Corso di CHIMICA - A.A. 2024/2025 - GAM-MAZ PDF

Corso di CHIMICA A.A. 2024/2025 GAM-MAZ Chiara Novara Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia [email protected] Telefono: 011 – 090 4713 Ricevimento: su appuntamento 1) Introduzione alla chimica 2) L’atomo 3) La mole e le reazioni chimiche 4) Struttura elettronica dell’ato...

Corso di CHIMICA A.A. 2024/2025 GAM-MAZ Chiara Novara Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia [email protected] Telefono: 011 – 090 4713 Ricevimento: su appuntamento 1) Introduzione alla chimica 2) L’atomo 3) La mole e le reazioni chimiche 4) Struttura elettronica dell’atomo 5) La tavola periodica degli elementi 6) Il legame chimico 7) Lo stato gassoso 8) Lo stato liquido e le soluzioni 9) Lo stato solido 10) Termochimica 11) Cinetica chimica 12) L’equilibrio chimico L’atomo 13) Equilibri in soluzione acquosa 14) Elettrochimica Le origini della chimica moderna: 15) Fondamenti di chimica organica o Il metodo scientifico o Le leggi ponderali o La teoria atomica di Dalton La scoperta delle particelle subatomiche o Massa e carica dell’elettrone o Il modello atomico di Thomson o Il modello atomico di Rutherford Il nucleo e l’atomo o Numero atomico, di massa, isotopi e ioni o Cenni sulla stabilità del nucleo e sul decadimento radioattivo La massa atomica Massa (peso) molecolare e peso formula La comprensione della composizione della materia L’indagine chimica nel senso moderno cominciò alla fine del XVII secolo con le prime osservazioni scientifiche sul comportamento della materia. Nel TRATTATO ELEMENTARE DI CHIMICA di Lavoisier si trova scritto « mi sono dato come legge di procedere sempre dal noto all’ignoto, di non fare alcuna deduzione che non sgorgasse direttamente dagli esperimenti e dall’ osservazione, … di non colmare il silenzio dei fatti in affrettate conclusioni» Schema del metodo scientifico Chimica a.a. 2024/2025  Le leggi fondamentali della chimica Legge di conservazione della massa “In una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti in un sistema chiuso“ Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma 16 g CH4 + 64 g O2 → 44 g CO2 + 36 g H2O Antoine Lavoisier 80 g di reagenti 80 g di prodotti 1) Legno + O2 → CO2 + H2O + cenere 2) 2 Mg + O2 → 2 MgO 1) 2) Mg Chimica a.a. 2024/2025  Le leggi fondamentali della chimica Legge della composizione definita e costante (1799) “In un composto chimico gli elementi sono sempre combinati in rapporti in massa costanti e definiti.“ Indipendentemente dalla sua fonte (metodo di sintesi o separazione da altre sostanze), ogni composto chimico è costituito dagli stessi elementi Joseph Proust nelle stesse frazioni in massa Es. CaCO3, carbonato di calcio Considerando 20 g di Percentuali in massa composto sono presenti: (massa elemento/massa composto) x100: 8.0 g di calcio (Ca) 40 % di calcio (Ca) 2.4 g di carbonio (C) 12% di carbonio (C) 9.6 g di ossigeno (O) 48% di ossigeno (O) Chimica a.a. 2024/2025  Le leggi fondamentali della chimica Legge delle proporzioni multiple “Se due elementi A e B reagiscono per formare due composti (AB e AB2), le diverse masse di B che si combinano con una massa fissa di A stanno tra di loro secondo numeri interi piccoli.“ Massa di Massa Massa composto (g) C O Jhon Dalton CO 28 12 16 Rapporto tra CO2 44 12 32 masse di B: 1 : 2 La legge vale anche quando A e B formano una serie di composti: Chimica a.a. 2024/2025  La teoria atomica I postulati della teoria atomica di Dalton (1808) 1. Tutta la materia è costituita da ATOMI, piccolissime particelle indivisibili di un elemento che non possono essere né create né distrutte. 2. Gli atomi di un elemento sono identici nella massa e nelle proprietà e sono diversi dagli atomi di ogni altro elemento. Jhon Dalton Dalton descrive gli 3. Gli atomi di un elemento non si possono trasformare atomi come sfere in atomi di un altro elemento: in una reazione chimica, solide e indivisibili: le sostanze originali si separano in atomi che si modello delle sfere da biliardo ricombinano per formare differenti sostanze. 4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di uno specifico numero di atomi di più di un elemento. I postulati di Dalton spiegano le tre leggi di massa! Chimica a.a. 2024/2025  Cosa non spiega la teoria di Dalton… Le ragioni alla base del determinato rapporto tra atomi di diversi elementi in un composto Perché nell’acqua il rapporto tra atomi di H e O è proprio 2:1? L’esistenza degli isotopi (atomi dello stesso elemento con massa diversa) Alcune successive osservazioni sperimentali sull’esistenza di particelle subatomiche elettricamente cariche (Esperimenti di Thomson, Rutherford e Millikan). Chimica a.a. 2024/2025  Verso la scoperta dell’elettrone H. Davy (inizio ‘800): gli elementi in un composto sono tenuti insieme da forze elettriche. M. Faraday (1832-33): relazione tra quantità di elettricità utilizzata nell’elettrolisi di un composto e la massa di sostanze ottenute. George Stoney (1874): esistenza di unità di carica elettrica associate all’atomo. Joseph Jhon Thomson (1897): esperimenti in tubo catodico collegati al generatore di tensione ZnS Informazioni sulla natura del raggio: Direzione catodo → anodo Bloccato da ostacoli Deflessione con campi magnetici Chimica ed elettrici a.a. 2024/2025 L’esperimento di Thomson Bilanciando la deflessione del raggio catodico dovuta a campo magnetico ed elettrico si ricava il RAPPORTO TRA LA CARICA (e) E LA MASSA (me) delle particelle costituenti il raggio, gli elettroni: e/me = 1.75883 x108 C*/g Valore indipendente dal materiale costituente il catodo! *1 Coulomb: quantità di carica trasportata in 1 s da una corrente di 1 ampere Chimica a.a. 2024/2025 L’esperimento di Millikan Masse e carica dell’elettrone vennero ricavate da Millikan (1909) tramite la misura della carica dell’elettrone. 1 Gli elettroni rilasciati in seguito alla ionizzazione delle sostanze presenti 2 nell’aria si fissano alle gocce d’olio 3 Le cariche misurate sono sempre il multiplo intero di uno stesso numero! Si varia la tensione tra le piastre per controbilanciare CARICA DELL’ELETTRONE la forza di gravità con la forza - 1.60218 x 10-19 C elettrica. MASSA DELL’ELETTRONE 9.10940 x 10-28 g La massa dell’elettrone è circa 1/1836 di quella dell’atomo di idrogeno → l’atomo non è indivisibile, ma è costituito da particelle più piccole. Chimica a.a. 2024/2025 Lo spettro elettromagnetico Chimica a.a. 2024/2025  Il modello atomico di Thomson All’interno del tubo catodico vengono generate anche particelle positive (a causa della ionizzazione del gas). I valori di carica/massa ottenuti, molto inferiori a quello relativo all’elettrone, sono variabili al variare del gas e sono sempre multipli di un certo numero → ipotesi di unità di carica positiva Chimica a.a. 2024/2025 L’esperimento di Rutherford (1910) Lamina d’oro bombardata con particelle alfa neutrone Ernest Rutherford protone Risultato atteso: lieve deflessione di alcune particelle per interazione con elettroni Risultato dell’esperimento: alcune particelle vengono riflesse! Chimica a.a. 2024/2025  Il modello atomico di Rutherford Ipotesi esistenza del nucleo atomico zona al centro dell’atomo carica positivamente, densa e piccola Atomo 10-1 nm Il nucleo è circondato da una nuvola di elettroni carichi negativamente e leggerissimi, che ne compensano la carica. 1919: il protone viene osservato durante il Nucleo bombardamento con particelle α di alcuni 10-5 nm tipi di atomi. Chimica a.a. 2024/2025  L’atomo In seguito alla scoperta del neutrone (Chadwick 1932), particella neutra con massa uguale a quella del protone, si ha un quadro completo delle particelle subatomiche che compongono l’atomo: nucleoni particelle subatomiche e 1.602 x 10-19 C Affinché l’atomo sia neutro il numero di protoni deve essere uguale al numero di elettroni Chimica a.a. 2024/2025 Il numero atomico Ogni elemento è caratterizzato dall’ avere un determinato numero di protoni nel nucleo. Tale numero è detto numero atomico e identifica univocamente l’elemento. numero di massa (A) n° nucleoni A (protoni + neutroni) numero atomico (Z) n° protoni Z X Simbolo dell’elemento Se il numero atomico del Li è 3, quanti elettroni contiene l’atomo? Chimica a.a. 2024/2025 Il numero atomico Ogni elemento è caratterizzato dall’ avere un determinato numero di protoni nel nucleo. Tale numero è detto numero atomico e identifica univocamente l’elemento. numero di massa (A) n° nucleoni A (protoni + neutroni) numero atomico (Z) n° protoni Z X Simbolo dell’elemento Se il numero atomico del Li è 3, quanti elettroni contiene l’atomo? L’elemento neutro deve contenere 3 elettroni, ma in alcuni casi può perdere elettroni. In questo caso si forma uno IONE Gli ioni sono atomi con un carica netta (positiva → CATIONI, negativa → ANIONI) dovuta rispettivamente alla perdita o all’acquisizione di elettroni. Nel caso del litio per perdita di un elettrone si forma il catione Li+ Nel caso dello zolfo per acquisizione di due elettroni si forma l’anione S2- Quale sarà il numero atomico di Li+? Chimica a.a. 2024/2025  Il numero atomico Ogni elemento è caratterizzato dall’ avere un determinato numero di protoni nel nucleo. Tale numero è detto numero atomico e identifica univocamente l’elemento. numero di massa (A) n° nucleoni A (protoni + neutroni) numero atomico (Z) n° protoni Z X Simbolo dell’elemento Se il numero atomico del Li è 3, quanti elettroni contiene l’atomo? L’elemento neutro deve contenere 3 elettroni, ma in alcuni casi può perdere elettroni. In questo caso si forma uno IONE Gli ioni sono atomi con una carica netta (positiva → CATIONI, negativa → ANIONI) dovuta rispettivamente alla perdita o all’acquisizione di elettroni. Nel caso del litio per perdita di un elettrone si forma il catione Li+ Nel caso dello zolfo per acquisizione di due elettroni si forma l’anione S2- Quale sarà il numero atomico di Li+? Sempre 3!!! Modifiche di Z si hanno solo in reazioni nucleari Chimica a.a. 2024/2025 Tavola periodica e numero atomico Sulla tavola periodica gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico crescente (di una unità a Chimica ogni elemento). a.a. 2024/2025 Quiz Chimica a.a. 2024/2025 Gli isotopi Numeri di massa diversi possono essere invece associati allo stesso elemento, se nel nucleo varia il n° di neutroni a parità di n° di protoni. In questo caso esistono più ISOTOPI dello stesso elemento. Le proprietà chimiche degli isotopi sono simili perché determinate dal numero di elettroni, mentre a causa delle differenze di massa le proprietà fisiche possono variare. Non tutti gli isotopi hanno la stessa stabilità, di conseguenza sono presenti in natura con abbondanze differenti. Chimica a.a. 2024/2025 Gli isotopi: esempi Applicazione nella datazione dei reperti archeologici organici e nella determinazione del contenuto di C rinnovabile in materiali di origine biologica (es. bioplastiche) 4 *radioattivi Utilizzato nella fissione nucleare Chimica a.a. 2024/2025 La stabilità del nucleo Perché i protoni nel nucleo riescono ad essere confinati in un così piccolo spazio senza repulsione? Stabilità del nucleo: esistenza di una terza forza attrattiva (forza nucleare ≈ 104 N, più di 100 volte superiore alla forza elettromagnetica) che agisce tra nucleoni (distanze ≈ 10-15 m). Chimica a.a. 2024/2025 Stabilità degli isotopi in base al rapporto N/Z Gli isotopi stabili (pallini neri) degli elementi con Z < 20 hanno n° di neutroni uguale al n° di protoni Quando Z > 20 il rapporto N/Z per i nuclei stabili aumenta gradualmente, fino a raggiungere 1.5 per Z = 83 Oltre Z= 83 i nuclidi (specie atomiche con composizione nucleare ben specificata, quindi con determinati Z e A) sono tutti instabili (radioattivi – pallini rossi) Chimica a.a. 2024/2025 Tipi di decadimento radioattivo neutrone protone α β- β+ 𝛄 123 ∗ 123 52Te > 52Te +γ I nucleoni (p e n) sono a loro volta composti da particelle, i quark. Chimica a.a. 2024/2025 Il difetto di massa 𝟒 La formazione del nucleo a partire 𝟐𝑯𝒆 dai nucleoni è un processo che riduce l’energia del sistema e quindi anche la massa: E = mc2 = 5.042 10-29 kg difetto di massa: la massa del Energia di legame nucleo è leggermente inferiore alla nucleare somma della massa dei nucleoni che lo formano Processi nucleari che Fissione liberano energia… Frammentazione indotta dei nuclei pesanti con emissione di energia e neutroni Fusione Coalescenza di nuclei più piccoli a formarne di più grandi con emissione di energia Chimica a.a. 2024/2025 L’energia in una reazione chimica vs. reazione nucleare Chimica ≈ 1- 10 eV/molecola Nucleare ≈ 10- 100 MeV/atomo Combustione di 16 g di CH4 (1 mol) Fissione di 16 g di 235U (0.07 mol) 890 kJ 1.2 x 109 kJ alimentazione di una lampadina da alimentazione di 100000 lampadine da 100 W per 2 h e 28 min. 100 W per 3 h e 20 min. Chimica a.a. 2024/2025 La teoria atomica «aggiornata» 1. Tutta la materia è costituita da atomi. L’atomo è la particella più piccola che identifica univocamente un elemento (tuttavia non è indivisibile, ma costituito da particelle subatomiche, a loro volta formate dai quark). 2. Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni; questo ne determina il comportamento chimico. Gli isotopi di un elemento differiscono nel numero di neutroni, dunque nel numero di massa. Un campione di un elemento viene considerato come se tutti i suoi atomi avessero una massa media. 3. Gli atomi di un elemento non possono trasformarsi negli atomi di un altro elemento in una reazione chimica, ma solo ricombinarsi. Elementi possono essere convertiti in altri elementi solo in una reazione nucleare. 4. I composti sono formati dalla combinazione chimica di due o più elementi in rapporti specifici Chimica a.a. 2024/2025 La massa atomica La massa atomica viene calcolata dividendo la massa di un determinato elemento per l’unità di massa atomica (uma o u, equivalente al Dalton, Da), che corrisponde a 1.66 10-27 kg (1.66 10-24 g) Il valore dell’unità di massa atomica è definito come 1/12 della massa dell’atomo di 12C, per cui la massa atomica del 12C è pari a 12 u. Massa di H in chilogrammi: 1.6737236 × 10-27 kg Massa atomica di H: 1.6737236 × 10-27 kg / 1.66 x 10-27 kg = 1.01 u Chimica a.a. 2024/2025 La massa atomica La massa atomica viene calcolata dividendo la massa di un determinato elemento per l’unità di massa atomica (uma o u, equivalente al Dalton, Da), che corrisponde a 1.66 10-27 kg (1.66 10-24 g) Il valore dell’unità di massa atomica è definito come 1/12 della massa dell’atomo di 12C, per cui la massa atomica del 12C è pari a 12 u. ? 11 Na Quale sarà la massa atomica di Na+? Chimica a.a. 2024/2025  Sulla tavola periodica gli elementi sono disposti in ordine di numero atomico crescente (di una unità a ogni elemento). Le masse atomiche riportate tengono conto di tutti gli isotopi Chimica a.a. 2024/2025  Massa atomica e isotopi La massa atomica di un elemento è espressa come media pesata in base all’abbondanza naturale delle masse atomiche dei suoi diversi isotopi. Il silicio (Si) ha tre isotopi stabili con diverse abbondanze %: Considerando un campione di 10000 atomi di silicio, questo 28 9223 conterrà 2928Si, atomi di 30di 29 467 atomi Si e 310 calcolare 14 Si (92.23%) 14 Si (4.67%) 14Si(3.10%) massa atomica del silicio si procede così massa atomica abbondanza Contributo del 28Si: 27.97692 u x 0.9223 = 25.8031 u Contributo del 29Si: 28.976495 u x 0.0467 = 1.35320 u Contributo del 30Si: 29.97377 u x 0.0310 = 0.92918 u 25.8031 + 1.35320 + 0.92918 = 28.0855 u Es. L’argento esiste in natura come isotopo 107Ag e 109Ag. I due isotopi hanno massa di 106.90509 e 108.90476 Da, e abbondanza del 51.84 e 48.16%. Calcolare la massa atomica dell’argento esprimendola con 5 C.S. [107.87 Da] Chimica a.a. 2024/2025  La spettrometria di massa La composizione isotopica è determinata attraverso la spettrometria di massa. La deflessione dipende da: Carica Massa Intensità del campo magnetico Differenza di potenziale applicata ionizzazione Spettro di massa del Neon Sull’asse x si trova la massa se la carica è +1. Altrimenti è riportato il rapporto tra massa e carica, m/z Massa atomica Chimica a.a. 2024/2025 Il peso (massa) molecolare Molecola: unità strutturale indipendente costituita da due o più atomi legati chimicamente tra di loro in proporzioni definite. Molecole biatomiche: costituite da due atomi Omonucleari: O2, N2, Cl2, H2 Eteronucleari: CO, HCl, NO Molecole poliatomiche: costituite da più di due atomi Omonucleari: O3, S8 Eteronucleari: CO2, NH3, H2SO4 Il peso molecolare (PM) si ottiene come somma dalle masse atomiche (pesi atomici -PA) dei diversi elementi che compongono una molecola. metano PM CH4 = 4 x 1.01 u + 1 x 12.01 u = 16.05 u Chimica a.a. 2024/2025 Il peso formula Per i composti per cui non è possibile individuare una molecola sarebbe più corretto parlare di peso formula: somma delle masse atomiche di tutti gli atomi degli elementi presenti nell’unità formula del composto. Solidi ionici Il cloruro di sodio è un composto ionico binario formato da ioni monoatomici, Na+ e Cl- PM NaCl = 1 x 22.99 u + 1 x 35.45 u = 58.44 u Cl- Na+ Il carbonato di calcio è un composto ionico ternario formato da Unità formula di NaCl uno ione monoatomico, Ca2+, e uno ione poliatomico, CO32- PM CaCO3 = 1 x 40.08 u + 1 x 12.01 + 3 x 16.00 u = 100.09 u L’unità formula di un composto ionico si ricava tenendo conto del fatto che la somma delle cariche dei due ioni deve essere 0 → il composto nel complesso deve Unità formula essere neutro di CaCO3 Chimica a.a. 2024/2025  Esempi di ioni Uno ione monoatomico è costituito da Uno ione poliatomico è costituito da un un singolo atomo gruppo di atomi Chimica a.a. 2024/2025 Il peso formula Per i composti per cui non è possibile individuare una molecola sarebbe più corretto parlare di peso formula: somma delle masse atomiche di tutti gli atomi degli elementi presenti nell’unità formula del composto. Si O Solidi covalenti Il quarzo (silice cristallina) è un composto covalente binario formato da Si e O. PM SiO2 = 1 x 28.09 u + 2 x 16.00 u = 60.09 u Unità formula L’unità formula di un composto covalente si ricava tenendo di SiO2 conto del fatto che la somma dei numeri di ossidazione degli elementi che lo compongono deve essere 0 → il composto nel complesso deve essere neutro Numero di ossidazione: carica che ogni elemento in un composto assumerebbe se gli elettroni di legame fossero assegnati all’atomo più elettronegativo. Chimica a.a. 2024/2025 Elettronegatività: capacità di un atomo di attrarre gli elettroni di legame quando forma un composto. Chimica a.a. 2024/2025  Esempi di ioni Uno ione monoatomico è costituito da Uno ione poliatomico è costituito da un un singolo atomo gruppo di atomi Negli ioni poliatomici la carica è riferita all’intero gruppo di atomi ed è uguale alla somma dei numeri di ossidazione degli elementi contenuti nel composto Chimica a.a. 2024/2025