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Riassunto "Chimica e propedeutica biochimica" - Bettelheim, Sintesi del corso di Chimica

Riassunto "Chimica e propedeutica biochimica" - Bettelheim (cap. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9)

Tipologia: Sintesi del corso

2020/2021

In vendita dal 27/11/2022

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RIASSUNTO CHIMICA E PROPEDEUTICA
BIOCHIMICA DI BETTELHEIM
CAPITOLO 2: ATOMI (5,5 PAG.)
2. 2 C LAS SIF ICA ZIO NE DEL LA MATERIA
La materia (qualsiasi cosa avente massa e in grado di occupare spazio) può essere suddivisa in due classi: sostanze pure
(composizione fissa, non ulteriormente purificabile) e miscele (combinazione di due o più sostanze pure). Le sostanze
pure si dividono in:
Elementi: sostanza costituita da atomi identici tra loro (118 elementi identificati ad oggi). Non possono essere
ulteriormente suddivisi con mezzi chimici o fisici. Si combinano chimicamente per formare i composti.
Composti: sostanza pura costituita da due o più elementi in un rapporto stechiometrico ben definito (es. acqua).
Ogni composto ha una sua formula, in cui ogni elemento può essere individuato tramite simbolo. Dalla formula è
possibile risalire ai rapporti stechiometrici tra i diversi elementi che costituiscono il composto. Sono elementi uniti
in rapporti fissi.
Le miscele invece possono essere omogenee (in ogni sua parte presente uguali proprietà in termini di composizione,
densità, colore, etc) oppure eterogenee (costituite da materia formata da parti, dette fasi del sistema, con superfici di
separazione tra le loro diverse parti). Gran parte della materia con cui veniamo in contatto nella vita quotidiana è
costituita da miscele. Una differenza importante tra composto e miscela è che il rapporto tra le masse degli elementi
che compongono un composto è fisso e costante; in una miscela, invece, le differenti sostanze pure possono essere
presenti in qualsiasi rapporto di peso. Le miscele sono costituite da due o più sostanze pure, quindi se conosciamo le
proprietà fisiche di queste, possiamo usare mezzi fisici per separare la miscela nei suoi costituenti.
2. 3 P OST ULA TI DEL LA TEO RIA AT OMI CA D I D ALT ON
Nel 1808 Dalton propose un modello della materia basandosi su evidenze. Egli postulò:
1. Tutta la materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili (atomi);
2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche;
3. Nelle reazioni chimiche, nessun atomo degli elementi presenti scompare o si trasforma in un atomo di un altro
elemento;
4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di due o più tipi diversi di atomi. In un composto, il numero
relativo di atomi di ogni elemento è costante ed espresso sotto forma di numero intero;
5. Una molecola è costituita da due o più atomi saldamente combinati tra loro che si comportano come singola unità.
EV IDE NZE DE LLA TE ORI A A TOM ICA DI D ALT ON
Legge di conservazione della massa. Lavoisier formulò questa legge affermando che la materia non può essere né creata
né distrutta. Nel corso di una reazione chimica non si osservano variazioni della massa complessiva. La massa totale
finale dei prodotti risulta identica alla massa totale iniziale dei reagenti.
Legge delle proporzioni definite e costanti. Proust enunciò questa legge affermando che quando due sostanze si
combinano per formare un composto, le loro masse si combinano in rapporti definiti e costanti.
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RIASSUNTO “CHIMICA E PROPEDEUTICA

BIOCHIMICA” DI BETTELHEIM

CAPITOLO 2: ATOMI (5,5 PAG.)

2.2 CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA

La materia (qualsiasi cosa avente massa e in grado di occupare spazio) può essere suddivisa in due classi: sostanze pure (composizione fissa, non ulteriormente purificabile) e miscele (combinazione di due o più sostanze pure). Le sostanze pure si dividono in:

  • Elementi : sostanza costituita da atomi identici tra loro (118 elementi identificati ad oggi). Non possono essere ulteriormente suddivisi con mezzi chimici o fisici. Si combinano chimicamente per formare i composti.
  • Composti : sostanza pura costituita da due o più elementi in un rapporto stechiometrico ben definito (es. acqua). Ogni composto ha una sua formula, in cui ogni elemento può essere individuato tramite simbolo. Dalla formula è possibile risalire ai rapporti stechiometrici tra i diversi elementi che costituiscono il composto. Sono elementi uniti in rapporti fissi. Le miscele invece possono essere omogenee (in ogni sua parte presente uguali proprietà in termini di composizione, densità, colore, etc) oppure eterogenee (costituite da materia formata da parti, dette fasi del sistema, con superfici di separazione tra le loro diverse parti). Gran parte della materia con cui veniamo in contatto nella vita quotidiana è costituita da miscele. Una differenza importante tra composto e miscela è che il rapporto tra le masse degli elementi che compongono un composto è fisso e costante; in una miscela, invece, le differenti sostanze pure possono essere presenti in qualsiasi rapporto di peso. Le miscele sono costituite da due o più sostanze pure, quindi se conosciamo le proprietà fisiche di queste, possiamo usare mezzi fisici per separare la miscela nei suoi costituenti. 2.3 POSTULATI DELLA TEORIA ATOMICA D I DALTON Nel 1808 Dalton propose un modello della materia basandosi su evidenze. Egli postulò:
  1. Tutta la materia è costituita da particelle piccolissime e indivisibili (atomi);
  2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno uguali proprietà chimiche;
  3. Nelle reazioni chimiche, nessun atomo degli elementi presenti scompare o si trasforma in un atomo di un altro elemento;
  4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di due o più tipi diversi di atomi. In un composto, il numero relativo di atomi di ogni elemento è costante ed espresso sotto forma di numero intero;
  5. Una molecola è costituita da due o più atomi saldamente combinati tra loro che si comportano come singola unità. EVIDENZE DELLA TEORIA ATOMICA DI DALTON Legge di conservazione della massa. Lavoisier formulò questa legge affermando che la materia non può essere né creata né distrutta. Nel corso di una reazione chimica non si osservano variazioni della massa complessiva. La massa totale finale dei prodotti risulta identica alla massa totale iniziale dei reagenti. Legge delle proporzioni definite e costanti. Proust enunciò questa legge affermando che quando due sostanze si combinano per formare un composto, le loro masse si combinano in rapporti definiti e costanti. ELEMENTI MONOATOMICI, BIATOMICI E POLI ATOMICI

Alcuni elementi (es. elio e neon) sono presenti in natura come singoli atomi non connessi tra loro, si parla di elementi monoatomici. La molecola di ossigeno invece è costituita da due atomi legati tra loro mediante un legame chimico (altri es. idrogeno, fluoro, cloro, bromo e iodio). Queste sono specie chimiche biatomiche. Alcuni elementi invece hanno molecole costituite da più atomi (es. ozono, fosforo). Questi sono chiamati elementi poliatomici. 2.4 COMPOSIZIONE DEGLI ATOMI TRE PARTICELLE SUBATOMICHE Gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole (subatomiche) e in particolare sono 3 particelle subatomiche che lo costituiscono:

