimici - Le reazioni chimiche - Le proprietà delle soluzioni - Le reazioni acido base - La chimica organica
La Chimica studia le proprietà della materia e le leggi che ne governano le trasformazioni Materia Tutto ciò che ha una massa che occupa spazio PROPRIETA FISICHE: caratteristica che possiamo osservare senza cambiare la composizione della sostanza Es: COLORE-FORMA-ASPETTO-SAPORE- ODORE-DENSITA -MASSA-VOLUME PROPRIETA CHIMICHE sono dovute agli elementi che le compongono e a quali trasformazioni chimiche possono subire Es: CAPACITA DI REAGIRE CON DETERMINATI ELEMENTI/COMPOSTI
PROPRIETÀ FISICHE DELLA MATERIA Proprietà estensive, ovvero che dipendono dalle dimensioni MASSA: Misura della quantità di materia (UNITÀ DI MISURA) Kg VOLUME: Misura dello spazio occupato da una sostanza (Volume= larghezza x altezza x profondità) m 3 o litri(l) Proprietà intensive, ovvero che non dipendono dalle dimensioni DENSITA Rapporto tra la massa e il volume Densità = massa/volume kg/m 3 o Kg/l
ORDINI DI GRANDEZZA In chimica spesso si lavora con questi ordini di grandezza
CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA Sostanza: materiale puro, costituito da particelle tutte identiche tra di loro Miscele: Sistemi prodotti da due o più sostanze pure senza che queste reagiscano tra loro Elemento Sostanza costituita da particelle (atomi) tutti uguali. Es: Ossigeno (O), Idrogeno (H), Sodio (Na), Cloro (Cl) Composti Sostanze costituite da almeno 2 elementi Es: acqua (H 2 O), Sale da cucina(nacl) Omogenee (o Soluzioni) sistemi omogenei in cui ogni porzione del campione contiene gli stessi componenti nelle stesse proporzioni. Es: Acqua e sale, Coca Cola, benzina Eterogenee (o Miscugli) in campioni diversi i componenti sono presenti in diverse proporzioni Es: Sabbia, Acqua e Olio
ENERGIA E la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro L energia esiste in molteplici forme che si convertono tra loro Energia Elettrica Energia potenziale Energia cinetica Non è un processo spontaneo in quanto è necessari fornire energia al sistema perché avvenga Processo spontaneo in quanto non richiede una fonte di energia esterna al sistema
STATI DELLA MATERIA Una sostanza può esistere in tre stati fisici: solido,liquido o gassoso La conversione di uno stato della materia in un altro è chiamata: passaggio di stato Energia cinetica delle particelle crescente
PASSAGGIO DI STATO Durante un passaggio di stato la temperatura rimane costante Separazione delle miscele omogenee Evaporazione Es: Miscela H20 e NaCl Distillazione Es: Miscela H 2 0 e Etanolo (CH 3 CH 2 OH)
La teoria atomica di Dalton 1. Tutta la materia è composta da atomi indivisibili. Un atomo è una particella estremamente piccola che mantiene la sua identità durante le reazioni chimiche. 2. Un elemento è un tipo di materia composto da un solo tipo di atomo. Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà 3. Un composto è un tipo di materia costituito da atomi di due o più elementi chimicamente uniti in proporzioni fisse. Due tipi di atomi in un composto si legano in proporzioni espresse da numeri semplici interi 4. Una reazione chimica consiste nella ricombinazione degli atomi presenti nelle sostanze reagenti in modo da dare nuove combinazioni chimiche presenti nelle sostanze formate dalla reazione John Dalton (1766-1844) Un nuovo sistema di filosofia chimica (1808)
L ATOMO: LE PARTICELLE SUBATOMICHE Un nucleo è costituito da due tipi di particelle: Protoni carica +1 massa 1.67 x 10-24 g Neutroni carica 0 massa 1.67 x 10-24 g Nell'atomo neutro attorno ad un nucleo con Z protoni si muovono Z elettroni Elettroni carica -1 massa 9.11 x 10-28 g! I protoni ed i neutroni hanno una massa 1831 volte maggiore degli elettroni
Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri Un numero atomico Un numero di massa neutroni Z numero di protoni A numero di protoni + numero di Un nucleo particolare caratterizzato da Z e da A è anche chiamato nuclide e rappresentato con la seguente notazione: Numero di massa Numero atomico 23 11 Na Z=11 11 protoni (definisce l'elemento Na) A=23 23-11= 12 neutroni Ad ogni numero Z corrisponde un diverso elemento H Z=1 He Z=2 Li Z=3
ES: ES: 16 8 17 8 Atomi i cui nuclei hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni sono detti isotopi. Ad esempio l'idrogeno ha tre isotopi: 1 1 2 1 3 1 H H H idrogeno 1 protone nessun neutrone deuterio 1 protone 1 neutrone trizio 1 protone 2 neutroni O possiede 8 protoni, 8 elettroni e 16-8 = 8 neutroni O possiede 8 protoni, 8 elettroni e 17-8 = 9 neutroni Gli elementi presenti in natura sono in genere miscele di isotopi: 35 37 17Cl 17Cl Cloro 75,8 % 24,2 % Gli isotopi hanno proprità fisiche diverse Abbondanza relativa: frazione del numero totale di atomi di un dato isotopo.
