Chimica Generale

Chimica generale

Cos'è la chimica

Matteo Corradi

La chimica è la scienza che si occupa dello studio della materia in relazione alla sua:

• Composizione;
• Struttura;
• Proprietà;
• Reattività.

La materia è tutto ciò che occupa spazio e possiede una massa. Può esistere in tre stati fisici (stati di aggregazione):

• Gas o vapore;
• Liquido;
• Solido.

Una porzione di materia sotto osservazione è detta sistema.

Alcune definizioni

• Elemento: sostanza che non può essere suddivisa in sostanze più semplici con metodi chimici. Attualmente sono noti 113 elementi. 90 di essi sono naturali.
• Composto: sostanza che può essere suddivisa in due o più elementi con metodi chimici. Sono noti alcuni milioni di composti. Ogni sostanza (elemento o composto) possiede proprietà chimiche e fisiche peculiari.
• Miscela: insieme di due o più sostanze nella quale ogni sostanza mantiene la propria identità chimica e fisica.
• Miscela omogenea: di composizione uniforme, con proprietà chimiche e fisiche identiche in ogni sua parte; è detta anche soluzione.
• Miscela eterogenea: di composizione differente, con proprietà chimiche e fisiche che dipendono dal punto in cui sono misurate.

Le sostanze che compongono una miscela possono essere separate con metodi fisici.

Proprietà fisiche delle sostanze: proprietà che possono essere misurate senza cambiare l'identità della sostanza.

• Densità: massa/volume. Proprietà intrinseca della materia, indipendente dalla quantità di materia. La densità dell'acqua è 1 g/ml a 4°C.

Proprietà chimiche: proprietà che descrivono il modo col quale una sostanza può cambiare (reagire) per dare altre sostanze.

Trasformazioni delle sostanze

Una sostanza può subire due tipi di trasformazione:

• Fisica: variazione di una o più proprietà fisiche (es. temperatura, volume…). Tutte le transizioni di stato sono trasformazioni fisiche;
• Chimica: variazione nell'identità della sostanza → reazione chimica.

In chimica il termine processo è sinonimo di trasformazione, ovvero:

• Trasformazione che modifica le proprietà fisiche di una sostanza → processo fisico;
• Trasformazione che produce sostanze da altre sostanze → processo chimico.

È fondamentale ricordare che in un processo chimico (reazione):

• Non si ha creazione o distruzione di materia;
• Si ha sviluppo o assorbimento di calore.

Energia

L'energia è la capacità di produrre lavoro o di trasferire calore. Calore e lavoro non sono entità materiali ma modi di trasferimento dell'energia. L'energia di un corpo dipende dalla sua posizione relativa ad altri corpi (energia potenziale) e dal suo moto (energia cinetica). Tutti i tipi di energia possono essere convertiti in altri.

Non è possibile misurare l'energia assoluta di un sistema. Possiamo solo misurare la variazione di proprietà dovute da scambi di energia.

Calore

La temperatura è la misura del flusso di calore. Il calore fluisce spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo. I processi che producono calore si dicono esotermici. I processi che assorbono calore si dicono endotermici.

Lavoro

Il lavoro produce una variazione dello stato di quiete o di moto di un corpo. Si produce lavoro muovendo un oggetto in opposizione ad una forza.

Nei processi ordinari l'energia non può essere creata né distrutta, può solo cambiare forma. Non è così per le reazioni nucleari.

Le leggi fondamentali della chimica

Legge di conservazione della massa (Lavoisier, 1775)

La legge della conservazione della massa è la seguente:

"La massa totale delle sostanze presenti al termine di una reazione chimica è la stessa massa totale delle sostanze presenti prima della reazione stessa."

Oppure:

"Nei processi chimici si ha trasformazione di materia e non creazione o distruzione di quest'ultima."

Quindi in una reazione chimica può variare il numero delle sostanze ma non la massa totale.

Lavoisier per formulare questa legge scaldò un vaso di vetro sigillato ermeticamente, contenente stagno e aria. Prima del riscaldamento determinò la massa complessiva del vaso di vetro, dello stagno e dell’aria, e si accorse che era identica alla massa dopo il riscaldamento (ovvero vaso di vetro, più calcinato di stagno - o ossido di stagno - e aria restante).