  • Protone : dotato di carica positiva. La sua massa è molto piccola e si indica con 10073 uma. Questa unità di misura è chiamata unità di massa atomica (u.m.a.) ed è pari a 1 𝑢𝑚𝑎 = 1 , 6605 ∙ 10 −^24 𝑘𝑔
  • Elettrone: dotato di carica negativa. La sua massa è 5 , 48 ∙ 10 −^4 𝑢𝑚𝑎 (molto più piccola di quella del protone). Protone ed elettrone si attraggono perché hanno cariche opposte.
  • Neutrone: non presenta cariche elettriche. Hanno massa pari a 1,0087 uma. Il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Protoni e neutroni sono presenti in un ammasso compatto presente al centro della struttura dell’atomo (nucleo), mentre gli elettroni si presentano come una nuvola diffusa localizzata intorno al nucleo. NUMERO DI MASSA Ogni atomo possiede un numero definito di protoni, neutroni ed elettroni. Il numero di massa (A) è pari alla somma del numero dei protoni e del numero di neutroni presenti nel nucleo. Il contributo degli elettroni, essendo molto piccoli, è trascurabile nel numero di massa. NUMERO ATOMICO Il numero atomico (Z) di un elemento è pari al numero di protoni presenti nel nucleo e questo numero identifica l’elemento: in alto si indica il numero di massa e in basso il numero atomico: 126 𝐶^. ISOTOPI Atomi che possiedono lo stesso numero di protoni, ma che mostrano un numero di neutroni differente vengono chiamati isotopi. Tutti gli isotopi del carbonio, ad esempio, contengono 6 protoni e 6 elettroni, ma ogni isotopo contiene un numero di neutroni differente (differente numero di massa). PESO ATOMICO Il peso atomico di un elemento è la media ponderata delle masse (in uma) dei suoi isotopi trovati in natura. Il peso atomico è indicato nella tavola periodica al di sotto del simbolo dell’elemento. 2.5 TAVOLA PERIODICA ORIGINE DELLA TAVOLA PERIODICA Nel 1860 Mendeleev pubblica la tavola periodica, creata disponendo gli elementi in ordine di peso atomico crescente, iniziando dall’idrogeno. Egli scoprì che quando gli elementi vengono disposti in ordine di peso atomico crescente, alcune caratteristiche vengono a ripetersi con una certa regolarità. Mendeleev dispose quindi gli elementi con proprietà ricorrenti in periodi (righe orizzontali) iniziando una nuova riga ogni volta che veniva a conoscenza di un elemento con proprietà simili a quelle dell’idrogeno. Tutti gli elementi all’inizio della riga (idrogeno, litio, sodio e potassio) a

Il primo guscio (1) contiene un solo orbitale di tipo s e quindi può essere occupato da due elettroni; il secondo guscio contiene un orbitale di tipo s e tre orbitali di tipo p (orbitali p si trovano sempre in gruppi di 3 e possono essere occupati complessivamente da 6 elettroni). Il terzo guscio contiene un orbitale s, tre orbitali di tipo p e cinque orbitali di tipo d (possono contenere un massimo di 10 elettroni). Il quarto guscio contiene anche 7 orbitali f (contengono 14 elettroni). FORMA E ORIENTAMENTO SPAZIALE DEGLI ORBITALI Tutti gli orbitali di tipo s hanno forma sferica col nucleo posto al centro della sfera. Tra gli orbitali di tipo s, l’orbitale 1s è il più piccolo, il 2s ha dimensioni maggiori e 3s ancora di più. Ogni orbitale p ha forma di doppia asola con il nucleo posto al centro tra le due asole. I tre orbitali 2p sono perpendicolari tra loro con un orbitale su asse x, uno su asse y e uno sull’asse z. Gli orbitali 3p hanno una forma simile, ma presentano dimensioni maggiori. CONFIGURAZIONE ELETTRONICA È la rappresentazione degli orbitali occupati dagli elettroni in quell’atomo. Gli orbitali disponibili per ogni atomo sono sempre gli stessi: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p e così via. Allo stato fondamentale sono occupati solo gli orbitali a energia minore, tutti gli altri rimangono vuoti. Si possono seguire queste regole:

