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I CONCETTI ALLA BASE DELLA CHIMICA
La chimica e i suoi metodi
La chimica, che si occupa delle trasformazioni della materia, un tempo si occupava delle trasformazioni da una sostanza naturale ad un’altra, ora, invece, studia le trasformazioni di una singola sostanza pura, naturale o artificiale, in un’altra, a livello atomico e molecolare. La chimica, nella società moderna, è utile per la comprensione delle discipline scientifiche, come la biologia, e, inoltre, gioca un ruolo fondamentale nell’economia dei paesi sviluppati.
L’importanza della chimica nelle scienze biologiche L’analisi e la caratterizzazione delle molecole prodotte nelle reazioni chimiche è importante per comprendere la natura e il comportamento dei sistemi biologici; inoltre, le proprietà chimico-fisiche delle molecole studiate dipendono dalla disposizione relativa nello spazio degli atomi della molecola vincolati dai legami covalenti (struttura molecolare). Grazie alla chimica, i biologi, possono studiare e comprendere l’organizzazione dei sistemi molecolari determinati dalle interazioni molecolari.
Tappe dei chimici per la ricerca scientifica Gli scienziati per risolvere i problemi che gli vengono posti seguono diverse tappe. Innanzitutto effettuano dei test preliminari da cui riusciranno a formulare un’ipotesi, ossia un tentativo utile a spiegare o prevedere qualcosa basandosi su osservazioni sperimentali. Successivamente effettuano degli esperimenti, in cui raccolgono informazioni qualitative (osservazioni non numeriche come il colore) e quantitative (dati numerici come la massa). Dopo numerosi esperimenti ed essersi assicurati che i risultati siano riproducibili, si possono riassumere le informazioni sotto forma di regola generale o conclusione. Dopo numerosi esperimenti, svolti da diversi scienziati, l’ipotesi originale, se esatta, può diventare legge, cioè una concisa affermazione o una formula matematica che esprime un comportamento o una relazione che è stata osservata in natura senza contraddizioni. Una volta formulata la legge si può enunciare una teoria, ossia quel principio unificante, ripetutamente verificato, che spiega un insieme di fatti e leggi basato su di essi.
Obiettivi, dubbi ed integrità della scienza Le scienze, e quindi anche la chimica, si pongono come obiettivo quello di verificare le supposizioni fatte per poter prevedere cosa può accadere in determinate circostanze, per poter controllare il risultato delle reazioni chimiche o di un processo. Alcune volte, nella ricerca scientifica, gli esperimenti possono contenere un certo livello di incertezza, contenere dati spuri o contraddittori, i risultati possono essere inconcludenti; in questi casi, per aiutare lo scienziato a mantenere la sua integrità, sono emersi alcuni semplici principi:
- i risultati sperimentali dovrebbero essere riproducibili e riportati nella letteratura scientifica in modo dettagliato, così da poter essere usati o riprodotti da altri;
- le conclusioni dovrebbero essere ragionevoli e obiettive;
- si dovrebbe rendere merito al lavoro degli altri.
Le discipline chimiche Storicamente la chimica era suddivisa in diverse discipline:
- organica, studia i composti contenente gli elementi carbonio (C) e idrogeno (H), storicamente i composti estratti da organismi viventi;
- inorganica, studia tutto ciò che non rientra nella chimica organica
- chimica-fisica, studia i sistemi chimici (sia organici che inorganici) applicando delle metodologie (sia sperimentali che teoriche) tipiche della disciplina fisica (formalismo matematico e rigore scientifico).
Molte discipline moderne, come la Chimica Supramolecolare, che studia la chimica dei complessi molecolari, è a cavallo tra le discipline storiche.
Classificazione della materia
Gli stati di aggregazione della materia e la teoria cinetica molecolare Lo stato di aggregazione, cioè se una sostanza è un solido, un liquido o un gas, è una proprietà facilmente osservabile.
- Un solido possiede una forma propria e un volume definito che varia di poco al variare della temperatura e della pressione.
- Un liquido ha un volume fisso ma, essendo fluido, la forma è determinata dal recipiente che lo contiene.
- I gas, anch’essi fluidi, non hanno un volume fisso ma esso varia con la dimensione del contenitore, inoltre varia col variare della temperatura e della pressione. Normalmente i passaggi di stato sono accompagnati da variazioni di volume, minimo nella fusione (tranne per l’acqua il cui volume aumenta passando dallo stato liquido a quello solido), e notevolmente maggiore nell’evaporazione. In accordo con la teoria cinetica molecolare tutta la materia è formata da particelle estremamente piccole in continuo movimento:
- nei solidi le particelle, impaccate strettamente fra loro, solitamente in ordine regolare, vibrano intorno alla posizione di equilibrio;
- gli atomi o le molecole di un liquido sono disposti a caso poiché le particelle non sono legate ad una posizione specifica e possono muoversi liberamente;
- in condizioni normali le particelle di gas sono distanti tra loro, non sono vincolate ad una posizione, possono muoversi, in modo estremamente rapido, a caso, collidendo fra loro e con le pareti del recipiente così da occuparne l’intero volume. L’aumento della temperatura fa aumentare la velocità delle particelle. L’energia cinetica, ossia l’energia associata al movimento delle particelle, fa si che siano vinte le forze di attrazione tra le particelle.
La materia a livello macroscopico e particellare Le osservazioni e le manipolazioni di solito avvengono nel mondo macroscopico della chimica, un mondo osservabile direttamente. Il livello degli atomi, delle molecole e degli ioni è un mondo che non si può osservare direttamente detto microscopico o particellare.
Le sostanze pure Una sostanza è detta pura quando ha una combinazione costante degli elementi chimici di cui è composta, essa presenta un insieme di proprietà fisiche che la caratterizzano e ne permettono il riconoscimento, inoltre non può essere separata in due o più sostanze diverse a temperatura ambiente attraverso tecniche fisiche.
Miscele omogenee ed eterogenee Una miscela in cui s’individua una struttura non uniforme della materia è chiamata miscela eterogenea, miscela in cui le proprietà di una regione sono differenti da quelle di un’altra. Una miscela omogenea, detta anche soluzione, è formata da due o più sostanze nella stessa fase, cioè nessun ingrandimento potrebbe rivelare differenti proprietà in differenti regioni della miscela. Quando gli elementi di una miscela vengono separati si dice che sono stati purificati.
Elementi ed atomi
Proprietà fisiche e chimiche
Le proprietà fisiche sono proprietà che possono essere osservate e misurate senza variare la composizione della sostanza. La densità, cioè il rapporto fra la massa di un oggetto e il suo volume, è un’utile proprietà per identificare le sostanze; la sua unità di misura nel SI è kg/m 3. Le proprietà chimiche indicano se, e a volte come, una sostanza subisce una trasformazione chimica quando viene a contatto con un’altra.
Le trasformazioni fisiche e chimiche
Le trasformazioni fisiche sono delle variazioni delle proprietà fisiche, in queste trasformazioni l’identità di una sostanza viene conservata, nonostante sia cambiato il suo stato fisico, la dimensione e la forma dei suoi pezzi. Queste trasformazioni non portano alle formazioni di una nuova sostanza, infatti le specie presenti prima e dopo sono sempre le stesse. Nelle trasformazioni chimiche una o più sostanze (i reagenti) vengono trasformate in altre sostanze (i prodotti). La rappresentazione usando le formule chimiche è chiamata equazione chimica, in cui i reagenti si trovano a sinistra e a destra i prodotti. Una proprietà chimica indica se, e a volte come, una sostanza subisce una trasformazione chimica quando viene a contatto con un’altra.
Le unità di misura
Per registrare e riportare le misure, la comunità scientifica ha scelto di utilizzare una versione modificata del sistema metrico decimale, detta Sistema Internazionale (SI).
Le scale per misurare la temperatura Nella pratica scientifica vengono comunemente utilizzate due diverse scale per misurare la temperatura: la scala Celsius e quella Kelvin. La scala Celsius è utilizzata per le misure in laboratorio, ma quando si devono svolgere dei calcoli che implicano l’utilizzo di dati di temperatura, è oppurtuno utilizzare la scala Kelvin.
La scala di temperatura Celsius La scala Celsius viene definita assegnando il valore 0 al punto di congelamento dell’acqua pura (0° C) e 100 al suo punto di ebollizione (100°C).
La scala di temperatura Kelvin William Thomson, noto come Lord Kelvin, suggerì per primo la scala di temperatura Kelvin, questa scala usa per unità la stessa dimensione di quella della scala Celsius, ma assegna lo zero alla temperatura più bassa, noto come zero assoluto, corrispondente a – 273,15° C. T(K) = (1K/1°C) ( T°C + 273.15 °C)
Lunghezza, volume e massa L’unità di misura della lunghezza è il metro. Per il volume, il litro, è l’unità di misura conveniente per l’uso di laboratorio, come il millimetro. Il millimetro è intercambiabile con il centimetro cubico come il litro lo è con il decimetro cubico. La massa di un corpo rappresenta la misura fondamentale della quantità di materia, la sua unità nel SI di massa è il chilogrammo (kg).
Le misure: precisione, accuratezza, errore sperimentale e deviazione standard.
La precisione di una misura indica quanto sono in accordo fra di loro diverse determinazioni della stessa quantità. L’accuratezza rappresenta l’accordo che c’è fra la misura e il valore accettato per quella quantità. In laboratorio, l’accuratezza di una misura è spesso espressa mediante l’errore percentuale, mentre la precisione mediante la deviazione standard.
L’errore sperimentale Errore = valore determinato sperimentalmente – valore accettato Errore percentuale = (errore nella misura/valore accettato) x 100
La deviazione standard Le misure possono essere sbagliate sostanzialmente per due ragioni: possono esserci errori “sistematici”, causati dalla strumentazione mal funzionante o dall’uomo, come la lettura non corretta dei dati, oppure errori “casuali”, dovuti a cause sconosciute e che non possono essere controllate dall’operatore. La deviazione standard per una serie di misure è uguale alla radice quadrata della somma dei quadrati delle differenze fra ogni misura e il valore medio, diviso il numero delle misure meno uno.
La matematica e la chimica
La notazione esponenziale o scientifica Tutti i dati raccolti sono in unità metriche; alcuni dati sono espressi con la notazione fissa, mentre altri sono espressi in notazione scientifica, usata soprattutto per i numeri molto grandi o molto piccoli, il numero viene espresso in una forma compatta e coerente, che semplifica i calcoli, in cui il numero è espresso come prodotto di due numeri: N x 10 n^ in cui n è positivo se il numero è maggiore a 1 e negativo se inferiore.
- Per sommare e sottrarre numeri in notazione scientifica serve convertirli prima nella stessa potenza di 10.
- Per fare il prodotto di numeri espressi in notazione scientifica, la parte fissa viene moltiplicata nella maniera consueta, mentre gli esponenti vengono sommati algebricamente.
- Per dividere numeri espressi in notazione scientifica la parte fissa viene divisa nel modo consueto e gli esponenti vengono sottratti algebricamente.
- Per fare le potenze di numeri espressi in notazione scientifica si eleva a potenza un numero espresso in notazione esponenziale, si esegue la potenza della parte in notazione fissa, mentre l’esponente viene moltiplicato per il numero che indica la potenza.
- Per fare le radici di numeri espressi in notazione scientifica il numero deve essere prima trasformato in modo che l’esponente sia esattamente divisibile per l’indice della radice.
Le cifre significative Le cifre significative sono le cifre esattamente osservate con lo strumento di misura, in questo numero l’ultima cifra sulla destra è considerata non precisa.
- Gli zeri compresi fra due cifre significative sono significativi.
- Lo zero alla destra di una cifra significativa e alla destra di una cifra decimale è significativo.
- Gli zeri che hanno funzione posizionale non sono significativi: a) numeri decimali con zeri che compaiono prima delle cifre significative; b) numeri in cui vi siano zeri finali, cioè gli zeri in cui è aggiunto un punto sulla destra.