Esercizio: Quali tra i seguenti atomi: 90 90 88 92 A 37X B 39X C 37X D 35X E sono isotopi dello stesso elemento? o A - A e B o B - A e C o C - A e D o D - A e E 89 36 X
LA NEUTRALITA DELL ATOMO e GLI IONI Nel suo stato fondamentale ogni atomo è neutro in quanto è composto da un numero uguale di protoni (carica +1) ed elettroni (carica -1) Cosa succede se un atomo ha un numero diverso di protoni ed elettroni? Gli atomi possono perdere o acquistare elettroni e trasformarsi in IONI! CATIONE: atomo che ha perso uno o più elettroni! Un Catione viene indicato con il simbolo dell elemento e la carica positiva corrispondente al numero di elettroni che ha perso Es: Na +, Fe 2+, K +, H +,Mg 2+ ANIONE: atomo che ha acquistato uno o più elettroni Un Anione viene indicato con il simbolo dell elemento e la carica negativa corrispondente al numero di elettroni che ha acquistato Es: Cl -,O 2-, S 2-
Esercizio: Qual è il numero di elettroni e di neutroni degli ioni Na + e Cl - ES: ES: 23 11 35 17 Na + possiede 11 protoni, 10 elettroni e 23-11= 12 neutroni Cl - possiede 17 protoni, 18 elettroni e 35-17 = 18 neutroni 23 11 35 17
La MISURA della MASSA Come possiamo descrivere la MASSA di un atomo di un certo elemento? Unità di Massa Atomica (uma): 1 uma. = 1/12 della massa dell isotopo 12 C 12 C= 1.9927 x 10-23 g / 12 = 1.6605 x 10-24 g = 1 uma (Da) La massa atomica di un elemento è equivalente al numero di massa A espresso in uma Esempio: 23 Na ha una massa di 23 uma
Tuttavia per definire la massa atomica di un elemento bisogna tener conto dell abbondanza relativa di ogni isotopo Massa Atomica Relativa (MA) di un elemento:! Σn (massa isotopo n x abbondanza relativa %)/ 100 Esempio: L argento in natura è presente in 2 forme isotopiche con rapporto 107 Ag 51.82% e 109 Ag 48.18% ES: 107 Ag 51.82% e 109 Ag 48.18% 107 Ag (107 uma x 51.82)/ 100 = 55.44 + 109 Ag (109 uma x 48.18)/ 100 = 52.51 107.95 uma
Come vengono indicati gli elementi ed i composti? ATOMI (Elementi) : sono indicati con una o due lettere Spesso si fa uso delle prime lettere del nome latino Cu Rame da Cuprum Au Oro da Aurum Na Sodio da Natrium Cl Cloro I COMPOSTI: possono essere ionici o molecolari e sono formati da due o più atomi (dello stesso elemento o di elementi diversi) legati fra loro in rapporti ben precisi Es: Cl 2, O 2, H 2 O, NaCl, H 2 SO 4, CaCl 2 H 2 SO 4 L acido solforico è composto da: 2 atomi di idrogeno (H) 1 atomo di zolfo (S) 4 atomi di ossigeno (O) Il numero di atomi di un particolare elemento che compongono un composto è indicato in basso a destra del simbolo dell elemento stesso