  1. Gli orbitali si riempiono progressivamente a partire dal livello a minore energia.
  2. Ogni orbitale può contenere al massimo 2 elettroni con spin opposti.
  3. Quando gli elettroni devono riempire un set di orbitali isoenergetici, tutti gli orbitali verranno riempiti inizialmente con un solo elettrone; solo quando tutti gli orbitali isoenergetici saranno riempiti con un elettrone inizierà il completamento di ogni orbitale. Diagramma a caselle degli orbitali. Prevede l’uso di un piccolo quadrato che rappresenta l’orbitale. Gli elettroni vengono rappresentati da frecce (orientate in modo opposto ad indicare lo spin).
  • Idrogeno: l’atomo contiene un singolo elettrone (1s1), che nello stato fondamentale si pone nell’orbitale 1s.
  • Elio: l’atomo contiene due elettroni (1s2), che nello stato fondamentale si pongono nell’orbitale 1s riempiendolo completamente.
  • Litio: l’atomo contiene tre elettroni (1s2 2s1), che nello stato fondamentale riempiono l’orbitale 1s e l’ultimo elettrone si dispone nell’orbitale 2s (ha un elettrone spaiato). La notazione dei gas nobili. Un modo alternativo per scrivere la configurazione elettronica fondamentale prevede l’uso del simbolo del gas nobile immediatamente precedente l’atomo da configurare, allo scopo di indicare una configurazione con tutti i gusci sottostanti pieni. Es. il primo guscio del litio può essere rappresentato dall’elio: l’elettrone in più rispetto all’elio trova posto nell’orbitale 2s. La struttura a puntini di Lewis. Nel discutere le proprietà chimico-fisiche di un elemento, i chimici si focalizzano sul guscio più esterno e sugli elettroni contenuti qui. Questo perché gli elettroni contenuti in questo guscio sono quelli coinvolti nella formazione di legami e nelle reazioni. Questi elettroni sono chiamati elettroni di valenza e il livello energetico nel quale vengono a trovarsi si chiama guscio di valenza. Per rappresentare il guscio elettronico più esterno di un atomo è possibile usare una rappresentazione chiamata struttura a puntini di Lewis. Viene mostrato il simbolo di un elemento circondato da un numero di puntini pari al numero di elettroni presenti nel guscio più esterno. 2.7 CORRELAZIONE TRA CONFIGURAZIONE ELETTRONICA E POSIZIONE ELEMENTI NELLA TAVOLA PERIODICA Gli elementi che appartengono allo stesso gruppo presentano, nel loro guscio più esterno, una configurazione elettronica fondamentale simile. Tutti gli elementi dei gruppi principali (colonne A) presentano in comune il fatto che i loro orbitali s e p si stanno riempiendo:
  • Il guscio 1s contiene 2 elettroni e ci sono solo 2 elementi che appartengono al primo periodo;
  • Gli orbitali 2s e 2p possono essere riempiti da 8 elettroni, quindi ci sono otto elementi nel secondo periodo;
  • Gli orbitali 3s e 3p possono essere riempiti da 8 elettroni, quindi ci sono otto elementi nel terzo periodo;
  • Per generare gli elementi del periodo 4 sono disponibili gli orbitali 4s, 4p e 3d → possono contenere 18 elettroni quindi 18 elementi appartengono al quarto periodo;
  • Il periodo 5 allo stesso modo contiene 18 elementi.
  • Gli elementi di transizione interni vengono a formarsi per il riempimento degli orbitali f, che sono 7 e che possono contenere un totale di 14 elettroni, esistono quindi 14 elementi di transizione interna dei lantanidi e 14 degli attinidi. Osserviamo ora le specie chimiche che appartengono alla colonna 1A: tutti gli elementi che appartengono a questa colonna dispongono di un singolo elettrone nel loro guscio di valenza. Tutti gli elementi che appartengono al gruppo 1A sono metalli, con eccezione dell’idrogeno (non metallo). Le proprietà degli elementi dipendono soprattutto dalla configurazione elettronica del loro guscio più esterno. 2.8 CHE COS’È UNA PROPRIETÀ PERIODICA? La tavola periodica è valida in quanto gli elementi che appartengono allo stesso gruppo (colonna) mostrano la stessa configurazione elettronica nel guscio più esterno. È quindi possibile comprendere il motivo della periodicità delle proprietà chimico-fisiche degli elementi; tali periodicità si modificano in modo prevedibile muovendosi lungo i gruppi o periodi della tavola. DIMENSIONI DELL’ATOMO Le dimensioni di un atomo sono determinate dalla grandezza degli orbitali più esterni occupati da elettroni. Il modo più semplice per determinare le dimensioni di un atomo è valutare la distanza esistente tra gli atomi in un campione dell’elemento: è possibile ricavare le dimensioni dei raggi atomici di differenti specie chimiche. Si deduce che:
  • I raggi atomici aumentano scendendo nell’ambito dello stesso gruppo (colonna);
  • I raggi atomici si riducono spostandosi da sinistra verso destra nell’ambito dello stesso periodo (riga). Esaminiamo la correlazione tra questi andamenti e la configurazione elettronica dello stato fondamentale:
  1. Le dimensioni di un atomo sono determinate dalle dimensioni dei suoi elettroni esterni. Scendendo nell’ambito di un gruppo, gli elettroni di valenza verranno a posizionarsi in livelli energetici sempre maggiori. Gli elettroni dei livelli di energia minore (sotto il guscio degli elettroni di valenza) devono occupare spazio e quindi gli elettroni del guscio di valenza verranno a trovarsi sempre più distanti dal nucleo, determinando un aumento delle dimensioni dell’atomo man mano che si scende lungo la colonna.
  2. Per gli elementi dello stesso periodo, il livello energetico principale rimane lo stesso. Andando da sinistra verso destra ogni elemento possiede un protone in più rispetto all’elemento precedente. All’interno dello stesso periodo, quindi, passando da un elemento a quello successivo a destra, la carica nucleare aumenta di una unità. Il risultato è che questo aumento di carica positiva produce un aumento della forza attrattiva degli elettroni di valenza, provocando una conseguente riduzione del raggio atomico. ENERGIA DI IONIZZAZIONE Gli atomi sono elettricamente neutri perché normalmente non perdono né acquistano elettroni, mantenendo il loro stato neutrale. Il valore di energia di ionizzazione indica quanto sia difficile allontanare dal nucleo l’elettrone più facilmente rimovibile da un atomo allo stato gassoso: quanto più difficile è allontanare l’elettrone, tanto più alta sarà l’energia di ionizzazione. Le energie di ionizzazione sono sempre positive perché misurano l’energia che deve essere fornita per superare le forze attrattive esistenti tra elettrone e nucleo.
  1. Ioni degli elementi dei periodi 1A e 2A con cariche superiori a +2 sono instabili. Il boro, ad esempio, ha 3 elettroni di valenza e se li perdesse diventerebbe B3+ con guscio esterno completo. Sembra che questa carica sia troppo grande per uno ione di un elemento del secondo periodo ed esso non si trova in composti ionici stabili. Ugualmente, il carbonio non perde i suoi 4 elettroni di valenza, né guadagna 4 elettroni. Entrambi questi cambiamenti genererebbero una carica troppo grande per un elemento del secondo periodo.
  2. La regola dell’ottetto non si applica ai gruppi 1B-7B (elementi di transizione), molti dei quali formano ioni con due o più cariche positive. Ci sono differenze tra le proprietà di un atomo e quelle dei suoi ioni: sono specie chimiche completamente diverse e hanno proprietà chimico-fisiche diverse. Bisogna quindi fare attenzione a distinguerli. 3.3 NOMI AD ANIONI E CATIONI I nomi vengono stabiliti dalla IUPAC. Nomenclatura cationi monoatomici. Un catione monoatomico si forma quando un metallo perde uno o più elettroni di valenza. Elementi dei gruppi 1A, 2A e 3A formano un unico tipo di catione. Per gli ioni di questi metalli, il nome del catione è il nome del metallo preceduto dalla parola ione. Non è necessario specificarne la carica perché è possibile soltanto una carica: Gruppo 1A Gruppo 2A Gruppo 3A H+ → ione idrogeno Li+ → ione litio Na+ → ione sodio Mg2+ → ione magnesio Ca2+ → ione calcio Ba2+ → ione bario Al3+ → ione alluminio La maggior parte degli elementi di transizione e di transizione interna forma più di un tipo di catione e il suo nome deve indicare la sua carica. Si scrive il numero romano immediatamente dopo il nome del metallo. Ad esempio Cu+ è lo ione rame(I) e Cu2+ è lo ione rame(II). Nella nomenclatura tradizionale, i nomi dei cationi metallici che presentano due cariche diverse usano il suffisso - oso per indicare la carica più piccola e - ico per indicare quella più grande (es. ione rameoso Cu+ e ione rameico Cu2+). Nomenclatura anioni monoatomici. Un anione monoatomico prende il nome aggiungendo - uro alla radice del nome. Esempio: F- è fluoruro, Cl- è cloruro, Br- è bromuro e così via. Nomenclatura anioni poliatomici. Uno ione poliatomico contiene più di un atomo. Esempio è lo ione idrossido OH-. Il sistema preferito usa i prefissi di-, tri- e così via, per mostrare la presenza di più di un idrogeno. Alcuni esempi dei più comuni:
    • 𝑁 4 +^ → ammonio
    • 𝑂𝐻−^ → idrossido
    • 𝑁𝑂 2 −→ nitrito
    • 𝑁𝑂 3 −→ nitrato
    • 𝐶𝐻 3 𝐶𝑂𝑂−^ → acetato 3.4 TIPI PRINCIPALI DI LEGAME LEGAME IONICO E COVALENTE Secondo il modello di Lewis del legame chimico, gli atomi sono legati insieme in modo che ogni atomo che partecipa al legame acquista un guscio di valenza con configurazione elettronica identica a quella del gas nobile più vicino ad esso per numero atomico. Gli atomi acquisiscono il guscio di valenza completo in due modi:
  3. Un atomo può perdere o guadagnare elettroni necessari per ottenere il guscio di valenza pieno, diventando uno ione. Un legame ionico risulta dalla forza di attrazione elettrostatica tra catione e anione.
  1. Un atomo può condividere elettroni con uno o più atomi per acquisire un guscio di valenza pieno. Il legame covalente risulta dalla forza di attrazione tra due atomi che condividono una o più coppie di elettroni. Si forma una molecola/ione poliatomico. Quando i due elettroni messi in comune provengono da uno solo dei due atomi, il legame si definisce anche covalente dativo. Un modo per capire quale legame esiste è prendere in considerazione la posizione relativa dei due atomi nella tavola periodica. Il legame ionico in genere si forma tra un metallo e un non metallo. Quando due non metalli o un metalloide e un non metallo si combinano, il legame tra essi è di solito covalente. Un altro modo per determinare il tipo di legame è quello di confrontare l’elettronegatività degli atomi coinvolti. ELETTRONEGATIVITÀ E LEGAME CHIMICO L’ elettronegatività è una misura dell’attrazione che un atomo ha per gli elettroni condivisi con un altro atomo in un legame chimico. In genere l’elettronegatività aumenta da sinistra a destra nelle righe (a causa della crescente carica positiva del nucleo, che porta ad una forte attrazione degli elettroni nel guscio di valenza) e dal basso verso l’alto nelle colonne (perché la diminuzione della distanza tra nucleo ed elettroni di valenza porta ad una maggiore attrazione tra essi). Si potrebbe paragonare l’andamento dell’elettronegatività con quello dell’energia di ionizzazione. 3.5 LEGAME IONICO COME SI FORMANO I LEGAMI IONICI Un legame ionico si forma in seguito al trasferimento di uno o più elettroni del guscio di valenza da un atomo di elettronegatività inferiore al guscio di valenza di un atomo di elettronegatività maggiore. L’atomo più elettronegativo guadagna uno o più elettroni di valenza e diventa anione, l’atomo meno elettronegativo perde uno o più elettroni e diventa catione. Il composto formato dall’attrazione elettrostatica di ioni positivi e negativi è un composto ionico. Questo tipo di trasferimento di elettroni per formare un composto ionico è più probabile che si verifichi se la differenza di elettronegatività tra due atomi è di circa 1.9 o maggiore. Se è minore di 1.9 è probabile che il legame sia di tipo covalente. Anche se i composti ionici non sono costituiti da molecole, presentano un rapporto stechiometrico preciso tra gli ioni; le loro formule brute riflettono queto rapporto. FORMULE DEI COMPOSTI IONICI Il numero totale di cariche positive è uguale al numero totale di cariche negative. I pedici nelle formule dei composti ionici rappresentano il rapporto tra ioni. Vanno bilanciate le cariche. 3.6 NOMI DEI COMPOSTI IONICI In italiano si indica prima il nome dell’anione, seguito dal nome del catione. Ma si può usare anche la IUPAC in cui i due termini sono invertiti. Composti ionici binari di metalli costituiti da un unico ione positivo. Un composto binario contiene solo due elementi. In un composto ionico binario , entrambi gli elementi sono presenti come ioni. Il nome del composto è dato di solito dal nome dell’anione seguito da quello del catione. Ad esempio NaCl è chiamato cloruro di sodio o anche sodio cloruro. In genere, nel nome dei composti ionici binari si ignorano gli indici. Composti ionici binari di metalli che formano più di uno ione positivo. Molti metalli di transizione formano più di uno ione positivo. In questo caso si usa il nome dell’anione seguito da quello del catione. Per esempio, il rame forma Cu+ e Cu2+. Secondo la nomenclatura sistemica, usiamo i numeri romani per indicare la carica, secondo i nomi comuni, si inseriscono i suffissi - oso e - ico. Quindi CuCl e CuCl2 si chiameranno cloruro rameoso e cloruro rameico.

