Fondamenti di chimica generale e inorganica, Dispense di Chimica Inorganica

Scarica Fondamenti di chimica generale e inorganica e più Dispense in PDF di Chimica Inorganica solo su Docsity! FONDAMENTI DI CHIMICA La chimica è la scienza della materia e delle trasformazioni che essa è in grado di subire. Opera su tre livelli: al primo livello si interessa alla materia e alle sue trasformazioni e a questo livello possiamo concretamente vedere i cambiamenti, si tratta del livello macroscopico, quello che tratta le proprietà degli oggetti grandi e visibili; a livello microscopico, invece, la chimica interpreta i fenomeni rifacendosi alla riorganizzazione degli atomi; il terzo livello è quello simbolico, espressione dei fenomeni chimici per mezzo dei simboli chimici e di equazioni matematiche. Un chimico pensa a livello microscopico, conduce gli esperimenti a livello macroscopico e rappresenta fatti e pensiero simbolicamente. Gli scienziati perseguono le loro idee in un modo, detto metodo scientifico, che assume molte forme: il primo passo consiste solitamente nel raccogliere dati, eseguendo osservazioni ed esperimenti; quando dai loro dati emerge uno schema regolare, si può enunciare, sotto forma di legge, un riepilogo succinto di un ampio campo di osservazioni; una volta individuato uno schema regolare, gli scienziati elaborano ipotesi, possibili spiegazioni delle leggi basate su concetti più fondamentali. Formulata un’ipotesi, gli scienziati progettano ulteriori esperimenti, cioè prove accuratamente controllate, per verificarle; se i risultati di esperimenti reiterati depongono a favore dell’ipotesi, lo scienziato potrà procedere a formulare una teoria, una spiegazione formale della legge. Tradizionalmente la chimica è stata organizzata in tre branche fondamentali: la chimica organica, vale a dire lo studio dei composti del carbonio; la chimica inorganica, lo studio di tutti gli altri elementi e dei loro composti; e la chimica fisica, lo studio dei principi della chimica. A seguito delle conoscenze acquisite, si sono sviluppati nuovi campi studio, che comprendono la biochimica, la chimica analitica, la chimica teoria ecc. - MATERIA ED ENERGIA Materia è tutto ciò che possiede massa e occupa spazio, sostanza è una forma unica e pura di materia, che si presenta in forme differenti, definiti stati di aggregazione; i tre più comuni dei quali sono solido (forma rigida della materia), liquido (forma fluida della materia, superficie ben definita, mentre la forma è quella stessa della porzione di recipiente che occupa), gas (forma fluida della materia, che riempie interamente qualsiasi recipiente lo contenga). In un solido gli atomi sono strettamente impacchettati, nei liquidi invece sono impacchettati più o meno strettamente, però possiedono abbastanza energia da scorrere gli uni rispetto agli altri; in un gas, le molecole godono di una libertà quasi totale. La chimica si occupa delle proprietà della materia, vale a dire delle caratteristiche che la distinguono. Una proprietà fisica è una caratteristica che può essere osservata e misurata senza mutare l’identità della sostanza in esame (punto di fusione, durezza, densità…); una proprietà chimica si riferisce all’attitudine di una sostanza a mutarsi in un’altra (attitudine a reagire, a disciogliersi negli acidi generando idrogeno gassoso…). Quando una sostanza subisce una trasformazione chimica si trasforma in una sostanza del tutto differente; quando invece subisce una trasformazione fisica l’identità della sostanza non muta. Le proprietà si classificano anche in base alla loro dipendenza dalla dimensione del campione: una proprietà estensiva è una proprietà che dipende dalla dimensione del campione (volume); una proprietà intensiva è indipendente dalla dimensione del campione (temperatura, densità). Il numero delle cifre significative è il numero delle cifre giustificabile in basi ai dati: quando si riportano i risultati di moltiplicazioni e divisioni, il numero di cifre significative della risposta deve corrispondere al numero di cifre del dato di partenza meno accurato; quando si riportano i risultati di addizioni o sottrazioni, il numero di cifre decimali della risposta deve corrispondere al numero di cifre decimali presenti nella quantità di partenza che ne ha il minor numero. Per essere certi dei dati da loro ottenuti, gli scienziati solitamente ripetono le misurazioni diverse volte, calcolano il valore medio, e determinano la precisione e l’accuratezza delle loro misurazioni. La precisione di una misura dipende da quanto i valori tratti da misurazioni ripetute si avvicinano l’uno all’altro; l’accuratezza di una serie di misurazioni dipende da quanto il loro valore medio si avvicina al valore vero. Il più delle volte le misurazioni si accompagnano a due tipi di errori: un errore sistematico, presente in ciascuna serie di misurazioni ripetute, e un errore casuale, che varia appunto casualmente sia per entità sia per segno. - ELEMENTI E ATOMI La più piccola particella di un elemento che possa esistere è un atomo; la prima conveniente argomentazione a sostegno degli atomi fu opera nel 1807 di John Dalton, il quale constatò che il rapporto tra le masse degli elementi che si combinano mostravano alcuni schemi di regolarità: 1. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici. 2. Gli atomi di elementi diversi possiedono massa differente. 3. Un composto è una specifica combinazione di atomi di più di un elemento. 4. In una reazione chimica gli atomi non vengono creati o distrutti, ma semplicemente cambiano partner dando luogo a nuove sostanze. Un elemento è una sostanza composta da un unico tipo di atomi. In base all’attuale modello nucleare, un atomo è costituito da un piccolo nucleo carico positivamente, responsabile quasi per intero della sua massa, circondato di elettroni carichi negativamente (e-). La carica negativa degli elettroni compensa ed elide esattamente quella positiva del nucleo centrale, di conseguenza un atomo è elettricamente neutro. Poiché ogni elettrone porta una singola carica negativa, il nucleo contiene una particella carica positivamente per ogni elettrone circostante, detta protone. Il numero dei protoni presenti nel nucleo di un elemento si dice numero atomico (Z). I progressi tecnici raggiunti nella prima parte del ventesimo secolo consentirono di realizzare lo spettrometro di massa, uno strumento atto a determinare la massa atomica. Usando gli spettrometri di massa gli scienziati si resero conto, con grande sorpresa, che non tutti gli atomi di uno stesso elemento possiedono la stessa massa. L’osservazione delle differenze ponderali (di massa) tra gli atomi di uno stesso elemento consentì agli scienziati di affinare ulteriormente il modello nucleare. Si resero conto che il nucleo atomico deve contenere particelle subatomiche elettricamente neutre, che furono chiamate neutroni. Dato che i neutroni non hanno alcuna carica elettrica, la loro presenza non incide sulla carica nucleare, tuttavia aumentano consistentemente la massa dell’atomo. Pertanto, un diverso numero di neutroni nel nucleo darà origine ad atomi di massa diversa, anche nel caso si tratti di atomi del medesimo elemento. Se si prescinde dalla carica neutroni e protoni sono assai simili e nel loro insieme vengono denominati nucleoni. Un atomo con uno specifico numero atomico e un numero di massa è chiamato nuclide. Gli atomi con lo stesso numero atomico ma con un numero di massa diverso si dicono isotopi dell’elemento. Tutti gli isotopi di un elemento presentano esattamente lo stesso numero atomico, per cui possiedono lo stesso numero di protoni e di elettroni. Un isotopo si denomina scrivendone il numero di massa di seguito al nome dell’elemento; il simbolo si ottiene scrivendo il numero di massa come apice alla sinistra del simbolo chimico dell’elemento. Dato che gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e lo stesso numero di elettroni, le loro proprietà fisiche sono essenzialmente uguali. Nel caso dell’idrogeno, però, le differenze di massa tra gli isotopi sono comparabili con le masse assolute, e ciò causa differenze apprezzabili nelle proprietà fisiche e leggere variazioni in alcune di quelle chimiche. L’idrogeno possiede tre isotopi, il più comune dei quali (1H) non contiene neutroni, bensì ha un nucleo costituito da un unico protone. Gli altri due isotopi sono meno comuni, e tuttavia hanno tanta importanza in chimica e in fisica nucleare da meritare nomi e simboli speciali. L’isotopo con un neutrone (2H) si chiama deuterio, quello con due neutroni (3H) trizio. che formano due specie di anioni ossigenati contenenti un diverso numero di atomi di ossigeno; in questi casi lo ione contenente il maggior numero di atomi di ossigeno riceve la desinenza -ato, mentre lo ione contenente minor numero di atomi di ossigeno riceve la desinenza -ito. Alcuni elementi, particolarmente gli alogeni, producono più di due specie di ossianioni; in questi casi il nome dell’ossianione dotato del minimo numero di atomi di ossigeno sarà dato dalla forma in -ito con il prefisso ipo-, l’ossianione dotato invece del massimo numero di atomi di ossigeno riceverà il prefisso per- legato alla forma in -ato. In alcuni anioni figura l’idrogeno e in questi il nome inizia con idrogeno, per cui HS- sarà idrogenosolfuro e HCO3 - idrogenocarbonato. Secondo un sistema di nomenclatura più vecchio, l’anione contenente idrogeno si denomina facendo procedere il prefisso bi-, da cui ione bicarbonato per HCO3 -. Un composto ionico è denominato indicando prima il nome del catione, seguito dal nome dell’anione, con l’omissione del termine ione: potassio cloruro