Come usare le cifre significative nei calcoli
- Nelle addizioni e sottrazioni il numero delle cifre decimali nel risultato è uguale al numero delle cifre decimali nel numero con il minor numero di cifre decimali dopo la virgola.
indicando il suo numero di massa. Tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone; quando questa è l’unica particella nucleare, l’isotopo è chiamato prozio, o semplicemente “idrogeno”. L’isotopo dell’idrogeno con un neutrone, è chiamato deuterio, o “idrogeno pesante”. Il nucleo dell’isotopo radioattivo dell’idrogeno-3 o trizio, contiene un protone e due neutroni.
L’abbondanza isotopica Abbondanza percentuale = (numero di atomi di un dato isotopo/numero totale degli atomi di tutti gli isotopi di quell’elemento) x 100
Determinazione della massa atomica e dell’abbondanza percentuale Le masse degli isotopi e le loro abbondanze percentuali si determinano sperimentalmente usando uno spettrometro di massa. Un campione gassoso di un elemento viene introdotto nella camera dello spettrometro in cui è stato fatto il vuoto e le molecole o gli atomi del campioni vengono convertiti in particelle cariche (ioni). Un fascio di questi ioni viene sottoposto ad un campo magnetico, che provoca la deviazione del fascio di particelle ionizzate. L’entità della deviazione è inversamente proporzionale alla massa della particella. Una volta separati in funzione della loro massa, gli ioni vengono rivelati dal detector al termine della camera.
Il peso atomico
Il peso atomico di un elemento è la massa media di un campione rappresentativo di atomi. La massa atomica di un elemento è sempre più vicina alla massa dell’isotopi più abbondanti.
La tavola periodica
Lo sviluppo della tavola periodica Nel 1869, presso San Pietroburgo in Russia, Ivanovich Mendeleev, studiando le proprietà degli elementi, notò una periodicità delle proprietà degli elementi. Nel 1913 Moseley si rese conto la lunghezza d’onda dei raggi X emessi da un elemento era correlata al numero atomico dell’elemento stesso. La legge della periodicità chimica viene ora formulata come: le proprietà degli elementi sono funzioni periodiche del loro numero atomico.
Le caratteristiche della tavola periodica Le principali caratteristiche della tavola periodica sono:
- Gli elementi con proprietà chimiche fisiche simili si trovano in colonne (verticali) chiamate gruppi o famiglie. I gruppi A sono gruppi principali e quelli B sono i gruppi degli elementi di transizione.
- Le righe (orizzontali) della tavola sono chiamate periodi. La tavola periodica può essere divisa in regioni diverse in funzione delle proprietà degli elementi, vi sono metalli, non metalli e metalloidi (o semimetalli). I metalli sono solidi (tranne il mercurio), malleabili e possono formare leghe. I non metalli hanno un’ampia gamma di proprietà. A temperatura ambiente alcuni sono solidi (carbonio, zolfo, fosforo e iodio), quattro sono gassosi (idrogeno, ossigeno, azoto fluoro e cloro) mentre il bromo è liquido. Ad eccezione del carbonio, quando è sotto forma di grafite, i non metalli non conducono la corrente elettrica, una delle principali caratteristiche che li distingue dai metalli.
Un breve sguardo alla tavola periodica e agli elementi chimici Gli elementi nella colonna all’estrema sinistra, gruppo 1A, sono conosciuti come metalli alcalini. Hanno tutti caratteristiche metalliche, sono solidi a temperatura ambiente, sono tutti reattivi e si trovano in natura solo sotto forma di composti. Il secondo gruppo, gruppo 2A, è composto interamente di metalli che si trovano in natura solo combinati, ad eccezione di berilio, questi elementi reagiscono con l’acqua per dare soluzioni alcaline, e la maggior parte dei loro ossidi formano soluzioni alcaline; sono conosciuti come metallo alcalino-terrosi. Il gruppo 3A contiene
l’alluminio, il gallio, l’indio e lo iodio che sono metalli. Inoltre contiene il boro, un metalloide, che ha chimica differente da quella degli altri elementi del gruppo 3A, tutti gli elementi del gruppo formule analoghe. Il gruppo 4A contiene un non metallo, il carbonio, due metalloidi, il silicio e il germano, e due metalli, lo stagno e il piombo. Uno degli aspetti della chimica dei non metalli è un particolare elemento può esistere in molte forme diverse e distinte, dette allotropi, ognuna delle quali ha la sue proprietà caratteristiche. Il carbonio ha tre allotropi di cui i più conosciuti sono la grafite e il diamante. La grafite è formata da fogli in cui ogni atomo di carbonio è legato ad altri tre atomi. Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro che occupano i vertici di un tetraedro e questo motivo si estende attraverso tutto il solido, e questo lo rende estremamente duro e più denso della grafite. Alla fine degli anni ’80 è stata identificata un’altra forma di carbonio nella fuliggine, che si forma quando dei materiali che contengono carbonio vengono bruciati in difetto di ossigeno. Questo allotropo è formato da molecole costituite da 60 atomi di carbonio sistemati a formare una “gabbia” costituita da anelli esagonali e pentagonali chiamata C 60 o buckyball. Nel gruppo 5A, l’azoto e il fosforo sono non metalli, arsenico e antimonio sono metalloidi e il bismuto è un metallo. L’ossigeno si trova in cima al gruppo 6A, assieme allo zolfo, al selenio e al tellurio, conosciuti come calcogeni (dal greco khalcos, rame, perché contenuti nei minerali grezzi del rame contengono questi elementi) i loro composti possono essere maleodoranti e velenosi. L’ossigeno, lo zolfo e il selenio sono non metalli, il tellurio è un metalloide e il polonio è un metallo. Gli elementi del gruppo 7A, cioè fluoro, cloro, bromo, iodio e astato (radiattivo) sono metalli e esistono come molecole biatomiche e sono tra gli elementi più reattivi, sono noti come alogeni (dal greco “hals- genes”, “che forma sali). Gli elementi del gruppo 8A sono i meno reattivi, sono tutti gas tra cui l’elio (scoperto per la prima volta sul Sole nel 1868). Il gruppo è definito dei gas nobili, termine che denota la loro generale mancanza di reattività, sono anche chiamati gas inerti o rari. Fra i gruppi 2A e 3A c’è una serie di elementi detti di transizione, che riempiono i gruppi B (dall’1 all’8) e i periodi dal quarto al settimo; sono tutti metalli e con usi commerciali, inoltre molti svolgono ruoli biologicamente importanti. Nelle due righe in fondo alla tavola si trovano i lantanidi e gli attinidi.
Le molecole, i composti e le formule
Una molecola è la più piccola unità identificabile in cui una sostanza pura può essere divisa, mantenendo inalterate la composizione e le proprietà chimiche della sostanza stessa. Le sostanze sono formate da molecole identiche, di due o più atomi strettamente legati tra loro. In un composto gli elementi che lo compongono perdono le proprie caratteristiche.
Le formule La formula molecolare indica da quali e da quanti atomi è composta la molecola ma non fornisce alcuna informazione strutturale. La formula estesa, invece, mette in evidenza come certi atomi siano legati tra loro, differenziando le molecole con gli stessi atomi ma con legami differenti. Le formule di struttura mostrano come gli atomi siano legati tra loto nella molecola.
I modelli molecolari Le proprietà chimiche e fisiche di un composto sono spesso strettamente legate alla sua struttura molecolare ma, poiché le molecole sono oggetti tridimensionali, è spesso difficile rappresentare le loro forme sulla carta. Tuttavia sono state adottate alcune convenzioni, quali i disegni in prospettiva e i vari modelli molecolari. Nel modello a sfere e bastoncini, le sfere, generalmente di colori diversi e i bastoncini i legami che li uniscono. Le molecole possono essere rappresentate anche con i modelli ad occupazione spaziale che forniscono una rappresentazione visiva delle dimensioni degli atomi e della loro vicinanza reciproca nella molecola ma spesso alcuni atomi risultano nascosti.
I composti ionici: le formule, la nomenclatura e le proprietà
struttura reticolare. La maggior parte dei composti ionici, a causa della struttura reticolare, sono solidi “duri”, cioè non possono essere né piegati né resi teneri; inoltre il reticolo è reso rigido dalle forze di attrazione reciproche tra gli ioni, che prossimi ad anioni sono catoni. Un urto forte può portare alla separazione dei piani reticolari in quanto può portare all’avvicinamento di ioni della stessa carica provocando la repulsione tra gli ioni. A temperatura ambiente i composti ionici sono generalmente solidi mentre quelli molecolari sono liquidi, gassosi o solidi. I composti molecolari hanno formule complesse ma a volte anche semplici, dati dalla combinazione di due non metalli, detti composti binari, che hanno una nomenclatura sistematica, e che sono spesso una combinazione degli elementi dei non metalli dei gruppi 4A – 7A, o tra questi e l’idrogeno. La formula viene scritta elencando gli elementi in ordine di gruppo crescente. Il numero degli atomi di ciascun elemento viene indicato con i prefissi “mono”, “bi”, “tri”, “tetra”, “penta”, “esa”.
Gli atomi, le molecole e la mole
La mole (abbreviato mol) è l’unità di misura SI per misurare una quantità di sostanza che contiene un numero di particelle elementari pari al numero di atomi contenuti in 12 grammi dell’isotopo carbonio-12. La mole contiene sempre la stessa quantità di particelle a prescindere dalla sostanza, questo è il concetto alla base della chimica quantitativa. numero di Avogadro: 1 mole = 6.0221415 x 10^23 particelle.
Gli atomi e la massa molare La massa in grammi di una mole di un qualsiasi elemento rappresenta la sua massa molare, indicata con la M, la cui unità di misura è grammi per mole (g/mol). La massa molare di un elemento è la quantità in grammi numericamente uguale alla sua massa atomica. Le masse molari sono note con almeno quattro cifre significative. Nei composti ionici non esistono molecole quindi è più corretto parlare di peso formula invece che di peso molecolare.
Conversione mole ↔ massa Conversione massa ↔ mole Moli x (grammi/1 mol) = grammi Grammi x (1 mol/ grammi) = moli
La determinazione delle formule dei composti
Dato un campione di un composto sconosciuto si può determinare la sua formula attraverso l’analisi chimica.
La composizione percentuale Una qualsiasi porzione di un composto puro è sempre formata dagli stessi elementi combinati nello stesso rapporto in massa, composizione che può essere espressa in tre modi:
- attraverso la formula del composto, attraverso il numero di ciascun tipo di atomo per molecola o per unità formula;
- attraverso la massa di ciascun elemento per mole di composto;
- attraverso la percentuale in massa.
Le formule empiriche e le formule molecolari dalla composizione percentuale Per trovare la formula molecolare di un composto a partire dalla sua composizione relativa in massa o in percentuale, conoscendo gli elementi presenti in un campione e avendo determinato con l’analisi chimica la massa di ciascun elemento presente nel campione stesso, si può calcolare la quantità in moli di ciascun elemento e quindi il numero relativo di atomi presenti nel composto. Più precisamente la procedura per ottenere la formula (empirica o molecolare) sono:
- convertire in massa la percentuale in peso;
- convertire la massa di ciascun elemento in moli;
- calcolare il rapporto molare tra i componenti.
Il più piccolo rapporto tra il numero di atomi interi è chiamato formula empirica (o formula minima). I dati di composizione percentuale permettono il rapporto tra il numero di atomi in un composto. La formula molecolare fornisce il numero relativo di atomi di ciascun elemento presenti in una molecola (rapporti atomici) e il numero totale di atomi in ciascun elemento presenti in una molecola, per poterla ricavare dalla formula empirica serve determinare sperimentalmente la massa molare.
La determinazione della formula dai dati di massa Per ottenere informazioni su un composto, in laboratorio, si può far reagire quantità note degli elementi per ottenere una determinata quantità di prodotto, così facendo le quantità degli elementi vengono convertite in moli e il rapporto di moli dà il rapporto con cui si combinano gli atomi, cioè la formula empirica oppure decomporre una quantità nota di composto in frazioni di composizione nota perché se si possono determinare le masse delle singole frazioni il rapporto tra le moli delle frazioni dà la formula.
La determinazione della formula tramite spettrometria di massa Si può determinare la formula molecolare attraverso metodi strumentali quali la spettrometria di massa. Se una sostanza può essere vaporizzata, il suo vapore può essere fatto collidere con un fascio di elettroni ad alta energia; questo provoca la perdita di elettroni e la formazione di ioni positivi che spesso si frammentano in ioni più piccoli le cui masse vengono determinate dallo spettrometro di massa. L’analisi dello spettro ottenuto permette di identificare un composto e di determinare l’esatta massa molare.
I composti idrati
I composti idrati sono dei composti ionici preparati in soluzione acquosa e poi isolati come solidi i cui cristalli contengono spesso delle molecole d’acqua intrappolate nel reticolo. Non esiste un modo semplice per determinare la quantità d’acqua contenuta in un composto idrato, perciò il suo contenuto deve essere determinato sperimentalmente.
LE REAZIONI CHIMICHE
Introduzione alle equazioni chimiche
Un’equazione chimica bilanciata rappresenta una reazione, in cui le formule per i reagenti (sostanze che si combinano nella reazione) sono scritte a sinistra della freccia e le formule dei prodotti (le sostanze che vengono prodotte) vengono scritte a destra della freccia. Di fianco alle formule viene indicato, tra parentesi, lo stato fisico (solido, liquido gassoso) dei reagenti e dei prodotti. Una sostanza sciolta in acqua, cioè una soluzione acquosa della sostanza, è indicata con (aq). Nella seconda metà del ‘700 lo scienziato francese Lavoisier introdusse la legge della conservazione della materia che stabilisce che la materia non può essere né creata né distrutta. I numeri che precedono ciascuna formula in una equazione chimica bilanciata sono richiesti da questa legge. Questi numeri possono essere letti come numeri di atomi, molecole o unità formula ma possono riferirsi alle quantità in moli dei reagenti e dei prodotti. La relazione tra le quantità di prodotti e reagenti chimici viene chiamata stechiometria e i coefficienti in una reazione chimica bilanciata sono i coefficienti stechiometrici.
Bilanciamento delle equazioni chimiche
Il bilanciamento delle equazioni garantisce che in entrambi i membri sia presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento. La combustione, cioè la combinazione di un combustibile con ossigeno, è accompagnata da sviluppo di energia.
Una reazione può essere rappresentata con un’equazione ionica completa, cioè con un’equazione che mette in evidenza che i composti ionici solubili sono presenti in soluzione come ioni dissociati, inoltre essa include gli ioni spettatori, cioè quelli ioni che non prendono parte alla reazione, ma “assistono” solamente. Se, invece, nell’equazione chimica si trascurano gli ioni spettatori e si includono solo gli ioni in soluzione, i composti insolubili, gli elettroliti deboli e i non elettroliti che prendono parte alla reazione l’equazione prende nome di equazione ionica netta. È importante notare che in un’equazione chimica bilanciata deve essere rispettato il bilanciamento delle cariche oltre a quello delle masse.
Acidi e basi
Gli acidi e le basi posseggono proprietà tra loro collegate, come quella di riuscire, con le loro soluzioni, a variare il colore di pigmenti vegetali; ma acidi e basi hanno proprietà opposte, infatti, una base può neutralizzare l’effetto di un acido, e viceversa.
Acidi e basi: definizione di Arrhenius Il chimico svedese Arrhenius è noto per i suoi studi sulle proprietà delle soluzioni dei sali, degli acidi e delle basi. Alla fine dell’800 egli propose che quando questi composti si disciolgono in acqua essi formano ioni. Le definizioni dello scienziato per gli acidi e le basi derivano dalla teoria degli elettroliti e di basa sulla formazione di ioni H +^ e OH -^ in soluzioni acquose. Un acido è una sostanza che disciolta in acqua aumenta la concentrazione degli ioni idrogeno, H +, in soluzione. Una base è una sostanza che disciolta in acqua aumenta la concentrazione di ioni idrossido, OH -^ , in soluzione. Una reazione di un acido con una base produce un sale ed acqua, poiché le proprietà di un acido si perdono per l’aggiunta di una base, e viceversa, le reazioni acido-base vengono descritte come la combinazione degli ioni H +^ e OH-^ per formare acqua. La forza di un acido è in relazione al grado di ionizzazione dello stesso, acidi completamente ionizzati sono elettroliti forti e vengono detti acidi forti, quelli ionizzati parzialmente, invece, sono elettroliti deboli e sono chiamati acidi deboli. Gli acidi deboli sono presenti in soluzione principalmente in forma di molecola, e solo una frazione di queste molecole si ionizza in soluzione per formare ioni H +^ e l’appropriato anione.
Acidi e basi: definizione di Bronsted-Lowry Nel 1923 Bronsted, a Copenhagen, e Lowry, a Cambridge, formularono indipendentemente l’uno dall’altro un nuovo concetto per il comportamento degli acidi e delle basi. Considerarono gli acidi e le basi in termini di trasferimento si un protone (H +^ ) da una specie ad un’altra e descrissero tutte le reazioni di acido-base in termini di equilibrio. I concetti principali della loro teoria sono che: un acido è un donatore di protoni, mentre una base è un accettore di protoni; inoltre una reazione acido-base coinvolge il trasferimento di un protone da un acido ad una base per formare un nuovo acido ed una nuova base. La reazione viene scritta come reazione di equilibrio e favorisce l’acido e le basi più deboli. In una reazione in cui è presente un acido forte, ionizzato completamente, l’equilibrio favorisce decisamente i prodotti; se l’acido è debole, ionizzato non completamente, l’equilibrio favorisce i reagenti. Un acido diprotico (capace di trasferire due ioni H +), reagisce con l’acqua in due fasi: la prima favorisce la formazione dei prodotti mentre la seconda la formazione dei reagenti. Una base debole, ionizzata non completamente, favorisce i reagenti. Le specie anfiprotiche sono specie che assumono un comportamento da acido o da base a seconda della reazione.
Reazioni degli acidi e delle basi Gli acidi e le basi in soluzioni acquosa reagiscono per formare un sale e acqua, la parola “sale” in chimica, è utilizzata per tutti i composti ionici il cui catione deriva da una base. Le reazioni tra acidi forti e basi forti sono dette reazioni di neutralizzazione perché quando la reazione è completata la soluzione è neutra, se si fanno reagire lo stesso numero di moli si acido e base, entrambi monoprotoci.
Ossidi dei metalli e dei non metalli Gli ossidi quali CO (^) 2, o dello zolfo e dell’azoto, che possono reagire con l’acqua per formare ioni
H (^) 3O -^ sono chiamati ossidi acidi; mentre gli ossidi dei metalli sono chiamati ossidi basici, perché quando si disciolgono in quantità apprezzabile in acqua danno origine a soluzioni basiche.
Reazioni di ossido-riduzione Nelle reazioni redox vi è un elemento, detto agente riducente, che provoca la riduzione della carica elettrica di un’altra sostanza in quanto quest’ultima accetta elettroni e un elemento, detto agente ossidante, che provoca l’ossidazione di una sostanza facendone aumentare la carica elettrica in quanto quest’ultima cede elettroni. In qualsiasi processo in cui l’ossigeno è addizionato ad un altro composto è detto ossidazione. Quindi, in ogni reazione di ossido-riduzione, un agente si riduce (ed è l’agente ossidante) e un agente si ossida (ed è l’agente riducente, fatto che si evidenzia maggiormente se si divide la reazione X + Y → X n+^ + Yn-^ in due semi reazioni:
- X → X n+^ + n e-^ in cui X è ossidato a Xn+^ ed è quindi l’agente riducente;
- Y n-^ + n e-^ → Y in cui Y è ridotto a Y n-^ ed è quindi l’agente ossidante. Di conseguenza se una sostanza è ossidata, un’altra sostanza nella stessa reazione deve essere ridotta.
Numero di ossidazione Per riconoscere una reazione di ossido-riduzione si valuta il numero di ossidazione di ciascun elemento e si verifica se qualcuno di questi cambia durante la reazione. Il numero di ossidazione di un atomo ha, o sembra avere, in base a delle linee guida utilizzate per assegnare i numeri di ossidazione: - ogni atomo di un elemento puro ha numero di ossidazione pari a zero;
- per gli ioni monoatomici, il numero di ossidazione è pari alla carica dello ione;
- il fluoro ha sempre numero di ossidazione –1 nei composti con gli altri elementi;
- il numero di ossidazione di O è -2 in tutti i composti tranne quando si combina col fluoro (numero di ossidazione positivo) e nei perossidi (-1) e nei superossidi (-1/2);
- Cl, Br e I hanno sempre numero di ossidazione -1 nei loro composti tranne quando sono combinati con ossigeno e fluoro;
- Il numero di ossidazione di H è +1 tranne quando forma un composto binario con un metallo in cui H diventa ione idruro H -^ ,
- la somma algebrica dei numeri di ossidazione degli atomi in un composto neutro deve essere zero; in uno ione poliatomico la somma dece essere pari alla carica dello ione.
Classificazione delle reazioni in soluzione acquosa
Reazioni di precipitazione: gli ioni si combinano in soluzione per formare un prodotto di reazione insolubile. Reazioni acido-base: un prodotto di molte reazioni acido-base è l’acqua, mentre il catione della base e l’anione dell’acido formano un sale. Reazioni che sviluppano gas: nelle reazioni dei carbonati un prodotto è sempre l’acido carbonico, H (^) 2CO (^) 3, la maggior parte del quale si decompone in H2O e CO (^) 2. Il gas presente nelle bollicine che si sviluppano durante la reazione è biossido di carbonio. Reazioni di ossido-riduzione: non sono reazioni di scambio ionico ma si ha il trasferimento di elettroni da un composto ad un altro.
LA STECHIOMETRIA:
informazioni quantitative sulle reazioni chimiche
Relazioni tra le masse nelle razioni chimiche: stechiometria
Le moli disciolte in un determinato volume di soluzione definiscono la concentrazione della soluzione e possono essere calcolate. L’unità di misura per la concentrazione del soluto, c, è la molarità, definita come le moli di soluto per litro di soluzione. Molarità di x (c (^) x) = x moli del soluto / volume della soluzione (l) La molarità si riferisce alle moli di soluto per litro di soluzione e non di solvente. Quando si vuole preparare una soluzione con molarità esatta, si procede sciogliendo il soluto in una porzione di solvente minore del volume di soluzione che si intende ottenere e poi si aggiunge ulteriormente solvente fino a raggiungere il volume totale desiderato.
Preparazione di soluzioni a concentrazioni note
- Per preparare una soluzione per pesata serve, per prima cosa, pesare accuratamente la quantità di soluto, trasferirla completamente nel matraccio in cui si versa un po’ di solvente, quanto basta a far sciogliere il soluto completamente. Una volta sciolto il soluto si aggiunge solvente fino a che il volume risulti allineato con la tacca di taratura.
- Per preparare una soluzione per diluizione basta diluire con ulteriore solvente una soluzione concentrata fino a raggiungere la concentrazione inferiore desiderata.
pH, una scala per la misura della concentrazione degli acidi e delle basi
Il pH di una soluzione è il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione degli ioni idronio. pH = - log[H (^) 3O +] Per conoscere la concentrazione degli ioni idronio si calcola l’antilogaritmo del pH. [H3O +^ ] = 10-pH Il valore approssimato del pH di una soluzione si può valutare usando una varietà si coloranti (cole la cartina tornasole) ma una misura più accurata del pH si ottiene con un pHmetro, in cui un elettrodo viene introdotto nella soluzione da valutare e il valore del pH viene letto sul display.
Stechiometria delle soluzioni in soluzione acquosa
La titolazione: un metodo di analisi chimica Si supponga di dover determinare la massa di un acido in un campione impuro, per farlo occorre rispettare le seguenti condizioni: si possa determinare sperimentalmente la quantità di reagente sufficiente per far reagire tutto l’acido presente in soluzione e si conosca la concentrazione della base e il volume di soluzione che è stata aggiunta alla soluzione acida all’esatto punto di completamento della reazione. Condizioni che sono completamente verificate in una titolazione in cui la soluzione basica, contenuta in una buretta, viene aggiunta goccia a goccia nella beuta contenente l’acido a cui è stato aggiunto un indicatore acido-base che cambia colore al raggiungimento di un determinato pH. Il punto di equivalenza rappresenta l’esatta corrispondenza di moli di OH-^ con le moli di H3O - , appena si aggiunge una goccia di soluzione basica, una volta raggiunto il punto di equivalenza, la soluzione diventa basica e il colorante cambia colore. È possibile titolare anche con una reazione di ossido-riduzione.
Standardizzazione di un acido o di una base La procedura con cui viene accuratamente determinata la concentrazione di un reagente analitico si chiama standardizzazione e può essere eseguita in due modi. Il primo consiste nel pesare accuratamente un campione molto puro di un acido o una base solidi, detto standard primario, e quindi titolare il campione con la soluzione da standardizzare. Il secondo consiste nel titolare la soluzione da standardizzare con una già standardizzata (standard secondario), fornita da aziende chimiche specializzate.
Determinazione della massa molare per titolazione Se la sostanza sconosciuta è un acido o una base, è possibile determinare la massa molare per titolazione.
Spettrofotometria, un altro metodo di analisi
Le soluzioni di molti composti sono colorate in conseguenza all’assorbimento della luce, che è possibile misurare quantitativamente e mettere in relazione l’assorbimento con la concentrazione del campione (spettrofotometria). Ogni sostanza può essere identificata grazie alle lunghezze d’onda assorbite e trasmesse, in quanto sono specifiche per ogni sostanza. La concentrazione della sostanza in soluzione può essere misurata attraverso l’intensità del colore della soluzione.
Trasmittanza, assorbanza e la legge di Lambert-Beer La trasmittanza (T) è il rapporto tra l’intensità della luce trasmessa o che attraversa il campione (P) e l’intensità della luce incidente sullo stesso (P (^) o). L’assorbanza, invece, è il logaritmo negativo della trasmittanza. Trasmittanza e assorbanza risultano così inversamente proporzionali, cioè aumentano alla diminuizione dell’altra. Assorbanza = - log T = - log P/P (^) o L’assorbanza, A, di un campione aumenta all’aumentare della concentrazione e cresce al crescere del cammino ottico (legge di Lambert-Beer). 2 2 Assorbanza (A) (^) 1 Dcammino ottico (l) x concentrazione (c) A = ε x l x c A è una grandezza adimensionale e rappresenta l’assorbanza, ε è una costante di proporzionalità chiamata assorbanza molare e l e c hanno rispettivamente unità di lunghezza (cm) e di concentrazione (mol/L). La legge di Lambert-Beer mostra che vi è una relazione lineare tra l’assorbanza del campione e la sua concentrazione per un dato valore del cammino ottico.
Analisi spettrofotometrica Ci sono quattro stadi nell’esecuzione di un’analisi spettrometrica.
- Registrare lo spettro di assorbimento della sostanza che deve essere analizzata.
- Scegliere la lunghezza d’onda alla quale effettuare la misura (solitamente si sceglie, per una maggiore accuratezza, la lunghezza d’onda di massima assorbanza).
- Preparare una curva di taratura, cioè riportare in grafico l’assorbanza in funzione della concentrazione per una serie di soluzioni standard la cui concentrazione è nota con precisione.
- Determinare la concentrazione di un campione dal valore della sua assorbanza, utilizzando il grafico o l’equazione della retta.
I PRINCIPI DELLA REATTIVITÀ:
l’energia e le reazioni chimiche
Energia: alcuni principi fondamentali
L’energia è definita come la capacità di compiere lavoro. Il cibo è una fonte di energia chimica, l’energia immagazzinata in composti chimici viene rilasciata quando questi composti danno luogo alle reazioni chimiche del metabolismo. L’energia può essere classificata come cinetica e potenziale. L’energia cinetica è associata al moto:
- energia termica: moto di atomi, ioni o molecole a livello particellare;
- energia meccanica: moto a livello macroscopico di un oggetto in movimento;
- energia elettrica: moto degli elettroni in un conduttore;
- energia acustica: compressione ed espansione degli spazi tra le molecole nella trasmissione del suono. Mentre l’energia potenziale deriva dalla posizione dell’oggetto:
- energia gravitazionale: energia posseduta da una palla tenuta in alto piuttosto che sul pavimento;
1 caloria (cal) = 4.174 joule (J) La Caloria alimentare (Cal) è un’unità equivalente alla kilocaloria o a 1000 calorie.
Capacità termica specifica: riscaldamento e raffreddamento
Quando un oggetto è riscaldato o raffreddato, la quantità di energia trasferita dipende dalla quantità del materiale, dalla variazione di temperatura e dal tipo di materiale che acquista o perde energia. La capacità termica specifica (C) è l’energia trasferita in forma di calore necessaria per innalzare di 1 kelvin la temperatura di un grammo di sostanza, la cui unità di misura è J/g x K. L’energia ceduta o acquistata in forma di calore quando una data massa di una sostanza (m) viene raffreddata o riscaldata si calcola tramite l’equazione: q = C x m x ΔT dove q è la quantità di energia ceduta o acquistata in forma di calore da una data massa di sostanza ( m); C è la capacità termica specifica e ΔT la variazione di temperatura, calcolata come differenza tra la temperatura finale e quella iniziale, che darà un risultato con segno algebrico che indica la direzione del trasferimento di energia. Se l’energia viene trasferita al sistema, cioè il processo è endotermico, allora il segno sarà positivo; in caso contrario, in un sistema esotermico, in cui l’energia viene trasferita dal sistema il segno sarà negativo.
Aspetti quantitativi del trasferimento del calore Ogni sostanza pura ha delle caratteristiche proprietà intensive come la capacità termica specifica, il punto di fusione, di ebollizione e la densità. La capacità termica specifica di una sostanza può essere determinata sperimentalmente misurando accuratamente le variazioni di temperatura che avvengono quando la sostanza cede energia in forma di calore ad una quantità nota di acqua. In un sistema isolato la somma delle variazioni di energia nel sistema è pari a zero.
