INTRODUZIONE ALLA CHIMICA (Cap. 3)

INTRODUZIONE ALLA CHIMICA (Cap. 3) - Proprietà fisiche e proprietà chimiche delle sostanze - Trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche - Reazioni chimiche ed equazioni chimiche - Sistema periodico degli elementi 1 0

Proprietà fisiche e chimiche delle sostanze Le proprietà delle sostanze si dividono in proprietà fisiche e proprietà chimiche. Le proprietà fisiche possono essere osservate e misurate senza variare la composizione della sostanza (es. colore, aspetto, stato di aggregazione). Le proprietà fisiche ci permettono di classificare ed identificare le sostanze. Alcune proprietà fisiche dipendono dalla temperatura (es. densità, volume). Le proprietà chimiche corrispondono alla capacità di una sostanza di reagire con altre sostanze per dar luogo a nuovi composti. Per es. una proprietà chimica del gas idrogeno è quella di reagire violentemente con il gas Donald A. McQuarrie ossigeno et al., CHIMICA GENERALE, per2/e, formare Zanichelli editore S.p.A. Copyright acqua. 2012 1 1

Dipendenza delle proprietà fisiche dalla temperatura La densità dell acqua aumenta al diminuire della temperatura fino a raggiungere il suo valore massimo a 3,98 C (0,999973 g/cm 3 ). Se l acqua si raffredda al di sotto dei 0 C si forma il ghiaccio. L acqua è l unica sostanza la cui fase solida è meno densa di quella liquida, cosicché il ghiaccio galleggia sull acqua liquida. Il volume di una data massa di liquido cambia con la temperatura. Questo è il motivo per il quale la vetreria da laboratorio usata per misurare con precisione il volume delle soluzioni, riporta sempre l indicazione della temperatura alla quale è stata calibrata. 1 3

Trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche Le variazioni delle proprità fisiche sono dette trasformazioni fisiche. In una trasformazione fisica l identità di una sostanza viene conservata, anche se è cambiato il suo stato fisico o la dimensione e la forma. Una trasformazione fisica non porta alla formazione di una nuova sostanza; le specie (atomi, molecole o ioni) presenti prima e dopo sono sempre le stesse. Le trasformazioni chimiche sono modificazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze con formazione di nuove sostanze. 1 4

Trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche Nelle trasformazioni chimiche le sostanze originarie si dicono reagenti, le nuove sostanze che si formano nella reazione prendono il nome di prodotti. reagenti prodotti 1 5

Trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche 1 7

Reazioni chimiche e equazioni chimiche Quando il sodio reagisce con cloro gassoso si forma cloruro di sodio. Il prodotto è una sostanza completamente nuova ed è chimicamente e fisicamente diverso da tutti e due i reagenti. 1 8

Reazioni chimiche ed equazioni chimiche Na(s) + Cl 2 (g) NaCl(s) (non bilanciata) La rappresentazione di una reazione chimica attraverso le formule chimiche dei reagenti e dei prodotti separati da una freccia, è chiamata equazione chimica. L equazione chimica è una rappresentazione di una reazione chimica. La reazione chimica è un evento chimico che avviene in natura, l equazione è solo un modo di rappresentare questa reazione. Nelle equazioni chimiche tutte le sostanze allo stato elementare sono rappresentate dal simbolo dell elemento. 1 9

Bilanciamento delle equazioni chimiche Nelle reazioni chimiche si formano nuove sostanze in conseguenza di disposizioni diverse degli atomi, ma in una reazione chimica i singoli atomi dei vari tipi non sono né creati né distrutti. Na(s) + Cl 2 (g) NaCl(s) (non bilanciata) Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl(s) (non bilanciata) 2Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl(s) Equazione chimica bilanciata Le equazioni chimiche si bilanciano mettendo numeri appropriati, chiamati coefficienti di reazione, davanti alle formule. Le formule di reagenti e prodotti non possono essere cambiate. 1 10

Bilanciamento delle equazioni chimiche H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(l) (non bilanciata) H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) (non bilanciata) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) Equazione chimica bilanciata Rappresentazione con modelli molecolari della reazione tra idrogeno e ossigeno per formare acqua. 1 11