per KCl. Continua però a essere più usata la denominazione che vede precedere la il nome della Unione e indicare il catione come complemento di specificazione, dunque cloruro di potassio per KCL. Alcuni composti ionici danno luogo a cristalli che incorporano una proporzione definita di molecole di acqua; questi composti si dicono idrati. Per fare un esempio il solfato di rame (II) si presenta normalmente sotto forma di cristalli azzurri della composizione CuSO4 5H2O. Il punto di questa formula serve a separare dal resto della formula l’acqua d’idratazione e il numero prima di H2O indica quante molecole d’acqua sono presenti in ciascuna unità formula. Gli idrati si denominano indicando prima il nome del composto e poi facendo seguire il termine idrato preceduto dal prefisso che indica il numero di molecole di acqua contenute in ciascuna unità formula; dunque il nome di CuSO4 5H2O sarà solfato di rame (II) pentaidrato. Per i composti molecolari binari comuni si fa terminare in -uro il nome degli elementi che compaiono più a destra nella tavola periodica, per esempio tricloruro di fosforo PCl3. La formula molecolare dei composti formati tra l’idrogeno e non metalli dei gruppi 16 o 17 si scrive facendo precedere l’atomo di idrogeno; per esempio la formula del cloruro di idrogeno è HCl, quella del solfuro di idrogeno H2S. Questi ultimi composti, disciolti in acqua, agiscono spesso da acidi, e come acidi li si denomina. Gli acidi binari si denominano aggiungendo la desinenza -idrico e facendo precedere il termine acido. La soluzione acquosa è indicata facendo seguire alla formula l’annotazione (aq). Un ossiacido è un composto molecolare acido che contiene ossigeno; gli ossiacidi che terminano in -ico sono i progenitori degli ossianioni che terminano in -ato, mentre gli ossiacidi in -oso sono i progenitori degli ossianioni che terminano in -ito. - MOLE E MASSA MOLARE I chimici usano riportare il numero degli atomi, degli ioni e delle molecole in una unità di misura detta mole. 1 mole di oggetti contiene un numero di oggetti uguale a quello degli atomi di carbonio presenti in 12 g esatti di carbonio-12. La spettrometria di massa ha stabilito che la massa di un atomo di carbonio-12 vale 1,99265*10-23 e di conseguenza il numero degli atomi in 12 g esatti di carbonio-12 è: 12 g 1,99265∗10−23 g =6,0221∗1023 .Pertanto una mole di atomi di qualsiasi elemento contiene 6,0221*1023 atomi. Il simbolo per l’unità mole è mol e si tratta dell’unità di misura della proprietà fisica che definiamo quantità di sostanza. Il numero di oggetti per moli, 6,0221*1023 mol-1, prende il nome di costante di Avogadro, NA, e serve a convertire il numero di moli in numero di atomi, ioni o molecole presenti in detta quantità: numero di oggetti = quantità di moli * costante di Avogadro. La quantità di sostanza si può determinare se si conosce la massa del campione e la massa molare, M, cioè la massa di una mole di particelle: la massa molare di un elemento è la massa di una mole dei suoi atomi; la massa molare di un composto molecolare è la massa di una mole delle sue molecole; la massa molare di un composto ionico è la massa di una mole delle sue unità formula. Le unità di misura della massa molare sono sempre i grammi per mole. Se desideriamo trovare il numero di moli, n, dividiamo la massa totale, m, del campione per la massa molare delle specie presenti: n= m MM . La massa molare degli elementi si determina con l’ausilio della spettrometria di massa, determinando la massa dei singoli isotopi e la loro abbondanza. Quanto maggiore è la massa del singolo atomo, tanto maggiore è la massa molare della sostanza. In chimica si ha quasi sempre a che fare con campioni naturali degli elementi che presentano abbondanza naturale dei vari isotopi. La massa atomica media viene determinata calcolando la media ponderata, cioè la somma del prodotto della massa di ciascun isotopo, moltiplicata per la frazione che rappresenta la sua abbondanza relativa in un campione in natura. La massa molare di un composto coincide con la somma delle masse molari degli elementi che costituiscono la molecola o l’unità formula. - LA DETERMINAZIONE DELLA FORMULA CHIMICA La formula empirica di un composto mostra i rapporti numerici tra gli atomi dei vari elementi presenti in esso; la formula molecolare invece dice il numero effettivo degli atomi di ogni elemento presenti nella molecola. La formula empirica del glucosio è CH2O, quella molecolare è C6H12O6. Dato che la formula empirica fornisce solamente il rapporto numerico tra gli atomi dei singoli elementi, composti diversi, dotati di formula molecolare distinta, possono corrispondere alla medesima formula empirica. Per determinare la formula empirica di un composto si misura innanzitutto la massa di ogni elemento che vi figura. Il risultato si riporta