Legge delle proporzioni definite o legge della composizione costante (Proust, 1799)

La legge delle proporzioni definite è la seguente:

"Tutti i campioni di un composto hanno la stessa composizione, ovvero le stesse proporzioni in peso degli elementi costituenti."

Oppure:

"In un composto il rapporto tra i pesi degli elementi è definito e costante."

Si consideri il seguente esempio:

• Ogni molecola di acqua è costituita da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (come nella formula H₂O). Per ottenere l’acqua è necessario far reagire 1,119g di H con 8,881g di O. Qualsiasi eccesso di uno dei due elementi nei confronti di tale rapporto, non reagisce per dare acqua e rimane come reagente in eccesso a fine reazione. Si considerino ora due campioni di acqua, uno da 10g e uno da 27g. Per determinare la percentuale in peso dell’idrogeno si divide la massa dell’idrogeno per la massa del campione e si moltiplica tutto per 100. Nel campione da 10g la percentuale in peso di H sarà dell’11,9%, mentre quella di O sarà 88,81%. Nel campione da 27g per determinare la percentuale in peso di H è necessario proseguire nel seguente modo: 1,119 : 10 = x : 27 dove x=3,021g di H. Anche in questo caso la percentuale in peso di H sarà dell’11,19%. Lo stesso procedimento si applica per l’ossigeno.

Legge delle proporzioni multiple o legge di Dalton (Dalton, 1803)

La legge delle proporzioni multiple è la seguente:

"Quando due elementi possono combinarsi tra loro in diversi rapporti, le quantità in peso dell’uno che si combinano con una quantità fissa dell’altro stanno tra loro in rapporti di numeri interi e semplici."

Dalton, per formulare la suddetta legge, elaborò una teoria atomica, che si basa su tre assunti:

1. Ogni elemento chimico è composto di particelle microscopiche indistruttibili dette atomi. Non è possibile creare o distruggere atomi in una reazione chimica (a eccezione che nel nucleare);
2. Tutti gli atomi di un elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà, mentre atomi di un elemento sono diversi dagli atomi di un altro elemento;
3. In ciascuno dei loro composti diversi elementi si combinano tra loro in un rapporto numerico semplice (un atomo di A con un atomo di B oppure un atomo di A con due atomi di B).

Secondo l’assunto 1 prima e dopo una reazione chimica deve essere sempre presente lo stesso numero di atomi, e la massa totale non cambia. La teoria di Dalton spiega così la legge della conservazione della massa. Secondo l’assunto 2 se tutti gli atomi di un elemento hanno la stessa massa e secondo l’assunto 3 se gli atomi si uniscono in rapporto numerici fissi, allora la composizione percentuale di un composto deve avere un valore unico, indipendentemente dall’origine del composto analizzato. La teoria di Dalton spiega così anche la legge della composizione costante.

Si arriva quindi all’enunciato iniziale, che per chiarezza riportiamo nuovamente:

"Se due elementi formano più di un singolo composto le masse di un elemento combinate con una massa fissa del secondo stanno tra loro come numeri interi piccoli."

Si considerino due ossidi di carbonio (un ossido è la combinazione di un elemento con l’ossigeno): il monossido di carbonio CO (gas infiammabile altamente tossico), e il biossido di carbonio, o anidride carbonica CO₂ (gas pesante che estingue il fuoco). Nel primo 1,000g di C si combinano con 1,333g di O. Nel secondo invece la stessa quantità di C si combina con 2,667g di O. Il secondo ossido contiene una quantità doppia di ossigeno rispetto al primo. La massa di C è identica in entrambi i composti, mentre la massa di O, nei due composti è in rapporto 1:2 (in accordo con la legge delle proporzioni multiple).

Lo stesso vale per l’acqua H₂O (liquido incolore e insapore), e per l’acqua ossigenata H₂O₂ (liquido molto reattivo, esplosivo se puro). Nell’acqua 1g di H si combina con 8g di idrogeno, mentre nell’acqua ossigenata, o perossido di idrogeno, 1g di H si combina con 16g di O. Il rapporto tra le masse dell’ossigeno tra i due composti è di 1:2.

Legge delle combinazioni gassose (Gay-Lussac, 1808)

La legge delle combinazioni gassose è la seguente:

"A temperatura e pressione costanti, quando due gas si combinano tra loro, i loro volumi stanno tra loro in rapporto semplice, e, se il prodotto della reazione è anch’esso un gas, il suo volume sta in rapporto semplice con i volumi dei gas."

I volumi dei gas reagenti stanno tra loro in rapporto di numeri interi piccoli. Questi numeri interi piccoli sono semplicemente i coefficienti stechiometrici dell’equazione bilanciata.

Si consideri il seguente esempio:

2NO_(g) + O_2(g) → 2NO_2(g)

2mol NO_(g) + 1mol O_2(g) → 2mol NO_2(g)

Supponiamo che le condizioni di T e P siano uguali. In queste condizioni una mole di gas occupa un determinato volume V, in litri, 2 mol di gas occupano 2V litri e via di seguito.

2V l NO_(g) + 1V l O_2(g) → 2V l NO_2(g)

Si dividono i coefficienti per V:

2l NO_(g) + 1l O_2(g) → 2l NO_2(g)

Quindi, purché i volumi siano misurati alla stessa temperatura e pressione, il rapporto tra i volumi di gas consumato e prodotto in una reazione è lo stesso del rapporto molare. Questo è lo sviluppo della legge delle combinazioni gassose.

Legge di Avogadro

La legge di Avogadro nasce per chiarire la legge di Gay-Lussac. Infatti, dopo la sua formulazione, tale legge venne messa in discussione da Dalton.

Avogadro propose due ipotesi: volumi uguali-numeri uguali, ma anche che le molecole potevano dividersi in semi-molecole durante la reazione. Considerando il caso dell’acqua, si può dire che le molecole di O₂ si dividono in atomi e poi si combinano con H₂ per formare le molecole di H₂O. In questo modo occorre solo la metà del volume di ossigeno rispetto a quello dell’idrogeno.

L’ipotesi di Avogadro "volumi uguali-numeri uguali" può essere enunciata in due modi:

• Volumi uguali di gas differenti nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di atomi o molecole;
• Numeri uguali di molecole di gas differenti nelle stesse condizioni di temperatura e pressione occupano volumi identici.

La legge di Avogadro è quindi la seguente:

"A una data temperatura e pressione, il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua quantità."

Oppure:

"Volumi uguali dello stesso gas, o di gas diversi, alle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono un uguale numero di particelle (atomi o molecole)."

Regola di Cannizzaro (Stanislao Cannizzaro, 1858)

La regola di Cannizzaro, o regola degli atomi, è il metodo per calcolare il peso atomico di un elemento. La regola afferma che:

"Le varie quantità in peso di uno stesso elemento, contenute nei suoi diversi composti, sono tutte multipli interi di una stessa quantità, la quale deve ritenersi il peso atomico dell’elemento."

La struttura dell’atomo

Introduzione

Lo studio degli elementi iniziò molto tempo addietro, si ricorda che secondo Aristotele le sostanze sono formate dal mescolamento di 4 “elementi”: terra, acqua, fuoco e aria.

Teoria atomica di Dalton

Nel XIX secolo Dalton combinò il concetto di atomo con quello di elemento. Dalton elaborò una teoria atomica, che si basa su diversi punti:

• La materia è costituita da particelle indivisibili dette atomi;
• Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di un altro elemento;
• Ogni elemento chimico è composto di particelle microscopiche indistruttibili dette atomi. Non è possibile creare o distruggere atomi in una reazione chimica (a eccezione che nel nucleare);
• Tutti gli atomi di un elemento hanno la stessa massa e le stesse proprietà, mentre atomi di un elemento sono diversi dagli atomi di un altro elemento;
• I composti sono formati da atomi di elementi differenti uniti in proporzioni definite;
• In ciascuno dei loro composti diversi elementi si combinano tra loro in un rapporto numerico semplice (un atomo di A con un atomo di B oppure un atomo di A con due atomi di B).

Scoperta dei raggi catodici

Certi oggetti mostrano una proprietà detta carica elettrica, che può essere negativa (-) o positiva (+). Le cariche positive e negative (quindi di segno opposto) si attraggono, mentre le cariche di segno uguale si respingono. Tutta la materia è costituita da particelle cariche. Un oggetto elettricamente neutro ha un numero uguale di cariche negative e positive, quindi non porta carica. Se invece il numero di cariche positive supera il numero di cariche negative l’oggetto porterà carica positiva, mentre se il numero di cariche negative supera il numero di cariche positive l’oggetto porterà carica negativa.