Bilanciamento delle equazioni chimiche Metodo del bilanciamento a vista: consiste nel cambiare i coefficienti delle formule chimiche a sinistra e a destra della freccia, in modo tale che ogni per elemento il numero di atomi sia esattamente lo stesso ai due lati dell equazione. 1 12

Gli elementi possono essere raggruppati secondo le loro proprietà chimiche e fisiche Metalli alcalini: litio, sodio, potassio Simili proprietà fisiche I metalli alcalini sono meno densi dell acqua I metalli alcalini sono teneri e possono essere tagliati con un coltello (Es. del sodio) I metalli alcalini hanno bassi punti di fusione (< 200 C) 1 13

Metalli alcalini: litio, sodio, potassio Simili proprietà chimiche: sono molto reattivi e reagiscono spontaneamente con l ossigeno e con l acqua; reagiscono energicamente con il cloro. Es. reazione del potassio con acqua. Il potassio reagisce violentemente con l acqua per produrre idrossido di potassio e idrogeno gassoso. La fiamma è il risultato della reazione esplosiva tra l idrogeno gassoso sviluppato e l ossigeno dell aria. Le scintille gialle sono frammenti di potassio fuso che, lanciati fuori dal recipiente di reazione dall esplosione, reagiscono con l ossigeno dell aria. 1 14

Metalli alcalino-terrosi: magnesio, calcio, stronzio, bario Simili proprietà chimiche: Es. Reazione con acqua e con ossigeno Es. Il calcio reagisce lentamente con l acqua per produrre idrogeno gassoso (bolle) e idrossido di calcio. Es. Il nastro di magnesio brucia rapidamente a contatto con l ossigeno per formare ossido di magnesio. 1 15

Alogeni: fluoro, cloro, bromo, iodio Simili proprietà chimiche: molto reattivi, reagiscono con la maggior parte di metalli e non metalli. Es. Reazione con sodio cloro iodio bromo 1 16

La tavola periodica degli elementi La classificazione degli elementi oggi utilizzata è stata proposta dal chimico russo Dmitri Mendeleev nel 1869. Mendeleev dispose gli elementi in ordine di massa atomica crescente e mostrò che le proprietà chimiche e fisiche degli elementi presentano un andamento ripetitivo o periodico. Egli allineò gli elementi conosciuti in una linea orizzontale e ogni volta che giungeva ad un elemento con caratteristiche simili ad uno che già si trovava nella riga ne iniziava una nuova (Mendeleev non conosceva l esistenza dei gas nobili). 1 17

La tavola periodica degli elementi Man mano che gli elementi trovavano sistemazione nella tavola, venivano aggiunte nuove righe. Gli elementi con proprietà simili vennero a trovarsi nella stessa colonna. Il genio di Mendeleev fu che decise di lasciare degli spazi vuoti nelle colonne per quegli elementi non ancora conosciuti, ma che dovevano esistere ed avere proprietà simili all elemento presente nella riga superiore della tavola. Egli pensò che questi spazi sarebbero stati riempiti da elementi che non erano ancora stati scoperti. Usando il concetto di periodicità Mendeleev riuscì a prevedere molte delle proprietà chimiche e fisiche di elementi a quel tempo ancora ignoti. 1 18

Le proprietà chimiche di 16 elementi elencati in ordine di massa atomica crescente (X = F, Cl, Br, I) Massa atomica Elemento Simbolo Proprietà Formula dell eleme nto Formula del composto 6.9 litio Li metallo molto Li LiX reattivo 9.0 berillio Be metallo reattivo Be BeX 2 10.8 boro B semimetallo B BX 3 12.0 carbonio C solido non C CX 4 metallico 14.0 azoto N gas biatomico non metallico 16.0 ossigeno O gas biatomico non metallico moderatamente reattivo 19.0 fluoro F gas biatomico molto reattivo 20.2 neon Ne gas monoatomico decisamente non reattivo N 2 NX 3 O 2 F 2 Ne X 2 O FX nessuno 1 19

Massa atomica Elemento Simbolo Proprietà Formula dell eleme nto 23.0 sodio Na metallo molto reattivo Na Formula del composto NaX 24.3 magnesio Mg metallo reattivo Mg MgX 2 27.0 alluminio Al metallo Al AlX 3 28.1 silicio Si semimetallo Si SiX 4 31.0 fosforo P solido non metallico 32.1 zolfo S solido non metallico 35.5 cloro Cl gas biatomico molto reattivo 39.9 argon Ar Gas monoatomico decisamente non reattivo P PX 3 S SX 2 Cl 2 Ar ClX nessuno 1 20

Versione moderna della tavola periodica nella quale gli elementi sono ordinati per numero atomico crescente (il concetto di numero atomico venne sviluppato all inizio del 1900) 1 21

Le caratteristiche della tavola periodica Gli elementi che si trovano nello stessa colonna della tavola periodica appartengono allo stesso gruppo o famiglia e hanno proprietà chimiche simili. Gruppi 1-2 e 13-18: gruppi principali Es. metalli del gruppo 1 o metalli alcalini metalli del gruppo 2 o metalli alcalino terrosi Ogni elemento dei gruppi 1 e 2 è un metallo reattivo e dà reazioni chimiche simili a quelle degli altri membri del rispettivo gruppo. gruppo 17: alogeni Le righe orizzontali sono chiamate periodi e sono numerate a cominciare da 1 per il periodo che contiene solo H e He. 1 22

elio neon argon Il gruppo 18 contiene i gas nobili o gas inerti: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Sono caratterizzati dalla loro relativa mancanza di reattività chimica. Nel 1962 si scoprì che lo Xenon forma composti con fluoro e ossigeno, che sono i non metalli più reattivi. Si conoscono i fluoruri di kripton. Non si conoscono composti di elio, neon, argon. Quando una scarica elettrica attraversa un gas nobile, viene emessa luce di colore caratteristico 1 24

Poiché gli elementi di un dato gruppo hanno proprietà chimiche simili, i composti semplici degli elementi di quel gruppo hanno formule chimiche simili. Idruri binari degli elementi dei gruppi principali 1 2 13 (3) 14 (4) 15 (5) 16 (6) 17 (7) LiH BeH 2 BH 3 CH 4 NH 3 H 2 O HF NaH MgH 2 AlH 3 SiH 4 PH 3 H 2 S HCl KH CaH 2 GaH 3 GeH 4 AsH 3 H 2 Se HBr RbH SrH 2 InH 3 SnH 4 SbH 3 H 2 Te HI CsH BaH 2 TlH 3 PbH 4 BiH 3 1 25

Nel 1969 l arsenico veniva dopo lo zinco in ordine di massa atomica. Sulla base del concetto di periodicità Mendeleev mise l As nel gruppo 15 anziché 13 o 14, perché il suo comportamento era simile a quello del fosforo. Mendeleev propose che ci fossero due elementi, non ancora scoperti, per riempire i vuoti tra Zn e As e predisse le proprietà di questi elementi prima della loro scoperta. 1 26

Confronto tra le previsioni di Mendeleev e i valori sperimentali delle proprietà del gallio (scoperto nel 1875) Proprietà Prevista Osservata Massa atomica 69 69.7 Densità/g cm -3 6,0 6,9 Punto di fusione basso 30 C Punto di ebollizione alto 2400 C Formula dell ossido M 2 O 3 Ga 2 O 3 1 27

Versione più comune della tavola periodica, raccomandata dalla IUPAC (forma più compatta): elementi da 57 a 71: serie dei lantanidi elementi da 89 a 103: serie degli attinidi Alcune versioni posizionano il lantanio (La) e l attinio (Ac) nelle caselle 57 e 89, e collocano in basso gli elementi da 58 a 71 (dal cerio al lutezio) e gli elementi da 90 a 103 (dal torio al laurenzio). Le vecchie versioni della tavola periodica indicano i sei gruppi a destra da 3A a 8A, e i metalli di transizione da 3B, 4B etc. 1 28

Metalli: celeste Non metalli: arancione, separati dai metalli da una linea a zig-zag Semimetalli o metalloidi: verde chiaro 1 30

Esempi di semimetalli (anche chiamati semiconduttori): sono solidi fragili e semilucenti boro silicio Semimetalli: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At (Astato) 1 31

Il carattere metallico degli elementi, nel senso della loro reattività con i non metalli: aumenta muovendoci dall alto verso il basso lungo il gruppo, e da destra verso sinistra lungo il periodo. Il francio è l elemento più metallico; il fluoro è il più non metallico. 1 32

Confronto tra le proprietà fisiche dei metalli, semimetalli e non metalli Metalli Semimetalli Non metalli Alta conducibilità elettrica e termica La resistenza elettrica cresce con l aumento della temperatura conducibilità elettrica e termica intermedia La resistenza elettrica diminuisce con l aumento della temperatura isolanti la resistenza elettrica non dipende dalla temperatura Duttili e malleabili fragili non duttili, non malleabili Ossidi, alogenuri e idruri non volatili con alto punto di fusione alogenuri e idruri volatili e con basso punto di fusione Ossidi, alogenuri e idruri volatili con basso punto di fusione 1 33

Il passaggio dal comportamento metallico a quello semimetallico e poi non metallico, non è netto quando ci muoviamo da sinistra verso destra nella tavola periodica ma graduale. Si passa da proprietà decisamente metalliche (gruppo 1) a proprietà decisamente non metalliche (gruppo 17). 1 34

Gli elementi dei gruppi 3-12 di ciascuna riga sono chiamati metalli di transizione. I metalli di transizione che stanno in una riga hanno proprietà chimiche simili tra di loro. Le proprietà dei metalli di transizione variano da gruppo a gruppo, ma sono tutti caratterizzati da alte densità e alti punti di fusione. Molti composti dei metalli di transizione sono colorati. Ti Sc V Cr Mn Metalli della prima serie di transizione Fe Co Ni Cu Zn 1 35

Metalli di transizione con le densità più alte: Iridio, Ir(s), 22.65 g cm -3 Osmio, Os(s), 22.61 g cm -3 Metallo di transizione con il punto di fusione più alto: Tungsteno, W, 3410 C 1 36

Gruppi principali (arancione) Metalli di transizione (verde) Metalli di transizione interna (beige): lantanidi o elementi delle terre rare (La, Z = 57) attinidi, elementi radioattivi per la maggior parte non naturali ma prodotti da reazioni nucleari (Ac, Z = 89) 1 37

Gli andamenti periodici presentano delle irregolarità: 1) caso dell idrogeno - l idrogeno non è un metallo però forma composti con formule simili a quelle dei metalli alcalini - È un gas biatomico come gli alogeni e forma molti composti con formule simili a quelle dei composti degli alogeni 2) Le proprietà del primo elemento di un gruppo sono diverse da quelle degli altri membri - Il litio differisce dagli altri elementi del gruppo - Le proprietà chimiche del berillio sono diverse da quelle del magnesio - Il boro è un semimetallo ed è diverso dall alluminio - L azoto non reagisce direttamente con cloro, mentre gli altri elementi del gruppo P, As, Sb, Bi reagiscono con Cl 2 - L esempio più evidente di questa differenza è quello del carbonio la cui chimica è decisamente diversa da quella Donald A. degli McQuarrie et altri al., CHIMICA elementi GENERALE, 2/E, Zanichelli deleditore gruppo S.p.A. Copyright (composti 2012 organici) 1 39

Relazioni diagonali tra gli elementi della tavola periodica Esistono somiglianze di reattività tra il primo elemento di ogni gruppo e il secondo elemento del gruppo successivo. Le relazioni diagonali sono in parte dovute alle dimensioni simili degli ioni in ciascuna coppia diagonale di elementi (es. Li + e Mg 2+ ; Be 2+ e Al 3+ ). 1 40

Vedremo che sebbene l organizzazione della tavola di Mendeleev fosse basata su conoscenze puramente chimiche, gli andamenti periodici che egli osservò sono basati sull andamento ripetitivo della struttura elettronica degli atomi. 1 41