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Federica Sarli CHIMICA La chimica si occupa di esplorare la materia , ovvero tutto ciò che riguarda forme, dimensioni, colori, stati ecc.. Gli stati di aggregazione descrivono la disposizione e l’interazione degli elementi 1-solido 2-liquido 3-aeriforme 4-plasma solido liquido gas volume Proprio Proprio Tutto lo spazio possibile forma Propria Del recipiente Del recipiente pressione Incomprimibile Incomprimibile Comprimibile 600 a.C → Greci → attenzione sulla natura dell’universo e sulle sostanze che lo compongono Talete: stabilire quale fosse l’elemento base → acqua Anassimene → aria Eraclito → fuoco Empedocle → acqua, aria, fuoco, terra → teoria accettata da Aristotele Questione relativa alla divisibilità della materia Democrito → “ atomos ” =particelle minime della materia L’ALCHIMIA Egitto → conoscenza della chimica legata all’imbalsamazione dei morti= khemeia l’arte della khemeia appariva legata alla religione, la gente comune aveva paura delle persone che la praticavano, considerandole depositarie di conoscenze pericolose. Il primo seguace della khemeia fu Bolos, il quale si dedicò al fenomeno della trasmutazione, cioè la trasformazione del piombo o del ferro in oro. Arabi (settimo secolo) → khemeia diventò al-kimiya e chi si dedicava al suo studio fu chiamato alchimista. L’alchimia araba diede il meglio di sé con Giabir ibn-Hayyan→ pensava che i vari metalli fossero composti da diversi miscugli di mercurio e zolfo, ma bisognava scoprire quale fosse la sostanza che agevolasse la mescolanza del mercurio e dello zolfo. In Europa la sostanza fu riconosciuta come pietra filosofale. I GAS Van Helmont (1577-1644) prese in esame i vapori prodotti nei suoi esperimenti per studiarne le caratteristiche → li definì gas Torricelli (1643) suppose che l’aria esercitava una pressione→ i gas erano composti di materia ed avevano un peso Boyle stabilì la relazione inversamente proporzionale tra pressione e volume dei gas a temperatura costante→FINE DELL’ALCHIMIA, INIZIO DELLA CHIMICA.
Lavoisier → la massa non viene né creata né distrutta, ma semplicemente trasferita da una sostanza all’altra→ Legge di conservazione della massa → somma massa agenti = somma massa prodotti L’ATOMO Proust → in tutti i composti gli elementi sono contenuti in determinate proporzioni definite→ Legge delle proporzioni definite→ studiò la composizione della pirite = ferro+zolfo Dalton→ Legge delle proporzioni multiple → due elementi possono combinarsi secondo più di una serie di proporzioni e per ogni variazione si forma un composto diverso Modello atomico di Dalton : -Materia costituita da atomi -Tutti gli atomi sono uguali tra loro e hanno la stessa massa -Dagli atomi di un elemento non è possibile ottenere atomi di un altro elemento -Gli atomi di un elemento si possono combinare solo con numeri interi piccoli di un altro elemento -In una trasformazione chimica gli atomi di un elemento non possono essere né creati né distrutti L’atomo oggi : entità elettricamente neutra costituita da un nucleo centrale carico positivamente, circondato da particelle chiamate elettroni , carichi negativamente. Le proprietà dell’atomo determinano le proprietà della materia. Un atomo è la più piccola unità identificabile di un elemento ( elemento =sostanza che non può essere separata in sostanze più semplici) Thomson scoprì l’esistenza di una particella ancora più piccola chiamata elettrone (carica negativa). Per bilanciare la carica negativa, gli atomi devono contenere cariche positive= protoni + particelle neutre= neutroni Numero atomico Z=numero protoni Numero di massa A=numero protoni e neutroni Massa atomica (peso atomico)= media delle masse atomiche dei diversi isotopi ( isotopi =atomi dello stesso elemento con diverso numero di