Sebbene la maggior parte delle molecole formate da elementi dei gruppi principali abbia strutture elettroniche di valenza che soddisfano la regola dell’ottetto, esistono alcune importanti eccezioni. Un’eccezione coinvolge le molecole che contengono un atomo con più di 8 elettroni nel proprio guscio di valenza. Gli atomi del secondo periodo utilizzano per i legami un orbitale 2s e tre orbitali 2p. Questi 4 orbitali possono contenere solo 8 elettroni di valenza. Gli atomi del terzo periodo però nel loro guscio di valenza hanno un orbitale 3s, tre orbitali 3p e cinque orbitali 3d e quindi possono ospitare più di 8 elettroni. 3.8 NOMI DEI COMPOSTI COVALENTI BINARI Un composto covalente binario è un composto formato da due elementi in cui tutti i legami sono covalenti. Nel definire il nome:

  1. Per prima cosa si indica il nome dell’elemento più elettronegativo e si aggiunge il suffisso - uro. Eccezione: nel caso dell’ossigeno si usa il termine ossido.
  2. Poi si indica il nome dell’elemento meno elettronegativo. Di solito questo è l’elemento scritto per primo nella formula.
  3. Si usano prefissi di-, tri-, tetra- e così via per mostrare il numero di atomi di ciascun elemento. Il prefisso mono- può anche essere omesso. Un’eccezione è CO2, monossido di carbonio. 3.9 RISONANZA Si affronta il problema di trovare un modo per descrivere la struttura di molecole e ioni per i quali un’unica struttura di Lewis non è adeguata. Pauling propose la teoria della risonanza. TEORIA DELLA RISONANZA Secondo questa teoria, molte molecole e ioni sono meglio descritti scrivendo due o più strutture di Lewis e considerando che la molecola/ione è un ibrido di queste strutture. Ciascuna struttura di Lewis viene chiamata struttura limite di risonanza. La molecola o lo ione è un ibrido di risonanza delle varie strutture limite e il collegamento tra queste è rappresentato con frecce a doppia punta. Le strutture limite non sono in equilibrio una con l’altra. Tutte le strutture hanno però legami covalenti identici. L’uso del termine “risonanza” indica che i legami e le coppie di elettroni sono in costante moto da una posizione all’altra, ma è sbagliato: si ha una sola struttura reale ma il problema è come rappresentarla, perché ci sono legami covalenti “parziali” perché la coppia di elettroni è condivisa tra più coppie di atomi. Quando esiste la risonanza, essa è un fattore stabilizzante: un ibrido di risonanza è più stabile di una struttura limite ipotetica. COME DISEGNARE FRECCE CURVE E SPOSTARE ELETTRONI In genere l’unica differenza nelle strutture limite è la posizione degli elettroni di valenza. Per generare una struttura di risonanza, i chimici usano una freccia curva. La freccia indica l’origine di una coppia di elettroni (coda della freccia) e dove si va a riposizionare in una struttura limite alternativa (punta della freccia). Una freccia curva indica lo spostamento delle coppie di elettroni. Le strutture limite per ogni ione sono completamente equivalenti chimicamente ed energeticamente. Hanno lo stesso schema di legame. Le frecce curve sono utilizzate solo per mostrare il riposizionamento delle coppie di elettroni quando si forma una nuova struttura limite. COME SCRIVERE STRUTTURE LIMITE ACCETTABILI
  4. Tutte le strutture limite devono avere lo stesso numero di elettroni di valenza;
  5. Tutte le strutture limite devono obbedire alle regole del legame covalente. Nessuna struttura limite può avere più di due elettroni nel guscio di valenza dell’idrogeno o più di otto elettroni nel guscio di valenza di un elemento del

secondo periodo. Gli elementi del terzo periodo (fosfato o zolfo) possono avere più di otto elettroni nel guscio di valenza.