La scoperta dei raggi catodici, e poi degli elettroni, inizia con la messa a punto del tubo a raggi catodici (CRT, cathode ray tube), da parte di Faraday, nel 1830. Facendo passare dei raggi catodici all’interno di un’ampolla di vetro sotto vuoto, Faraday scoprì un tipo di radiazione emessa dall’estremità negativa, o catodo, che attraversava il tubo vuoto fino ad un’estremità positiva, detta anodo. I raggi catodici prodotti nel CRT sono invisibili, e possono essere rilevati solamente dalla luce emessa dal materiale che colpiscono. Questi materiali (ad esempio fosfori) sono posti all’estremità terminale del CRT in modo tale da poter osservare il percorso compiuto dai raggi. Per descrivere l’emissione di luce di un fosforo colpito dalla radiazione energetica si usa il termine fluorescenza. Gli scienziati, a seguito di esperimenti, arrivarono a due conclusioni:

• I raggi catodici si propagano in linea retta, e le loro proprietà non dipendono dal materiale da cui è costituito il catodo e dal gas;
• I raggi catodici vengono deflessi da campi elettrici o magnetici nel modo previsto per particelle cariche negativamente.
• Le particelle responsabili dei raggi devono far parte di tutti gli atomi;

In conclusione gli atomi non sono in realtà indivisibili, ma sono costituiti da particelle subatomiche.

Scoperta dei raggi canale (o raggi anodici)

La scoperta dei raggi anodici è stata effettuata da Goldstein, che verificò l’esistenza di particelle positive usando un tubo di Crookes, munito di un catodo con dei canali. I raggi anodici procedono con traiettoria rettilinea dall’anodo verso il catodo, sono quindi costituiti da particelle cariche positivamente. Dipendono dal gas utilizzato.

Scoperta dei raggi X

La scoperta dei raggi x è stata effettuata da Roentgen nel 1895. I raggi X sono emessi da tubi catodici ad alto vuoto, e vennero descritti come delle radiazioni in grado di provocare la fluorescenza di campioni di platinocianuro di bario. Si scoprì che tali radiazioni possedevano un elevato potere penetrante, e questa radiazione di natura ignota venne quindi descritta come “raggi X”.

Scoperta dell’elettrone

Nel 1897 Thomson, attraverso diversi esperimenti, constatò che la traiettoria di un raggio catodico veniva deviata da un campo elettrico o magnetico come se si trattasse di una particella carica negativamente. Questa particella prese il nome di elettrone (e). Thomson fu anche in grado di stabilire il rapporto carica/massa (-1,76 x 10⁸ C/g). Il valore della carica dell’elettrone è -1,6022 x 10^-19 C. La massa dell’elettrone invece è di 9,1094 x 10^-28 g. La carica e la massa dell’elettrone vennero calcolate da Millikan nel 1909, attraverso una serie di esperimenti con gocce di olio. Conoscendo la differenza di potenziale tra due poli e la massa di una goccia di olio, è possibile calcolare la carica presente sulla goccia. Infatti la caduta della gocciolina tra due campi di un condensatore è accelerata o rallentata a seconda della grandezza e del segno della carica che essa porta.

Modello atomico di Thompson

Considerato che l’elettrone era una particella fondamentale della materia presente in tutti gli atomi, Thomson ideò un modello atomico. Partendo dal presupposto che la materia è elettricamente neutra, anche gli atomi che la compongono devono essere elettricamente neutri. Il modello proposto da Thomson prevedeva una sfera uniforme che rappresentava la carica positiva, in essa gli elettroni (carichi negativamente) erano disposti casualmente. Quindi, secondo questo modello, gli elettroni “galleggiavano” all’interno della nube di carica positiva. Questo modello divenne noto come modello a “plum pudding” o modello a “panettone”. Tale modello spiega inoltre l’origine dei raggi anodici. Infatti i raggi catodici collidono con gli atomi gassosi, causando l’emissione di particelle cariche positivamente.