neutroni) ciascuna pesata per la sua abbondanza % Gli atomi non hanno una posizione fissa, sono liberi di muoversi intorno al nucleo descrivendo precise traiettorie che vengono definite attraverso il concetto di orbitale Orbitale =zona in cui è massima la probabilità di trovare l’elettrone. Esistono 5 tipi di orbitali: s , traiettoria circolare; p , traiettoria simile a un 8; d , traiettoria simile a degli 8 doppi; f. A definire forma, dimensione e orientamento di un orbitale occorrono i numeri quantici : numero quantico principale (n)=distanza dal nucleo, numero quantico secondario (l)=forma dell’orbitale, numero quantico magnetico (m)=orientazione degli orbitali nello spazio, numero quantico di spin (s)=non ha un analogo classico GLI ELEMENTI Se una sostanza si poteva scindere in sostanze più semplici, essa non era un elemento Se due sostanze erano entrambi elementi, si potevano combinare insieme formando un composto Boyle→gli elementi sono dunque sostanze pure dalle quali non è possibile ottenere sostanze più semplici→teoria dimostrata errata nel XX secolo→l’elemento è una sostanza costituita da atomi con lo stesso numero atomico.
IL LEGAME CHIMICO
LEGAMI FORTI
La teoria di Lewis si focalizza sugli elettroni di valenza→rappresentati sotto forma di pallini che circondano il simbolo dell’elemento Un legame chimico implica la condivisione o il trasferimento di elettroni in modo che gli atomi coinvolti raggiungano configurazioni elettroniche stabili. Se gli elettroni vengono trasferiti = legame ionico→ si verifica quando la differenza di elettronegatività tra due elementi è superiore a 1,9→trasferimento di uno o più elettroni dall’atomo meno elettronegativo (che perdendo elettroni diventa uno ione positivo= catione ) all’atomo più elettronegativo (che acquistando elettroni diventa uno ione negativo= anione ) se gli elettroni vengono condivisi= legame covalente→ proprietà: duri, isolanti o semiconduttori, insolubili in H2O. Il movimento degli elettroni è ciò che origina corrente elettrica Un legame si dice covalente dativo quando la coppia di elettroni di legame è fornita da uno solo dei due atomi che partecipano al legame→ atomo che dona= donatore , atomo che riceve= accettore Legame metallico →gli atomi che costituiscono i metalli sono tenuti insieme da un legame metallico→gli atomi metallici possono mettere in comune gli elettroni di valenza, che vengono condivisi tra più nuclei LEGAMI DEBOLI: INTERAZIONI INTER MOLECOLARI Forze di Van der Waals Dipolo : coppie di particelle di cariche opposte, poste ad una certa distanza Polarità : proprietà delle molecole di delocalizzare su di esse una carica parziale positiva o negativa. La polarità dipende dalla simmetria della molecola LEGAMI DEBOLI: INTERAZIONI ELETTROSTATICHE -Permanente (tra molecole polari) -Istantaneo (molecola apolare+molecola polare) -Indotto (tra molecole apolari) es. Grafite→ i piani di grafite sono debolmente legati tra loro da forze di Van der Waals: quando si scrive, i piani di grafite scivolano gli uni rispetto agli altri Legame idrogeno →si verifica tra molecole nelle quali un atomo di idrogeno è legato covalentemente con un atomo di piccole dimensioni e fortemente elettronegativo Energia di legame → misura la forza di un legame e definisce l’energia necessaria alla scissione omolitica di un legame LA CHIMICA DELLE SOLUZIONI La materia può essere rappresentata da porzioni limitate di materia= sistemi→ caratterizzati da fasi =porzione di un sistema avente uno stato fisico e una composizione chimica uniformi La materia si divide in sostanze pure (un sistema si dice puro quando è costituito da una singola sostanza) e miscugli. I miscugli possono essere omogenei (una fase) = soluzione
