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1Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011.

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1 1Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

2 2 Lacqua e la Terra 1 Lacqua è la sostanza che più caratterizza il nostro Pianeta tra tutti quelli del Sistema Solare. Dalle sue proprietà fisiche e chimiche dipendono moltissimi fenomeni naturali. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

3 3 Lacqua e la Terra 2 Ad esempio, i fenomeni meteorologici, lerosione delle rocce, tutti i fenomeni che interessano gli esseri viventi… Per comprendere le sue incredibili proprietà analizziamo anzitutto le caratteristiche della sua molecola. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

4 4 Molecole polari e apolari 1 I legami O-H sono covalenti polari. Infatti, lossigeno attira fortemente gli elettroni di legame, spostando la loro carica negativa su di sé, mentre sugli atomi di idrogeno si accumula una parziale carica positiva. La distribuzione asimmetrica della carica elettrica rende la molecola polare. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

5 5 Molecole polari e apolari 2 La polarità di una molecola dipende sia dalla presenza di legami covalenti polari sia dalla geometria della molecola. Ad esempio CO 2 è apolare perché i due dipoli, nella struttura lineare, si annullano a vicenda. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

6 6 Molecole polari e apolari 3 Il CHCl 3 (cloroformio) risulta polare per la diversa polarità dei legami C-H e C-Cl. Nella struttura tetraedrica di CCl 4 invece i dipoli si annullano. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

7 7 Lacqua allo stato di vapore è costituita da molecole tutte uguali. Immaginiamo di avvicinare sempre di più fra loro queste molecole. Come si orienteranno una rispetto allaltra? Il legame a idrogeno 1 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

8 8 La presenza di cariche parziali positive sugli atomi H e negative sugli atomi O fa orientare le molecole in modo che siano più efficaci le attrazioni elettrostatiche. Il legame a idrogeno 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

9 9 Il legame a idrogeno 3 Quando le molecole di acqua sono sufficientemente vicine tra esse si forma un legame a idrogeno, un particolare esempio di legame intermolecolare. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

10 10 Notiamo che, oltre ad essere un dipolo elettrico, H 2 O ha due coppie elettroniche libere localizzate sullossigeno. Il legame a idrogeno 4 Coppie elettroniche libere Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

11 11 Il legame a idrogeno 5 Gli atomi O–H···O sono allineati Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

12 12 Il legame a idrogeno 6 Nel legame a idrogeno gli atomi O–H···O devono essere allineati. Le molecole legate da legami a idrogeno sono costrette a orientarsi e distanziarsi per rispettare la geometria del legame. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

13 13 Il legame a idrogeno 7 La stragrande maggioranza delle proprietà dellacqua deriva dalla sua polarità e dalla presenza del legame a idrogeno. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

14 14 Il legame a idrogeno 8 Il legame a idrogeno esiste anche per altre molecole, in cui H è legato ad un non metallo di dimensioni piccole che attrae fortemente gli elettroni di legame e con una coppia elettronica libera (N, O, F). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

15 15Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009 Struttura cristallina 1 Allo stato solido le molecole occupano posizioni geometriche molto precise, in unimpalcatura tridimensionale stabile chiamata reticolo cristallino.

16 16 Allo stato solido le molecole dellacqua sono orientate in modo che i legami a idrogeno siano tutti presenti e trattengano le molecole a una distanza ottimale. Struttura cristallina 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

17 17 Nello stato liquido la disposizione delle molecole è disordinata, quasi come nel vapore, le molecole hanno elevata mobilità e si scambiano di posto frequentemente. Stato liquido 1 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

18 18 Nel liquido, come nel solido, il numero di molecole per unità di volume è molto elevato (liquidi e solidi sono considerati pressoché incomprimibili). Il numero di legami idrogeno è però molto minore che nel solido. Stato liquido 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

19 19 La formazione di legami a idrogeno comporta un allontanamento delle molecole dacqua passando allo stato solido. Acqua liquida e ghiaccio 1 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

20 20 A differenza di quanto avviene per la maggior parte dei materiali, la densità dellacqua solida (ghiaccio) è quindi minore di quella dellacqua liquida. La massima densità dellacqua è a 4°C. Acqua liquida e ghiaccio 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

21 21 Questo fenomeno è di incredibile importanza per la vita. È possibile vivere negli oceani sotto la calotta polare, e negli abissi oceanici la temperatura rimane sempre superiore a 0°C. Acqua liquida e ghiaccio 3 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

22 22 Per passare allo stato aeriforme si devono spezzare tutti i legami a idrogeno. Questo avviene a una temperatura molto elevata (100°C), quando le molecole hanno sufficiente energia cinetica. Acqua liquida e vapore Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

23 23 Lacqua è liquida tra 0° e 100°C, un intervallo di temperatura molto grande. Infatti la superficie del globo terrestre è occupata per più di due terzi da oceani, e la maggior parte dei fenomeni chimici naturali avviene in ambiente acquoso. Calore specifico 1 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

24 24 Per raggiungere la temperatura di 100 °C lacqua deve assorbire unelevata quantità di calore. 1 kg dacqua per aumentare di un grado la sua temperatura deve assorbire 1 kilocaloria (4,184 J). Calore specifico 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

25 25 Calore specifico 3 Il calore specifico è la quantità di energia che deve assorbire (o cedere) 1 kg di materiale per aumentare (o diminuire) di 1 K la sua temperatura. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

26 26 Calore specifico 4 Mettiamo un pentolino dacqua sul fuoco. Dopo alcuni secondi: –Se tocchiamo il metallo ci bruciamo: il metallo ha un basso calore specifico (conduce il calore); –Lacqua, è ancora fredda: lacqua ha un elevato calore specifico (è un isolante termico). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

27 27 Calore specifico 5 Dallelevato calore specifico dellacqua deriva lazione mitigatrice dei climi delle località costiere o lacustri, e parte della stabilità termica degli organismi viventi. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

28 28 Tensione di vapore 1 I liquidi passano allo stato di vapore attraverso levaporazione e lebollizione. Levaporazione può avvenire a qualsiasi temperatura e interessa solo la superficie del liquido. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

29 29 Tensione di vapore 2 Le particelle del liquido non hanno tutte la stessa energia e velocità. Quelle con energia cinetica superiore alla media, se si trovano vicine alla superficie, possono sfuggire dal liquido. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

30 30 Tensione di vapore 3 La tensione di vapore è la grandezza che esprime la tendenza delle molecole di un liquido a passare allo stato aeriforme. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

31 31 Se la tensione di vapore è alta il liquido evapora facilmente. La tensione di vapore aumenta con laumento della temperatura. Tensione di vapore 4 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

32 32 Tensione di vapore 5 I liquidi caratterizzati da forze intermolecolari più deboli (come letere) hanno unelevata tensione di vapore e sono detti volatili. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

33 33 Tensione di vapore 6 Nellacqua i legami a idrogeno determinano una tensione di vapore particolarmente bassa, cioè una scarsa volatilità. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

34 34 Tensione di vapore 7 Quando la tensione di vapore uguaglia la pressione esterna, il liquido giunge allebollizione. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

35 35 Tensione di vapore 8 Lacqua bolle a 100 °C a 1 atm, ma può bollire a temperature più basse (come in alta montagna) o più alte (come in una pentola a pressione). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

36 36 Tensione superficiale 1 La tensione superficiale fa sì che lacqua si comporti come una pellicola, e che le gocce dacqua siano sferiche. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

37 37 Tensione superficiale 2 Le forze attrattive che agiscono sulle molecole di superficie non sono bilanciate: ciascuna molecola di superficie risente di una forza che la attira verso linterno e, per questo motivo, la superficie tende a contrarsi. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

38 38 La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a lasciarsi attrarre verso linterno. La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a lasciarsi attrarre verso linterno. Tensione superficiale 3 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

39 39 Tensione superficiale 4 A causa della tensione superficiale il liquido tende ad assumere la forma che gli permette di avere la minore area superficiale (la forma sferica). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

40 40 Tensione superficiale 5 La superficie del liquido si comporta come una specie di pellicola che cerca di contenere il volume interno opponendosi al suo aumento. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