di solito come composizione percentuale in massa, vale a dire come massa di ciascun elemento in percentuale della massa totale: percentuale in massa dell’elemento = massa del l' elemento nelcampione massa totaledel campione ∗100%. Per ricavare la formula empirica dalla composizione percentuale in massa, si converte la percentuale in massa di ciascun tipo di atomi nel numero relativo di atomi di quell’elemento. Il procedimento più semplice consiste nell’immaginare che la massa del campione sia 100g esatti e in questa maniera la composizione percentuale in massa esprimerà la massa in gramma di ciascun elemento. Successivamente si applicherà la massa molare di ciascun elemento per convertire le singole masse in quantità di moli, per poi trovare il numero relativo di moli per ciascun tipo di atomo. Per stabilire la formula molecolare di un composto occorre un altro dato: la massa molare. La formula molecolare di un composto si trova determinando quante unità formula empiriche occorrono per dare come totale la massa molare misurata del composto. - MISCUGLI E SOLUZIONI I composti hanno composizione costante, mentre i miscugli possono variare la propria. Essendo semplicemente mescolati tra loro, i componenti di un miscuglio conservano le rispettive proprietà chimiche, mentre le proprietà chimiche di un composto differiscono da quelle dei componenti. La formazione di un miscuglio è una trasformazione fisica, mentre la formazione di un composto richiede una trasformazione chimica. Un miscuglio di sostanze diverse si dice miscuglio eterogeneo; vi sono miscugli nelle quali le molecole o gli ioni componenti sono così intimamente mescolati insieme che la composizione risulta ovunque: si tratta di un miscuglio omogeneo o soluzione. In una soluzione, vi è tipicamente una sostanza presente in quantità maggiore, il solvente; le altre sostanze presenti si definiscono soluti. I miscugli vengono separati ricorrendo alle differenze di proprietà fisiche tra i componenti; tra le tecniche di uso comune basate su questo criterio vi sono la decantazione, la filtrazione, la cromatografia e la distillazione. In chimica è spesso importante conoscere la quantità di soluto in un dato volume di soluzione. La concentrazione molare o molarità è data dalla quantità di moli del soluto diviso il volume della soluzione in litri: M= n V . Per calcolare il volume di soluzione madre necessario per realizzare una determinata diluzione, bisogna calcolare il numero di moli che dovrà figurare nella soluzione diluita finale; poi calcolare il volume iniziale di soluzione madre di molarità data che contiene la suddetta quantità di soluto. - LE EQUAZIONI CHIMICHE Le reazioni chimiche sono trasformazioni chimiche, dove i materiali di partenza si chiamano reagenti e le sostanze che si formano si chiamano prodotti. La reazione chimica si simboleggia con una freccia: reagenti → prodotti. L’equazione scheletro è un riepilogo qualitativo di una reazione chimica, per riassumere le equazioni in maniera quantitativa si nota che gli atomi non possono essere né creati né distrutti nel corso del processo, si limitano a cambiare partner. L’osservazione che durante le reazioni chimica la massa totale rimane costante va sotto il nome di legge di conservazione della massa; dato che gli atomi non si creano e non si distruggono, le formule in un’equazione scheletro devono essere moltiplicate per fattori che consentano di avere ai due membri dell’equazione lo stesso numero di atomi di ciascun elemento. Si dice allora che l’espressione risultante è bilanciata e la si definisce equazione chimica. Il numero che moltiplica un’intera formula chimica si dice coefficiente stechiometrico della sostanza, mentre i pedici mostrano quanti atomi di quell’elemento sono presenti in una molecola. In altre parole i coefficienti stechiometrici che moltiplicano le formule chimiche in qualunque equazione chimica bilanciata dicono il numero relativo di moli di ciascuna sostanza che reagine o viene prodotta nella reazione. Di norma l’equazione chimica riporta anche lo stato di aggregazione dei singoli reagenti e prodotti mediante i simboli di stato: (s) solido, (l) liquido, (g) gassoso, (aq) soluzione acquosa. Se si desidera mostrare che la reazione richiede temperatura elevata, si scriverà la lettera greca Δ sopra la freccia di reazione. Talvolta si aggiunge un catalizzatore, una sostanza che fa aumentare la velocità di reazione ma che non viene essa stessa consumata. - LE REAZIONI DI PRECIPITAZIONE Una sostanza solubile si discioglie in maniera significativa in un determinato solvente; nel caso in cui si parli semplicemente di solubilità senza menzionare il solvente si intende riferirsi alla solubilità in acqua. Una sostanza insolubile non si discioglie in misura apprezzabile in un determinato solvente. Il soluto può