o eterogenei (più fasi) Il componente maggiore del miscuglio= solvente il componente minore del miscuglio= soluto Il rapporto tra i due si dice concentrazione es. sostanze pure: sale da cucina, zucchero, oro, ossigeno es. miscugli: acciaio inox, petrolio colloidi =miscele di sostanze che hanno caratteristiche intermedie tra i miscugli omogenei e quelli eterogenei mole =unità di misura della quantità di materia 1mol=6,022x10*13 ( numero di Avogadro ) n mol= m (g) / M (g/mol) m (g)=M x n M(g/mol)=m / n molarità (M)=mol soluto / V soluzione numero di moli di soluto contenute in un L di soluzione molalità (m)=V soluto / Kg solvente numero di moli di soluto contenute in un kg di solvente percentuale in vol = V soluto / V soluzione x 100 millimetri di soluto sciolti in 100 ml di soluzione ABV=rapporto tra le parti in volume di alcol puro in 100 parti in volume di soluzione a 20°C es. 13%vol→1L contiene 130mL di alcol molecole apolari →solubili in solventi apolari (benzina,olio,acqua ragia) molecole polari →solubili in solventi polari (H2O, CH3CH2OH) fattore entropico →tendenza di un sistema al disordine forze intermolecolari di attrazione A-A, B-B=più forte di A-B→le sostanze non si mescolano soluzione satura =la concentrazione di soluto disciolto è la massima possibile soluzione insatura =la concentrazione di soluto disciolto è inferiore al valore massimo soluzione sovrasatura =la concentrazione di soluto è maggiore della concentrazione della soluzione satura Solubilità =quantità massima di una sostanza che può essere disciolta in un solvente ad una determinata temperatura -la solubilità di un gas in un liquido dipende dalla pressione parziale (=se due gas vengono mescolati in un recipiente, ognuno si comporta come se fosse solo esercitando una pressione parziale). La solubilità è direttamente proporzionale alla pressione parziale ( Legge di Henry ) -la solubilità di un gas in un liquido diminuisce all’aumentare della temperatura passaggi di stato =trasformazione della materia da uno stato fisico ad un altro in seguito alla variazione di temperatura e pressione diagramma di fase =rappresenta lo stato termodinamico di una sostanza pura o di una miscela sistema disperso =sistema eterogeneo costituto da più fasi immiscibili tra loro
soluzione isotonica =la soluzione esterna ha la stessa concentrazione dei globuli rossi soluzione ipertonica =la concentrazione della soluzione esterna è più alta (Raggrinsimento) soluzione ipotonica =la concentrazione della soluzione esterna è più bassa (Emolisi) LA CHIMICA FISICA Lo studio del flusso del calore prende il nome di termodinamica Legge di conservazione dell’energia →in tutte le trasformazioni subite dal calore, non si verifica né creazione né distruzione di energia. Il calore passa dai punti a temperatura maggiore ai punti a temperatura minore. EVOLUZIONE DELLE REAZIONI CHIMICHE Gli antichi utilizzavano utensili così come li trovavano in natura. Con il passare del tempo hanno imparato a modificare gli oggetti ma la pietra rimaneva pietra e il legno rimaneva legno. Alcune volte capitava che la natura della materia si trasformasse (es. un fulmine colpiva la foresta→carbonizzava gli alberi). Questo divenne oggetto della chimica. Le alterazioni nella natura e nella struttura delle sostanze costituiscono trasformazioni chimiche. REAZIONI CHIMICHE Trasformazioni fisiche Trasformazioni chimiche =le sostanze non cambiano =le sostanze cambiano natura e natura e non variano le loro variano le loro proprietà caratteristiche Le reazioni chimiche si rappresentano con equazioni chimiche es. CH4 + O2→CO2 + H2O reagenti prodotti Una reazione chimica implica la rottura di legami chimici tra gli atomi delle molecole dei reagenti e la formazione di nuovi legami a formare molecole diverse Reversibili Irreversibili =è sempre possibile =non è mai possibile tornare alle condizioni tornare alle condizioni