  1. Le posizioni di tutti i nuclei devono essere le stesse in tutte le strutture di risonanza; le strutture limite devono differire solo per la distribuzione degli elettroni di valenza. 3.10 ANGOLI DI LEGAME NELLE MOLECOLE COVALENTI Siamo in grado di predire gli angoli di legame di molecole utilizzando il modello della repulsione delle coppie di elettroni nel guscio di valenza (VSEPR). Secondo questo modello, gli elettroni di valenza di un atomo possono essere coinvolti nella formazione di legami singoli, doppi o tripli, oppure possono essere non condivisi. Ogni combinazione crea una regione di densità elettronica attorno al nucleo con carica negativa. Le varie regioni di densità elettronica attorno al nucleo sono distribuite in modo che ciascuna sia il più lontano possibile dalle altre (cariche uguali si respingono). Si possono determinare gli angoli di legame immaginando un pallone gonfiato che rappresenta una regione di densità elettronica. Due palloni gonfiati legati insieme alle estremità assumono un certo tipo di forma: il punto in cui sono legati insieme rappresenta il nucleo e i palloni rappresentano le regioni di densità elettronica su questo atomo.
  • Due elementi assumono forma lineare con un angolo di legame di 180° rispetto al punto di unione;
  • Tre elementi assumono una forma trigonale planare con angoli di legame di 120° rispetto al punto di unione;
  • Quattro elementi assumono forma tetraedrica con angoli di legame di 109,5° rispetto al punto di unione. Alcuni esempi:
  • CH4 → la struttura di Lewis si presenta con un atomo di C circondato da 4 regioni di densità elettronica (H). Ogni regione contiene una coppia di elettroni che forma un legame covalente singolo con un atomo di idrogeno. Secondo il modello VSEPR le 4 regioni puntano lontano dal C in modo da risultare il più possibile lontane l’una dell’altra. La separazione massima si ha quando l’angolo tra le due regioni è di 109,5° (molecola tetraedrica).
  • NH3 → la struttura di Lewis mostra l’atomo di N circondato da 4 regioni di densità elettronica. Tre regioni contengono coppie di elettroni singole che formano un legame covalente con un atomo di idrogeno. La quarta regione contiene una coppia di elettroni non condivisa. In questo caso si avrà un angolo di legame di 107.5° perché la coppia non condivisa di elettroni è più libera di muoversi (molecola tetraedrica piramidale, ovvero la molecola è a forma di piramide a base triangolare con i tre atomi di idrogeno alla base e il doppietto dell’azoto non condiviso al vertice).
  • H2O → ossigeno circondato da 4 regioni di densità elettronica: due di queste contengono coppie di elettroni per formare legami covalenti singoli con atomi di idrogeno; le due regioni rimanenti contengono coppie di elettroni non condivise. Si disporranno con angoli di 104,5° (due coppie di elettroni non condivisi). Nel modello VSEPR si tratta il doppio legame come unica zona di densità elettronica. Quando ci sono quattro regioni di densità elettronica, quindi, si avrà un angolo di legame di 109,5°. Quando ci sono tre regioni di densità elettronica, si formeranno angoli di legame di 120° e tutti gli atomi saranno su un unico piano, quindi geometria planare ( trigonale planare ). Quando ci sono due regioni di densità elettronica, gli angoli di legame saranno di 180° (geometria lineare). APPROFONDIMENTO: LA TEORIA DEL LEGAME DI VALENZA + ORBITALI IBRIDI La teoria del legame di valenza afferma che il legame si formi per sovrapposizione di orbitali parzialmente occupati, dando origine a un orbitale molecolare nel quale i due elettroni provenienti dai due orbitali atomici si accoppiano. I due elettroni assumeranno spin opposti. Talvolta può avvenire che un orbitale atomico contenente due elettroni si sovrapponga a un orbitale vuoto di un altro atomo, dando origine ad un orbitale molecolare contenente due elettroni. In questo caso il legame viene definito covalente dativo. I legami che si formano tramite sovrapposizione di un orbitale atomico s con un altro s o con un p, oppure di un p con un p o simili, si definiscono legami sigma. Mentre gli orbitali s hanno simmetria sferica e quindi la loro sovrapposizione non implica nessuna direzionalità, la sovrapposizione con un orbitale p implica un legame ben direzionato.

4.3 COME PREDIRE SE GLI IONI REAGISOCNO TRA LORO IN SOLUZIONE ACQUOSA

Molti composti ionici sono solubili in acqua. I composti ionici sono sempre formati da ioni positivi e negativi, quando vengono disciolti in acqua, le molecole di acqua separano gli ioni positivi da quelli negativi mediante dissociazione. Cosa succede quando mescoliamo le soluzioni acquose di due differenti composti ionici? A seconda del tipo di ioni, può avvenire o meno una reazione tra essi. Se gli ioni reagiscono formando un composto insolubile in acqua, si ha una reazione di formazione di precipitato, altrimenti non ci sarà alcuna reazione. Gli ioni che non partecipano alla reazione, ma rimangono disciolti in acqua sono detti ioni spettatori. Si può ottenere l’ equazione ionica netta elidendo dalla reazione gli ioni spettatori e mostrando solo gli ioni che reagiscono. In generale gli ioni in soluzione reagiscono tra di loro solo quando ha luogo uno di questi 4 eventi:

