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Riassunto "Chimica e propedeutica biochimica" - Bettelheim (cap. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9)
Tipologia: Sintesi del corso
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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:
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:
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:
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:
secondo periodo. Gli elementi del terzo periodo (fosfato o zolfo) possono avere più di otto elettroni nel guscio di valenza.
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:
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
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
Le tre leggi dei gas possono essere combinate ed espresse dalla legge combinata dei gas: 𝑃𝑉 𝑇
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:
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.
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: