Corso di CHIMICA A.A. 2024/2025 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) 9) Lo stato liquido e le soluzioni Lo stato solido La mole 10) Termochimica L’unità di misura della quantità di 11) Cinetica chimica sostanza: la mole 12) L’equilibrio chimico 13) Equilibri in soluzione acquosa o Definizione di mole e massa molare 14) Elettrochimica o Relazione tra massa molare di una 15) Fondamenti di chimica organica sostanza e massa atomica/molecolare I rapporti ponderali e loro applicazioni o Conversione da massa a numero di moli o Conversione da numero di moli a numero di entità elementari o Determinazione della formula minima e molecolare di un composto incognito Le reazioni chimiche e la stechiometria di reazione o Bilanciamento della massa nelle reazioni o Reazioni redox e loro bilanciamento o I rapporti molari in una reazione chimica e i calcoli stechiometrici Relazione tra massa e numero di atomi/molecole In una certo campione… diamante da 0.6 ct C12H22O11 6 x 1021 atomi di C bustina di zucchero circa 5 x 1021 molecole In una reazione chimica… C12H22O11 + H2O→ C6H12O6 + C6H12O6 ? 20 kg Chimica a.a. 2024/2025  La mole la MOLE (simbolo = n, unità di misura = mol) è l’ unità di misura della quantità di sostanza. Una mole corrisponde alla quantità di sostanza che contiene un numero di entità elementari pari al numero di Avogadro (NA = 6.022141 x 1023 ). Tale numero corrisponde al numero di atomi di carbonio contenuti in 12 g di 12C Tali entità elementari possono quindi essere molecole, elettroni, ioni etc. e la tipologia deve essere sempre specificata! Es. 1 mole di CaF2 contiene: moli di ioni numero di ioni 1 mole di ioni calcio → 6.022 x 1023 ioni calcio 2 moli di ioni fluoruro → 2 x 6.022 x 1023 ioni fluoruro 3 moli di ioni → 3 x 6.022 x 1023 ioni CaF2 è un composto ionico. Per formarne 1 mole a partire dagli elementi, quante moli di elettroni ha perso il calcio? E quanti elettroni? [2 mol di elettroni;Chimica 10242024/2025 1.204 x a.a. elettroni] La massa molare Poiché ogni elemento ha una massa caratteristica e una mole di atomi di un elemento è costituita da 6.022 1023 atomi, la massa di una mole di elementi diversi è sempre diversa. Una mole di… La MASSA MOLARE (MM o M), espressa in g/mol, rappresenta la massa di una mole di entità elementari. Chimica a.a. 2024/2025 Chimica a.a. 2024/2025  La massa molare Poiché ogni elemento ha una massa caratteristica e una mole di atomi di un elemento è costituita da 6.022 1023 atomi, la massa di una mole di elementi diversi è sempre diversa. Una mole di… La MASSA MOLARE (MM o M), espressa in g/mol, rappresenta la massa di una mole di entità elementari. Come conseguenza della definizione di mole, la massa molare di…: … un elemento è numericamente uguale alla sua massa atomica... un composto è numericamente uguale al suo peso molecolare/formula Chimica a.a. 2024/2025  Massa atomica vs. massa di una mole di atomi 173 pm 1 atomo di Mg 1 mole di Mg (6.022 x 1023 atomi di Mg) Massa (g) 4.035 x 10-23 Moltiplicare per NA 6.022 x 1023 24.31 g dividere per l’unità di massa moltiplicare per l’unità di atomica, 1.66 x 10-24 g massa atomica, 1.66 x 10-24 g Massa (u) 24.31 u Moltiplicare per NA 6.022 x 1023 1.464 1025 u La massa atomica e la massa di una mole di atomi di un elemento sono numericamente uguali, ma si riferiscono a masse in g e a quantità di sostanza molto diverse! Chimica a.a. 2024/2025  Peso molecolare vs. massa di una mole di composto Massa (g) 2.99 x 10-23 Moltiplicare 6.022 x 10 per N 23 A 18.02 g dividere per l’unità di massa moltiplicare per l’unità di atomica, 1.66 x 10-24 g massa atomica, 1.66 x 10-24 g Massa (u) 18.02 u Moltiplicare per NA 6.022 x 1023 1.086 1025 u Il peso molecolare (o peso formula per quei composti per cui non si può individuare una molecola) e la massa di una mole di molecole sono numericamente uguali, ma si riferiscono a masse in g e a quantità di sostanza molto diverse! Chimica a.a. 2024/2025 I rapporti ponderali Sommando le masse molari di tutti gli atomi degli elementi contenuti in un composto/molecola si ottiene la massa molare del composto/ molecola. Es. MM CO2 = 16.00 g/mol x 2 + 12.00 g/mol x 1 = 44.00 g/mol La massa molare, esprimendo la relazione tra 1 mol di sostanza e la sua massa espressa in grammi, può essere usata come fattore di conversione: 𝐦 𝐧= 𝐌𝐌 Es. Quante moli di CO2 in 140 g di CO2? n CO2 = 140 g / 44.00 g/mol = 3.18 mol Il numero di Avogadro (costante di Avogadro in mol-1) consente il calcolo del n° di entità contenute in un dato numero di moli di sostanza. n°entità = a ∙ 𝐧 ∙ 𝐍𝐀 a = numero di volte in cui l’entità appare nella formula della sostanza Es. Quanti atomi di O in 3.18 mol di CO2? n° entità = 2 x 3.8 mol x 6.022 1023 mol-1 Chimica a.a. 2024/2025 Alcuni esempi Quante moli di carbonato di sodio sono contenute in 10.0 g di composto? Quante moli di sodio (Na) sono contenute in 10.0 g di carbonato di sodio? a) 0.0943 b) 0.189 [b] Quanti atomi di ossigeno sono contenuti in 10.0 g di carbonato di sodio? a) 0.283 b) 1.70 1023 c) 5.66 1022Chimica a.a. 2024/2025 [b] Alcuni esempi 1. Quante moli di carbonato di sodio sono contenute in 10.0 g di composto? 1b. Quante moli di sodio (Na) sono contenute in 10.0 g di carbonato di sodio? a) 0.0943 b) 0.189 [b] 2. Quanti atomi di ossigeno sono contenuti in 10.0 g di carbonato di sodio? a) 0.283 b) 1.70 1023 c) 5.66 1022 Chimica a.a. 2024/2025 Formule di composti incogniti Analizzando una sostanza sconosciuta occorre: Determinare la composizione elementare (quali elementi la costituiscono - analisi qualitativa - e in quali % in peso - analisi quantitativa) attraverso opportuni analizzatori Determinare la formula minima (o empirica) Determinare il peso molecolare e ottenere la formula molecolare, se diversa dalla minima. Esempio. Una sostanza sconosciuta presenta all’analisi elementare le seguenti % in peso: 40% C; 6.7% H; 53.3% O. Determinare la formula minima. (C=12 g/mol, H= 1.008 g/mol, O= 16.00 g/mol) nC = 3.33 mol 1 FORMULA Rapporti tra moli di Corrispondono ai MINIMA nH = 6.65 mol 2 pedici nella formula ciascun elemento nO= 3.33 mol 1 CH2O Chimica a.a. 2024/2025 Formule minima e molecolare La formula minima può corrispondere a più composti. Chimica a.a. 2024/2025 Formule minima e molecolare Se è stato determinato sperimentalmente anche il peso molecolare (PM) del composto, si può ottenere la formula molecolare sfruttando una delle seguenti strategie: Metodo 1. calcolando quante volte il peso della formula minima è contenuto nel peso molecolare (PM). Metodo 2. senza determinare la formula minima, utilizzando la massa di una mole di composto come dato iniziale al posto dei 100 g. Es. metodo 1. Il PM del composto con formula minima CH2O è 90.08 u. Determinare la formula molecolare del composto. CH2O corrisponde a 30.03 u: 90.08/30.03 = 3. Per ottenere la formula molecolare i pedici nella formula minima vanno moltiplicati per 3: CH2O C3H6O3 Chimica a.a. 2024/2025 Formule minima e molecolare Metodo 2. Una sostanza sconosciuta presenta all’analisi elementare le seguenti % in peso: 40% C; 6.7% H; 53.3% O. Determinare la formula molecolare, sapendo che il suo peso molecolare è 90.08 g. mC = 90.08 g x 0.40 = 36.03 g mH = 90.08 g x 0.067 = 6.03 g mO = 90.08 g x 0.533 = 48.0 g Dividendo per le rispettive masse molari: nC = 3.00 mol 3 FORMULA moli di ogni elemento Corrispondono ai MOLECOLARE nH = 5.99 mol 6 pedici nella formula in 1 mol di composto nO= 3.00 mol 3 C3H6O3 numeri interi (o quasi): sono le moli di ciascun elemento contenute in una mole di composto! Chimica a.a. 2024/2025 Formula molecolare e isomeri Anche la formula molecolare può non essere univoca. Per determinare le proprietà di un composto bisogna conoscerne la formula di struttura. Isomeri: composti che condividono la stessa formula molecolare, ma presentano una diversa