  1. Due ioni formano un solido insolubile in acqua.
  2. Due ioni formano un gas che fuoriesce dalla miscela di reazione sotto forma di bolle.
  3. Un acido neutralizza una base.
  4. Uno di questi ioni può ossidare l’altro. In molti casi, nel mescolamento di soluzioni di composti ionici non avviene alcuna reazione. Dei quattro modi in cui gli ioni reagiscono in acqua, la formazione di composto insolubile è uno dei più comuni. È possibile predire se ciò avverrà conoscendo la solubilità dei composti ionici. Alcune linee guida:
  • Tutti i Sali del gruppo 1A (metalli alcalini) e i Sali d’ammonio sono solubili: Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, 𝑁𝐻 4 +.
  • Tutti i nitrati sono solubili: 𝑁𝑂 3 −.
  • Tutti i comuni cloruri, bromuri e ioduri sono solubili eccetto alcune specie: Cl-, Br-, I-.
  • La maggior parte dei solfati sono solubili: 𝑆𝑂 42 −.
  • Tutti gli acetati sono solubili: 𝐶𝐻 3 𝐶𝑂𝑂−^.
  • Tutti i fosfati sono insolubili, eccetto quelli di 𝑁𝐻 4 +^ e dei cationi del gruppo 1A (metalli alcalini): 𝑃𝑂 43 −.
  • Tutti i carbonati sono insolubili, eccetto quelli di 𝑁𝐻 4 +^ e dei cationi del gruppo 1A (metalli alcalini): 𝐶𝑂 32 −.
  • Tutti gli idrossidi sono insolubili, eccetto quelli di 𝑁𝐻 4 +^ e dei cationi del gruppo 1A (metalli alcalini): 𝑂𝐻−^.
  • Tutti i solfuri sono insolubili, eccetto quelli di 𝑁𝐻 4 +^ e dei cationi del gruppo 1A (metalli alcalini) e 2A: 𝑆^2 −. 4.4 OSSIDAZIONE E RIDUZIONE L’ossido-riduzione è una delle più importanti classi di reazioni chimiche. L’ ossidazione consiste nella perdita di elettroni, mentre la riduzione consiste in un guadagno di elettroni. Una reazione di ossido-riduzione (chiamata anche reazione redox ) è caratterizzata dal trasferimento di elettroni da una specie all’altra. Non sono reazioni indipendenti, nessuna ossidazione può avere luogo senza essere accompagnata da riduzione. L’ agente ossidante è quello che ossida un altro elemento e l’ agente riducente è quello che riduce un altro elemento. I chimici hanno sviluppato un’altra definizione, applicabile più facilmente, specialmente con composti organici:
  • Ossidazione: il guadagno di atomi di ossigeno e/o perdita di atomi di idrogeno;
  • Riduzione: il guadagno di atomi di idrogeno e/o perdita di atomi di ossigeno. Le reazioni redox sono molto comuni, ci sono alcune importanti categorie:
  • Combustione: tutte le reazioni di combustione sono redox in cui i composti o le miscele che bruciano sono ossidati dall’ossigeno O2. Tali reazioni includono carbonio e tutti, eccetto il carbone, contengono idrogeno. Se la combustione è completa, il carbonio si ossida a CO2 e l’idrogeno si ossida a H2O. Nel caso di combustione incompleta, questi elementi si ossidano ad altri composti, molti dei quali causano inquinamento.
  • Respirazione: l’ossigeno che respiriamo ossida i composti carboniosi nelle cellule per produrre CO2 e H2O. La respirazione è equivalente alla combustione, ad eccezione del fatto che avviene più lentamente e a temperatura più bassa. Il prodotto importante della respirazione è l’energia, non CO2 o H2O.
  • Arrugginimento: il ferro è ossidato ad una miscela di ossidi di ferro.
  • Sbiancatura: i comunica candeggianti sono agenti ossidanti. I composti colorati da sbiancare sono solitamente composti organici che vengono trasformati, tramite ossidazione, in composti incolori.
  • Batterie: una cella voltaica è un dispositivo in cui l’elettricità viene generata da una reazione chimica. Tali celle sono chiamate batterie. 4.5 PESO FORMULA E PESO MOLECOLARE Il peso formula (PF) di un composto è la somma dei pesi atomici in unità di massa atomica (uma), di tutti gli atomi presenti nella formula del composto. Il peso molecolare (PM) è corretto solo quando applicato ai composti covalenti. 4.6 CONCETTO DI MOLE E SUO UTILIZZO PER RELAZIO NI DI MASSA Le unità formula possono essere atomi, molecole o ioni. I chimici hanno definito un’unità chiamata mole (mol) , che è la quantità di sostanza che contiene tanti atomi, molecole o ioni, quanti ce ne sono in 12g di carbonio-12. Indipendentemente dal tipo di composto o elemento, una mole contiene lo stesso numero di unità formula. Il numero di unità formula in una mole viene chiamato numero di Avogadro , che vale: 6 , 022 ∙ 1023. La massa molare di ogni sostanza è il peso formula della sostanza espresso in grammi (stesso numero di uma ma in g/mol). 4.7 RELAZIONI DI MASSA NELLE REAZIONI CHIMICHE STECHIOMETRIA Un’equazione chimica bilanciata ci dice non solo quali sostanze reagiscono e quali si formano, ma anche i rapporti molari con cui esse reagiscono. Usando i rapporti molari in un’equazione chimica bilanciata, è possibile calcolare la massa dei reagenti di cui si ha bisogno per produrre una particolare massa di prodotto → stechiometria. È possibile conoscere i rapporti molari tra specie. Queste considerazioni ci permettono di rispondere a domande come:
  • Quante moli di ogni particolare prodotto si formano se si inizia con una data massa di materiale di partenza?
  • Quanti grammi (o moli) di un materiale di partenza sono necessari per reagire completamente con un dato numero di grammi (o moli) di un altro materiale di partenza?
  • Quanti grammi (o moli) di materiale di partenza sono necessari per formare un certo numero di grammi (o moli) di un certo prodotto?
  • Quanti grammi (o moli) di un prodotto si ottengono quando si è formata una certa quantità di un altro prodotto? REAGENTI LIMITANTI I reagenti sono spesso mescolati in proporzioni molari che differiscono da quelle che appaiono in un’equazione bilanciata. Spesso accade che mentre un reagente reagisce completamente, uno o altri non reagiscano del tutto. In molti casi si sceglie di avere un reagente in eccesso rispetto all’altro. Il reagente limitante è il reagente che si consuma completamente (reagente presente in minor numero di moli). RESA PERCENTUALE Quando ha luogo una reazione, spesso si ottiene meno prodotto di quanto ci si aspetta dai calcoli effettuati, ma non viene violata la legge di conservazione della massa. È necessario definire tre termini:
  • Resa reale: massa di prodotto che si è formato o che è stato isolato in una reazione;
  • Resa teorica: massa di prodotto che si dovrebbe formare in una reazione, secondo la stechiometria dell’equazione bilanciata;
  • Resa percentuale: rapporto tra resa reale/resa teorica moltiplicato per cento. È importante conoscere la resa percentuale per i costi.

La legge di Charles afferma che il volume di una quantità di gas ideale, a pressione costante, è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta (K). Se una determinata quantità di gas è mantenuta a pressione costante, un aumento della temperatura comporta un aumento di volume. 𝑉 𝑇

LEGGE DI GAY-LUSSAC E LA RELAZIONE TEMPERATURA - PRESSIONE

La legge di Gay-Lussac afferma che per una quantità di gas, a volume costante, la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura in kelvin (K). All’aumentare della temperatura di un gas, la pressione aumenta proporzionalmente. 𝑃 𝑇

LEGGE COMBINATA DEI GAS

Le tre leggi dei gas possono essere combinate ed espresse dalla legge combinata dei gas: 𝑃𝑉 𝑇

5.4 LEGGE DI AVOGADRO E LEGGE DEI GAS IDEALI

La legge di Avogadro descrive la relazione tra la massa di un gas e il suo volume e afferma che uguali volumi di gas alla stessa temperatura e alla stessa pressione contengono lo stesso numero di molecole. Quindi, se la temperatura, la pressione e il volume di due gas sono uguali, i due gas contengono lo stesso numero di molecole indipendentemente dalla natura chimica dei gas considerati. Due o più gas possono essere comparati a qualsiasi valore di temperatura e pressione, ma è conveniente selezionare dei valori standard: 1atm e 0°C (273K) → temperatura e pressione standard (TPS). Una mole di qualsiasi gas a TPS occupa un volume di 22,4 L. La legge di Avogadro permette di scrivere la legge dei gas ideali : 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 Con R=costante universale per i gas, detta costante dei gas ideali che vale 0,0821 L atm/mol K. La legge dei gas ideali vale per tutti i gas ideali ad ogni temperatura, pressione e volume. 5.5 LEGGE DI DALTON DELLE PRESSIONI PARZIALI In una miscela di gas, ogni molecola si comporta indipendentemente dalle altre ammesso che i gas si comportino come ideali e che non interagiscano tra loro. La legge dei gas ideali vale per miscele di gas ideali oltre che per gas ideali puri. La legge di Dalton delle pressioni parziali afferma che la pressione totale Ptot di una miscela di gas è la somma delle pressioni parziali di ogni singolo gas. Un corollario della legge di Dalton è che la pressione parziale di un gas in una miscela è la pressione che il gas eserciterebbe se fosse presente da solo nel recipiente. 5.6 TEORIA CINETICA MOLECOLARE La relazione tra il comportamento macroscopico dei gas e il comportamento delle singole molecole gassose è spiegato dalla teoria cinetica molecolare , che si basa su 6 assunzioni:

  1. I gas consistono di particelle, atomi o molecole, in continuo movimento casuale e con velocità diverse. I gas miscelano rapidamente tra di loro;
  1. L’energia cinetica media è proporzionale alla temperatura in kelvin. Maggiore è la temperatura, più veloce è il movimento e maggiore è l’energia cinetica;
  2. Le molecole collidono e quando si urtano possono scambiare energia cinetica, ma l’energia cinetica totale del gas resta costante;
  3. Le particelle di gas non hanno volume. La maggior parte del volume occupato da gas è vuoto e questo spiega perché i gas possono essere facilmente compressi;
  4. Non ci sono forze attrattive tra particelle di gas, non si legano in seguito a collisione;
  5. Le molecole collidono con le pareti del recipiente e queste costituiscono la pressione del gas. Maggiore è il numero di collisioni per unità di tempo, maggiore è la pressione. Maggiore è l’energia cinetica media e maggiore è la pressione. Nei gas reali però esistono forze di attrazione tra molecole e le molecole occupano un certo volume. Le 6 assunzioni si riferiscono ad un gas ideale. 5.7 FORZE ATTRATTIVE TRA MOLECOLE La forza delle attrazioni intermolecolari determina se il campione è gas, liquido o solido in condizioni definite di pressione e temperatura. Tali forze possono diventare importanti e causare condensazione e solidificazione. FORZE DI DISPERSIONE DI LONDON Tra tutte le molecole, polari e non polari, esistono forze attrattive. A temperature sufficientemente basse, anche molecole non polari e gas possono essere liquefatti. Questo significa che si stabilisce qualche tipo di interazione tra molecole che le tiene insieme nello stato liquido. Queste deboli forze attrattive sono dette forze di dispersione di London , che consistono in interazioni elettrostatiche. Per comprenderne l’origine è necessario pensare in termini di distribuzioni istantanee degli elettroni all’interno di un atomo o di una molecola. Ad esempio si consideri un campione di atomi di neon (liquefano a - 246°C): la distribuzione di densità elettronica in un atomo di neon è simmetrica nel tempo e un atomo di neon non ha dipolo (no separazione tra cariche positive e negative). Tuttavia, in un dato istante, la densità elettronica di un atomo di neon può essere concentrata in una parte dell’atomo creando un dipolo temporaneo. Questo induce dipoli temporanei negli atomi di neon adiacenti. Le attrazioni tra questi dipoli temporanei indotti sono dette forze di dispersione di London e sono le forze che tengono insieme le molecole non polari a formare lo stato liquido. Le forze di London esistono tra tutte le molecole, ma sono le uniche forze di attrazione che si stabiliscono tra molecole non polari. La loro energia cresce all’aumentare della massa e del numero di elettroni in una molecola. Sebbene siano molto deboli, contribuiscono alle forze di attrazione tra molecole di grandi dimensioni perché agiscono su ampie superfici. INTERAZIONI DIPOLO-DIPOLO Molte molecole sono polari: l’attrazione tra l’estremità positiva di un dipolo e l’estremità negativa è detta interazione dipolo-dipolo. Queste interazioni possono stabilirsi tra due molecole polari identiche o tra due differenti molecole polari o all’interno di una stessa molecola. LEGAME IDROGENO Quando l’estremità positiva di un dipolo è un atomo di idrogeno legato ad un O, N o F (atomi ad alta elettronegatività) e l’estremità negativa dell’altro dipolo è un atomo O, N o F, l’interazione tra i dipoli è particolarmente forte e viene detta legame a idrogeno. Un esempio è il legame a idrogeno che si stabilisce tra le molecole di acqua sia allo stato liquido che allo stato solido. 5.8 DESCRIZIONE DEL COMPORTAMENTO DEI LIQUID I A LIVELLO MOLECOLARE
  1. Forze intermolecolari: l’acqua e il metano hanno circa lo stesso peso molecolare. Il punto normale di ebollizione dell’acqua è 100°C, mentre quello del metano è - 164°C. Questa differenza riflette il fatto che le molecole di metano (CH4) nello stato liquido devono superare solo le deboli forze di dispersione di London per passare allo stato di vapore (basso punto di ebollizione), al contrario le molecole di acqua, essendo legate da legami a idrogeno, hanno bisogno di più energia cinetica (maggiore temperatura di ebollizione). Quindi la differenza nei punti di ebollizione di questi composti dipende dalla forza dei legami idrogeno rispetto alle deboli forze di dispersione di London.
  2. Numero di siti per interazioni intermolecolari (area superficiale): si considerino i punti di ebollizione del metano (CH4 = - 164°C) e dell’esano (C6H14 = 69°C). Entrambi sono composti non polari, per cui non ci sono legami a idrogeno o interazioni dipolo-dipolo. L’unica forza di attrazione tra molecole sono le forze di dispersione di London. La differenza nei loro punti di ebollizione riflette il fatto che l’esano ha più elettroni e una maggiore area superficiale rispetto al metano. A causa della sua maggiore area superficiale, ci sono più siti di interazione da vincere tra le molecole di esano piuttosto che tra quelle di metano e quindi l’esano ha punto di ebollizione più alto.
  3. Forma molecolare: quando le molecole sono simili in tutto, eccetto che nella forma, la forza delle interazioni intermolecolari determina i loro relativi punti di ebollizione. Si considerino il pentano (36,1°C) e il 2,2- dimetilpropano (9,5°C). Entrambi hanno la stessa formula molecolare C5H12 e lo stesso peso molecolare, ma il punto di ebollizione del pentano è maggiore di quello del 2,2-dimetilpropano. Questa differenza è relativa alla forma molecolare: le sole forze di attrazione tra queste molecole non polari sono le forze di dispersione di London; il pentano è una molecola lineare, mentre il 2,2-dimetilpropano ha una forma sferica e un’area superficiale minore di quella del pentano. Al diminuire dell’area superficiale, il contatto tra particelle, le forze di London e i punti di ebollizione diminuiscono. Quindi le forze di London nel 2,2-dimetilpropano sono più deboli di quelle tra le molecole di pentano e quindi ha un punto di ebollizione minore. 5.9 CARATTERISTICHE DEI VARI TIPI DI SOLIDI La formazione di un solido da un liquido è detta solidificazione o cristallizzazione. Tutti i solidi hanno forma regolare macroscopicamente evidente, che riflette la disposizione delle particelle nel cristallo. Anche i metalli consistono di particelle disposti in un reticolo cristallino regolare, ma qui ci sono atomi e non ioni (come ad esempio nel sale da cucina). I solidi hanno quasi sempre una densità maggiore dei liquidi (particelle sono più vicine tra loro). Un’importante eccezione è rappresentata dal ghiaccio e dall’acqua. C’è una distinzione tra solidi cristallini e amorfi. I solidi cristallini sono quelli in cui atomi, ioni o molecole possono essere ulteriormente classificati come ionici, molecolari, polimerici, a rete covalente e metallici. I solidi amorfi sono quelli in cui gli atomi o molecole sono disposti senza alcuna periodicità a lungo raggio.
  • I solidi ionici sono formati da ioni disposti in modo periodico e tenuti insieme in un reticolo cristallino da legami ionici. La forza di un legame ionico dipende dalle cariche degli ioni e dalla loro dimensione e influenza direttamente le proprietà fisiche del solido.
  • I solidi molecolari consistono di molecole tenute insieme da forze intermolecolari più deboli come le forze di London, interazioni dipolo-dipolo, legami idrogeno. I solidi molecolari hanno generalmente punti di fusione molto più bassi di quelli dei cristalli ionici.
  • I solidi covalenti a rete sono formati da atomi legati tra loro da legami covalenti. L’intero cristallo può essere considerato come una grande molecola che contiene fino a 10^23 atomi. Questi solidi covalenti hanno altissimi punti di fusione.
  • I solidi metallici consistono di atomi metallici disposti in modo cristallino. Il legame è troppo forte per essere dovuto alle forze di London, ma d’altra parte non ci sono sufficienti elettroni di valenza per poter formare legami covalenti. È formato da cationi metallici, circondati da una nuvola di elettroni di valenza. Il legame metallico risulta dalla sovrapposizione di questi elettroni di valenza diffusi su tutto il solido. La forza del legame aumenta all’aumentare del numero di elettroni disponibili per formare il legame. Alcuni elementi esistono in forme diverse nello stesso stato fisico. Queste forme sono note come allotropi. L’esempio più noto è il carbonio, che può esistere in più di 40 forme strutturali diverse (alcune cristalline e alcune amorfe).