iniziali iniziali Le molecole dei reagenti devono collidere affinché possano reagire tra loro e fornire i prodotti: maggiore è la frequenza degli urti, maggiore è la probabilità che le molecole possano reagire fra loro. Affinché una reazione si inneschi, è necessario fornire una certa energia al sistema ( energia di attivazione )→quando è stata innescata, l’energia di attivazione viene restituita all’ambiente e la reazione si svolge fornendo energia all’ambiente ( esotermica ) o sottraendo energia all’ambiente ( endotermica ) L’energia di attivazione è collegata alla velocità con cui si verifica la reazione: maggiore è l’energia di attivazione, minore è la velocità di reazione
La temperatura , la natura e la concentrazione dei reagenti influenzano la velocità di reazione L’uso dei catalizzatori fa si che processi che avverrebbero molto lentamente, si compiano in tempi più brevi. Caratteristiche dei catalizzatori: -compare inalterato alla fine della reazione -agisce in piccole quantità -non altera l’equilibrio nelle reazioni reversibili -possiede maggiore o minore specificità nell’agire con sistemi diversi Un enzima è una proteina in grado di catalizzare una reazione chimica. Il processo di catalisi indotto da un enzima consiste in una accelerazione della velocità della reazione In una reazione chimica si rompono legami e se ne formano di nuovi: il passaggio da reagenti a prodotti è sempre accompagnato da una variazione di energia ( esoergonica =spontanea, endoergonica =non spontanea) Le reazioni chimiche avvengono quando sono termodinamicamente e cineticamente possibili. Termodinamica chimica =esamina le condizioni affinché una certa reazione giunga a completezza esotermiche =producono calore endotermiche =assorbono calore Le reazioni spontanee procedono verso l’aumento del disordine (verso la dispersione di energia e materia) entropia =grado di disordine entalpia =quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l’ambiente energia libera =Gibbs→elaborò il concetto di “energia libera”(=calore+entropia)→se l’energia libera diminuiva, l’entropia aumentava es. reazione acido-base tra aceto e bicarbonato→avviene mediante l’assorbimento di calore dall’ambiente (lievemente endotermica) CH3COOH + NaHCO3→CH3COONaH2O + CO fotosintesi=processo biochimico (fortemente endotermico) 6CO2 + H2O + luce→C6H12O6 + 6O Reazione di sostituzione semplice Un atomo, uno ione o un gruppo poliatomico di un composto, viene sostituto da un altro Reazioni di doppio scambio Vi è uno scambio di atomi, ioni o gruppo poliatomici tra due composti Reazione di decomposizione Da un unico composto si ottengono due o più composti o elementi Reazioni di ossidoriduzione Una specie chimica trasferisce elettroni a un’altra specie chimica
Specie che perde elettroni= riducente Specie che acquista elettroni= ossidante Numero di ossidazione =carica formale che un elemento assume in una molecola Ossidazione =processo in cui una specie chimica aumenta il proprio numero di ossidazione Riduzione =processo in cui una specie chimica diminuisce il proprio numero di ossidazione I processi di ossidazione e riduzione avvengono contemporaneamente Il flusso di carica elettrica che si genera nel processo viene chiamato corrente elettrica Pila=dispositivo in cui viene prodotta corrente elettrica per mezzo di una reazione di ossidoriduzione. Il movimento degli elettroni si deve alla diversa tendenza dei metalli a cedere e ad acquistare elettroni (= differenza di potenziale ) In alcune pile le reazioni chimiche interne sono irreversibili, altre sono ricaricabili Pile alcaline=hanno spesso come agente riducente lo zinco e come agente ossidante il diossido di manganese. Celle elettrolitiche=permettono di convertire l’energia elettrica in energia chimica→processo di elettrolisi. Federica Sarli