La massa di una molecola è chiamata massa molecolare (M M ) ed è data dalla somma delle masse atomiche di tutti gli atomi che la compongono Esercizio: Calcolare la massa molecolare dell acqua (H 2 O) sapendo che la massa atomica relativa dell idrogeno è 1,01 uma, quella dell ossigeno è 16 uma M M = 2x1,01 + 16 = 18,2 uma Esercizio: Calcolare la massa molecolare del glucosio (C 6 H 12 O 6 ) sapendo che la massa atomica relativa dell idrogeno è 1,01 uma, quella dell ossigeno è 16 uma e quella del carbonio è 12,01 uma M M = 6 x 12,01 + 12x 1,01 + 6x16 = 180,18 uma
LA MOLE La MOLE è una misura della quantità di materia Per misurare una stessa quantità di materia per diversi elementi (per esempio nella preparazione di soluzioni), si è resa necessaria l introduzione di un unità di misura che tenga in considerazione la quantità di particelle. 1 MOLE = numero degli atomi presenti in 12g esatti di 12 C La mole, pur riferendosi agli atomi di carbonio, vale come unità di misura per tutte le specie chimiche. E una grandezza adimensionale e rappresenta sempre lo stesso numero (di atomi, ioni, molecole). Quanti atomi compongono 1 MOLE? 1 atomo di carbonio pesa 12 u.m.a. quindi 12 x 1.66 x 10-24 g = 19,9 x 10-24 g N atomi = 12 g /19,9 x 10-24 g = 6.022 x 10 23 atomi Questo numero viene chiamato Numero di Avogadro, NA
LA MOLE Quanto pesa una mole di un elemento o di un composto? La Massa Molare è equivalente alla massa atomica espressa in grammi (g) Elemento/composto Massa (uma) Massa molare g/mol H 1,01 1,01 Li 6,94 6,94 NaCl 58,44 58,44 MgCl 2 95,21 95,21 CuSO 4 159,6 159,6 Esercizi La MOLE Quanto pesano 2 moli di argento considerando che la sua MA è 107.92 uma? (107.92 uma 107.92 g/mol x 2 mol = 215,84 g
LA MOLE Esercizi 1) Quanti atomi di Mg ci sono in 5 moli? 1 mole = 6.022 x 10 23 atomi 5 x 6.022 x 10 23 = 3.011x10 24 atomi 2) Una mole di 20 Ca pesa di più o di meno di una mole di 82 Pb? 20 Ca A= 20 MM 20 g/mol 82 Pb A= 82 MM 82 g/mol 3) Contiene più atomi una mole di Ca o una mole di Pb? Contengono lo stesso numero di atomi (6.022 x 10 23 )
4) Quanti atomi di Na ci sono in 3 moli di NaCl? Rapporto Na:Cl nel composto 1:1 Quindi in 3 moli di NaCl ci sono 3 moli di Na Atomi di Na= 3 x 6.022 x 10 23 = 18.066 x 10 23 atomi 5) Quanti atomi di H ci sono in 2.5 moli di H 2 O? Nell H 2 O H e O sono in rapporto 2:1 1 mole di H 2 O è formata da 2 moli di H e 1 mole di O In 2.5 moli di H 2 O ci sono 2x2.5 moli di H = 5 moli di H Numero di Atomi di H = 5 x 6.022 x 10 23 = 30.11 x 10 23 atomi
LA STRUTTURA DELL ATOMO MODELLO ATOMICO A PANETTONE (Thomson 1847) Particelle negative molto piccole immerse in un mare denso di cariche positive Sfere compatte con diametro di circa 10-10 m = 1 Å = 0,1 nm
LA STRUTTURA DELL ATOMO Dimensioni atomiche: circa 10-10 m = 1 Å = 0,1 nm L'esperimento di Rutherford
LA STRUTTURA DELL ATOMO Dimensioni atomiche: circa 1 Å Dimensioni nucleari: circa 10-5 Å La maggior parte dell'atomo è vuoto Quasi tutta la massa atomica è quindi concentrata nel nucleo
LA STRUTTURA DELL ATOMO