Energia e cambiamenti di stato Un cambiamento di stato è il passaggio da uno stato (solido, liquido o gas) a un altro. La quantità di energia trasferita in forma di calore, necessaria per superare la forze attrattive esistenti tra le particelle, e convertire una sostanza da solida a liquida, alla temperatura di fusione è chiamata calore di fusione, quella per convertire una sostanza liquida in vapore, alla temperatura di ebollizione, è detta calore di vaporizzazione. Durante un cambiamento di stato l’energia somministrata viene utilizzata per rompere le forze che tengono uniti gli ioni e le molecole gli uni agli altri e non per aumentare la temperatura che, quindi, rimane costante durante un cambiamento di stato.
La prima legge della termodinamica
La termodinamica è la scienza del calore e del lavoro, lavoro che si compie ogni volta che un oggetto viene mosso contro una forza contraria. Se un sistema compie lavoro compie lavoro sull’ambiente si spende energia ed il contenuto energetico del sistema diminuirà; al contrario, se il lavoro viene compiuto dall’ambiente sul sistema, il contenuto energetico del sistema aumenta. Quando viene trasferita energia in forma di calore dall’ambiente ad un solido, come il ghiaccio secco, esso può passare direttamente dalla fase solida a quella gassosa in un processo chiamato sublimazione. In queste situazioni il gas compie un lavoro quando si espande perché deve operare contro la forza di gravità. Per un qualsiasi sistema si possono individuare i trasferimenti di energia sia come calore che come lavoro tra il sistema e l’ambiente. Questa relazione può essere espressa dall’equazione: ΔU = q + w, che rappresenta l’espressione matematica della prima legge della termodinamica, la variazione di energia di un sistema ( ΔU) è la somma dell’energia trasferita sotto forma si calore tra il sistema e l’ambiente (q) e dell’energia trasferita come lavoro tra il sistema e l’ambiente (w). Tutti i trasferimenti di energia tra il sistema e l’ambiente avvengono attraverso processi di lavoro e calore e la variazione di energia del sistema è esattamente uguale alla somma di tutti i trasferimenti di energia tra il sistema e l’ambiente. La quantità U, cioè l’energia interna, in un sistema chimico, è la somma dell’energia potenziale e cinetica degli atomi, molecole o ioni nel
sistema. L’energia potenziale è l’energia associata alle forze attrattive e repulsive fra i nuclei e gli elettroni nel sistema. L’energia cinetica è l’energia associata al moto degli atomi, ioni e molecole nel sistema. L’energia interna del sistema aumenta quando l’energia è trasferita in forma di calore al sistema (q > 0) e quando l’energia è trasferita in forma di lavoro sul sistema (w > 0); al contrario, l’energia interna del sistema diminuisce quando l’energia è trasferita in forma di calore dal sistema (q < 0) e quando l’energia è trasferita in forma di lavoro dal sistema (w < 0). Per un sistema in cui la pressione esterna è costante, il valore del lavoro P-V, associato a una variazione di volume ( ΔV) è: w = - P x ΔV dove w è il lavoro a pressione costante e P la pressione.
Entalpia Poiché molti processi in chimica e in biologia avvengono in condizione di pressione costante è utile avere una misura specifica dell’energia trasferita in forma di calore in queste condizioni: ΔU = qp + w (^) p dove (^) p indica condizioni a pressione costante ΔU = qp + PΔV se l’unico tipo di lavoro che si svolge è P-V che può essere scritto anche come qp = ΔU + PΔV L’entalpia, H, è definita come H = U + PV, la cui variazione per un sistema a pressione costante si calcola dall’equazione ΔH = ΔU + PΔV quindi ΔH = qp. Si nota che in un sistema in cui l’unico tipo di lavoro possibile è lavoro P-V la variazione dell’entalpia, ΔH, è uguale all’energia trasferita in forma di calore a pressione costante, spesso indicata come qp. Valori negativi di ΔH indicano che l’energia è trasferita in forma dal sistema verso l’ambiente, mentre valori positivi indicano che l’energia è trasferita dall’ambiente al sistema.
Funzioni di stato Per una reazione chimica, indipendentemente da come si arrivi dai reagenti ai prodotti, i valori di ΔH e ΔU sono sempre li stessi. Una grandezza che ha questa proprietà caratteristica viene chiamata funzione di stato. È importante ricordare che né l’energia trasferita in forma di calore né quella trasferita come lavoro siano singolarmente funzioni di stato, mentre lo è la loro somma, cioè la variazione di energia interna, ΔU, il cui valore dipende da Uiniziale e Ufinale, ma il passaggio dagli stati iniziale e finale può essere eseguito attraverso diversi percorsi che hanno diversi valori di q e w; la somma di q e w per ciascun percorso deve sempre dare lo stesso valore di ΔU. L’entalpia è una funzione di stato.
Variazioni di entalpia nelle reazioni chimiche Le reazioni chimiche sono accompagnate da variazioni dell’entalpia, i chimici-fisici, usano l’entalpia di reazione standard, ΔrH° per le reazioni. La definizione di ΔrH° come “variazione di energia standard” significa che reagenti isolati puri nei loro stati standard hanno formato prodotti isolati nei loro stati standard. Lo stato standard di un elemento o un composto è definito come la forma più stabile della sostanza nello stato fisico che esiste alla pressione di 1 bar e a una data temperatura (25° C o 298 K). L’indice “mol-rxn” nelle unità di ΔrH° significa che essa è la variazione di entalpia per “mole di reazione”. Il valore di ΔrH° dipende dall’equazione chimica usata. In una reazione è importante identificare lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti perché il valore di ΔrH° dipende anche dal loro stato fisico. Alcuni aspetti delle variazioni di entalpia nelle reazioni chimiche sono:
- le variazioni di entalpia sono specifiche della reazione in considerazione, sono importanti i tipi di reagenti e prodotti, i loro stati fisici e la loro massa;
- le variazioni di entalpia dipendono dalle moli di reazione, cioè dal numero di volte in cui la reazione, così come rappresentata nell’equazione, si svolge;
- ΔrH° ha valori negativi per una reazione esotermica, positivi per una reazione endotermica;
- Per reazioni chimiche, una inversa all’altra, i valori di ΔrH° sono numericamente identici ma con segno opposto. Le entalpie standard di reazione possono essere usate per calcolare la quantità di energia trasferita in forma di calore e in condizioni di pressione costante da una data quantità di reagente o prodotto.