5.10 CAMBIAMENTO DI FASE ED ENERGIE COINVOLTE

CURVA DI RISCALDAMENTO PER L’ACQUA DA SOLIDO A GASSOSO

Immaginiamo di riscaldare un pezzo di ghiaccio inizialmente a - 20°C. La temperatura del ghiaccio aumenta ma il suo aspetto non varia fino alla temperatura di 0°C, quando comincia a fondere e compare acqua liquida. Continuando a riscaldare, sempre più ghiaccio fonde ma la temperatura rimane costante a 0°C fino a che tutto il ghiaccio risulta fuso. A questo punto, se si continua a scaldare a 100°C l’acqua bolle e la temperatura rimane costante finché tutta l’acqua liquida è passata allo stato gassoso (vapore), a questo punto la temperatura sale oltre i 100°C. Questi cambiamenti di stato sono detti cambiamenti di fase. Una fase è una qualsiasi parte di un sistema che risulti interamente uniforme (omogenea). L’acqua solida (ghiaccio) è una fase, così come l’acqua liquida e quella gassosa. Calcoliamo la quantità di calore necessario per portare 1g di ghiaccio che si trova a - 20°C a vapore acqueo a 120°C. Sono necessarie 9.6 calorie per aumentare la temperatura di 1g di ghiaccio da - 20°C a 0°C. Arrivato a 0°C un ulteriore riscaldamento provoca un cambiamento di fase: il calore necessario per la fusione del ghiaccio è di 80 calorie. Con l’acqua liquida, sono necessarie 100 calorie per aumentarne la temperatura fino a 100°C (punto normale di ebollizione). La quantità di calore necessaria per la vaporizzazione è detta calore di vaporizzazione ed è uguale a 540 cal/g. L’acqua gassosa necessita di 0.48 cal/g per essere riscaldata ulteriormente fino a 120°C. Questi dati sono mostrati nella curva di riscaldamento e l’energia totale richiesta per questa conversione è 739 calorie. I cambiamenti di fase sono reversibili. Una transizione diretta da stato solido a stato vapore senza passaggio allo stato liquido è detta sublimazione. I solidi sublimano di solito solo a pressioni ridotte (minori di 1 atm). È possibile mostrare tutti i cambiamenti di fase per ogni sostanza su un diagramma di fase : la temperatura è riportata sull’asse x e la pressione sull’asse y. Si individuano tre aree contrassegnate da diversi colori che corrispondono a stato solido, liquido e gassoso. La linea che separa la fase solida da quella liquida contiene tutti i punti di fusione: ai punti di fusione, la fase solida e liquida coesistono. La linea che separa la fase liquida da quella gassosa contiene tutti i punti di ebollizione: ai punti di ebollizione la fase liquida e gassosa coesistono. Infine, la linea che separa la fase solida da quella gassosa contiene tutti i punti di sublimazione: in corrispondenza di questi punti, la fase solida e gassosa coesistono. Nel punto triplo tutte e tre le fasi coesistono.

CAPITOLO 6: SOLUZIONI E COLLOIDI (6 PAG.)

6.1 INTRO

Se a livello molecolare una miscela (sistemi che consistono di uno o più componenti) è uniforme, diciamo che è omogenea o una soluzione, altrimenti è eterogenea se presenta dei confini definiti tra parti. Alcuni sistemi si trovano a metà tra miscele omogenee ed eterogenee e sono classificate come dispersioni colloidali (o sospensioni). 6.2 TIPI DI SOLUZIONI Le soluzioni possono essere solide, liquide o gassose. Nel caso dei gas, non esistono miscele eterogenee perché le molecole si miscelano tra loro in qualsiasi proporzione. Nel caso dei solidi, invece, quasi sempre si hanno miscele eterogenee. Le miscele omogenee di solidi (leghe) esistono ma si ottengono attraverso la fusione di solidi, miscelando i componenti fusi e lasciando che si solidifichi la miscela. Ci sono delle soluzioni molto comuni:

  • Gas in liquido → soluzione liquida;
  • Liquido in liquido → soluzione liquida;
  • Solido in liquido → soluzione liquida;
  • Gas in gas → soluzione gassosa;
  • Solido in solido → soluzione solida.