disposizione degli atomi nello spazio. Etanolo e dimetiletere sono dicono isomeri di struttura: hanno stessa formula molecolare, ma gli atomi dei diversi elementi sono legati tra loro in un ordine diverso. Chimica a.a. 2024/2025 Equazioni chimiche reagisce con per dare C + O2 CO2 1 atomo 1 molecola 1 molecola 12.01 u 32 u 44.01 u 1 mole di 1 mole di 1 mole di atomi molecole molecole 12.01 g 32 g 44.01 g Confrontando la somma delle masse di tutti i reagenti con la massa dell’unico prodotto di reazione, si vede che la legge di conservazione della massa è rispettata… E quando non è così? Chimica a.a. 2024/2025  Il bilanciamento delle reazioni H2 + O2 H2O 1 molecola 1 molecola 1 molecola 2.02 u 32 u 18.02 u 1 mole di 1 mole di 1 mole di molecole molecole molecole 2.02 g 32 g 18.02 g 2.02 + 32 = 34.02 ≠ 18.02 La legge di conservazione della massa sembra non rispettata! Le molecole di H2 e di O2 non reagiscono realmente in rapporto 1:1 La reazione non è bilanciata Chimica a.a. 2024/2025 Il bilanciamento delle reazioni argomento delle esercitazioni 2 H2 + O2 2 H2O coefficienti 2 molecole 1 molecola stechiometrici 2 molecola 4.04 u 32 u 36.04 u 2 moli di 1 mole di 2 moli di molecole molecole molecole 4.04 g 32 g 36.04 g Coefficienti stechiometrici: numeri che indicano quante moli di ogni sostanza sono coinvolte nella reazione. Chimica a.a. 2024/2025  Il bilanciamento delle reazioni redox n.o. 0 0 +1 -2 2 H2 + O2 2 H2O In una reazione di ossidoriduzione alcuni elementi cambiano numero di ossidazione nella trasformazione da reagenti e prodotti. La sostanza che riceve gli elettroni (conterrà un elemento il cui n.o. diminuisce) si dice ossidante e nel corso della reazione si «riduce». La sostanza che dona gli elettroni (conterrà un elemento il cui n.o. aumenta) si dice riducente e nel corso della reazione si «ossida». Chimica a.a. 2024/2025  Il bilanciamento delle reazioni redox n.o. 0 0 +1 -2 2 H2 + O2 2 H2O Nel caso di una reazione redox bisogna sempre garantire l’uguaglianza tra il numero Nel caso di di elettroni ceduti una reazione dal riducente redox e quelli bisogna sempre acquisitil’uguaglianza garantire dall’ ossidante. tra il numero di elettroni ceduti dal riducente e quelli acquisiti dall’ ossidante. Bilancio redox Un metodo comune per il bilancio redox si basa sul far coincidere in valore assoluto la variazione complessiva del numero di ossidazione dell’elemento che si ossida con quella dell’elemento che si riduce, perché tale variazione è legata al numero di elettroni che sono stati ceduti/acquisiti da quel determinato elemento. Argomento delle esercitazioni Chimica a.a. 2024/2025  I rapporti molari Il bilanciamento di una reazione è fondamentale perché permette di conoscere i rapporti molari (o rapporti stechiometrici) con cui le sostanze reagiscono. Quante moli di anidride carbonica si formeranno a partire da 3 mol di propano bruciate in aria (C3H8)? I coefficienti stechiometrici esprimono rapporti in moli, non in grammi!!! Chimica a.a. 2024/2025 Calcoli stechiometrici Argomento delle esercitazioni Se azoto e idrogeno reagiscono nelle proporzioni esatte per produrre 17.030 g di ammoniaca, quante moli di ciascun reagente sono state consumate? N2 + 3H2 → 2NH3 Calcolo delle moli di NH3: MM ammoniaca = 14.01 + 3 x 1.008 = 17.03 g/mol n NH3 = m NH3/MM NH3 = 17.030 g /17.03 g/mol = 1 mol NH3 Calcolo delle moli dei reagenti La stechiometria di reazione indica che: - le moli di N2 consumate sono metà di quelle di NH3 prodotte - le moli di H2 consumate sono 3/2 di quelle di NH3 prodotte Il ragionamento può essere tradotto nella risoluzione di una proporzione: 1 mol di N2 :2 mol NH3 = x mol di N2 : 1 mol NH3 → x = 0.5 mol N2 3 mol di H2 :2 mol NH3 = x mol di H2 : 1 mol NH3 → x = 1.5 mol H2 Coefficienti stechiometrici Moli effettive Chimica a.a. 2024/2025 Calcoli stechiometrici Quanti atomi di azoto e idrogeno sono presenti nell’ammoniaca prodotta? (dati dell’esercizio alla slide precedente) N2 + 3H2 → 2NH3 La formula del composto indica che: - 1 mol di NH3 contiene 1 mol di atomi di N. Per sapere a quanti atomi di N corrisponde si moltiplica per il numero di atomi contenuti in una mole: 1 mol N x NA = 6.022 x1023 atomi N - 1 mol di NH3 contiene 3 moli di H. 3 mol di H x NA = 1.806 x1024 atomi di H Chimica a.a. 2024/2025 Il reagente limitante N2 + 3H2 → 2NH3 E quando le proporzioni tra i reagenti non sono stechiometriche? Uno dei reagenti si esaurisce per primo: viene detto reagente limitante. Il reagente ancora presente a fine reazione è invece detto in eccesso. In una reazione chimica irreversibile è detto limitante quel reagente che, esaurendosi per primo, limita sia la quantità di prodotti ottenibili che il totale consumo degli altri reagenti. Qualsiasi previsione sulla quantità di prodotti ottenuti deve basarsi sul numero di moli di tale reagente coinvolte nella reazione. Chimica a.a. 2024/2025 Il reagente limitante N2 + 3H2 → 2NH3 Esempio. 4 mol di N2 reagiscono con 9 mol di H2. Quante moli di NH3 si formano? Determinazione del reagente limitante Meotdo 1: per consumare 4 mol di N2 servirebbero 12 mol di H2. Non ci sono, quindi H2 si esaurirà per primo e limiterà la quantità di NH3 formata. Metodo 2: si divide il numero di moli di ciascun reagente per il coefficiente stechiometrico. Il numero più piccolo ottenuto indica che si tratta del r. limitante. Calcolo delle moli di NH3 prodotte 3 mol di H2 :2 mol NH3 = 9 mol di H2 : x mol NH3 → x = 6 mol NH3 Chimica a.a. 2024/2025 Appendice: tipologie di reazioni Reazioni di scambio o spostamento Reazioni di doppio scambio o metatesi Reazioni acido-base Reazioni di decomposizione (le reazioni inverse, che portano alla formazione di un solo composto a partire da due o più elementi/composti sono dette di combinazione) Alcune reazioni possono essere classificate in più categorie! Chimica a.a. 2024/2025  Reazioni di scambio Reazioni di scambio (o spostamento) Un elemento (n.o. = 0) si ossida, «spostandone» un altro da un composto. Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 AgNO3 + Cu → CuNO3 + Ag Reazioni di doppio scambio (o metatesi) Gli ioni nelle coppie catione-anione risultano scambiati nei prodotti. sale + acido → sale + acido Na2CO3 + HCl → NaCl + H2CO3 FeS + HCl → FeCl2 + H2S sale + base → sale + base K2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4 + KOH sale + sale → sale + sale MgCl2 + Na2S → NaCl + MgS Precipitato di BaSO4 Alcune r. di metatesi sono r. di precipitazione: composti in soluzione acquosa reagiscono formando tra i prodotti un composto insolubile, che precipita sotto forma di2024/2025 Chimica a.a. solido.  Reazioni acido-base (di salificazione) Sostanza a carattere acido + sostanza a carattere basico sale idracidi, ossoacidi, idrossidi, ossidi basici, ossidi acidi (anidridi) ammoniaca e derivati Esempi: HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + H2O HCl + CaO → CaCl2 + H 2O SO2 + Ba(OH)2 → BaSO3 + H2O HCl + NH3 → NH4Cl Alcune reazioni acido-base (ad es. tra ossoacidi e idrossidi) sono reazioni di metatesi. Chimica a.a. 2024/2025  Reazioni di decomposizione Un composto si decompone per formare 1) due elementi, 2) uno o più elementi e uno o più composti 3) due o più composti. calore o energia elettrica Composto elementi costituenti HgO(s) → Hg(l) + O2(g) d. termica NaCl (l) → Na(l) + Cl2(g) d. elettrolitica calore Clorati dei metalli alcalini cloruri + O2 KClO3(s) → KCl(s) + O2(g) Carbonati di metalli (eccetto I gruppo) calore ossido + CO2 CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) CuCO3(s) → CuO(s) + CO2(g) Na2CO3(s) → non avviene KHCO3(s) → K2CO3(s) + CO2(g) + H2O Idrossidi di metalli (eccetto I gruppo) calore ossido + H2O Ni(OH)2(s) → NiO(s) + H2O(g) Per indicare che è stato fornito calore si può riportare il simbolo Δ sopra laChimica freccia di reazione a.a. 2024/2025