41 41 Tensione superficiale 6 La tensione superficiale diminuisce allaumentare della temperatura. I tensioattivi contenuti nei detersivi riducono moltissimo la tensione superficiale dellacqua. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

42 42 Tensione superficiale 7 testa polare ossigeno carbonioidrogeno coda apolare Le molecole dei tensioattivi contengono una lunga catena apolare e unestremità polare. La parte polare si immerge tra le molecole dellacqua mentre la parte apolare rimane fuori dal liquido. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

43 43 Tensione superficiale 8 I tensioattivi riducono la tensione superficiale tanto che laria può essere incorporata nel liquido e formare una schiuma. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

44 44 Tensione superficiale 9 Inoltre, minuscole goccioline oleose possono essere disperse nellacqua e formare unemulsione, permettendo il lavaggio. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

45 45 Capillarità 1 Se immergiamo un tubicino di vetro (capillare) in acqua, essa penetra nel tubicino e raggiunge unaltezza tanto più alta quanto più è stretto il tubicino. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

46 46 Capillarità 2 Questo fenomeno, chiamato capillarità, sembra un paradosso perché contravviene al principio di Archimede dei vasi comunicanti. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

47 47 Capillarità 3 La capillarità è dovuta alle proprietà chimiche e fisiche dellacqua: –coesione, cioè attrazione reciproca tra le molecole dacqua attraverso il legame a idrogeno; –adesione, cioè affinità chimica delle molecole dacqua per il vetro, dovuta alla loro polarità. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

48 48 Capillarità 4 Le molecole di acqua a contatto con il vetro vi aderiscono e tendono a salire lungo il capillare bagnandolo. Le molecole allinterno sono coese tra loro e tendono a resistere alla risalita. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

49 49 Capillarità 5 La contrapposizione di queste forze fa sì che la superficie del liquido prenda una forma emisferica, detta menisco. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

50 50 Capillarità 6 Lacqua bagna il vetro, quindi sale nel capillare e si forma un menisco concavo. Il mercurio non bagna il vetro, la salita nel capillare è ostacolata dalla coesione tra le particelle e il menisco è convesso. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

51 51 Soluzioni acquose 1 Molte sostanze tendono spontaneamente a miscelarsi con lacqua. La teina e la catechina sono sostanze che si liberano dalle foglie di tè messe in infusione in acqua calda, formando una soluzione acquosa. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

52 52 Soluzioni acquose 2 Perché si formi una soluzione (cioè un miscuglio omogeneo), si devono rompere i legami tra le particelle di soluto e molti dei legami tra le particelle di solvente. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

53 53 Soluzioni acquose 3 Al loro posto si formano legami tra le particelle del soluto e del solvente. Lacqua è in grado di solubilizzare sostanze ioniche (come NaCl) e sostanze polari (come HCl e gli zuccheri). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

54 54Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009 Lazione delle molecole di acqua sui composti ionici indebolisce i legami ionici. Nella maggioranza dei casi gli ioni del composto vengono liberati, in un processo detto dissociazione. Tramite gli atomi O H 2 O solvata Na + Tramite gli atomi H H 2 O solvata Cl - Soluzioni acquose 4

55 55Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009 Soluzioni acquose 5

56 56Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009 Analogamente, quando le molecole di H 2 O interagiscono con sostanze polari come HCl riescono a rompere i legami covalenti polari formando ioni idrati, in un processo detto ionizzazione. Soluzioni acquose 6

57 57Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009 Gli ioni idrati che si formano dalla ionizzazione o dalla dissociazione sono circondati da molecole di acqua orientate in modo da massimizzare le interazioni elettrostatiche attrattive. Soluzioni acquose 7

58 58 Le soluzioni in cui sono presenti ioni come soluti conducono la corrente elettrica e sono dette soluzioni elettrolitiche. Soluzioni acquose 8 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

59 59 Soluzioni acquose 9 Le sostanze in grado di liberare ioni in soluzione vengono dette elettroliti. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

60 60 Il saccarosio si solubilizza perché le molecole di H 2 O instaurano legami a idrogeno con i gruppi OH delle molecole di saccarosio. Il reticolo cristallino del saccarosio si sfalda ma non si formano ioni. Soluzioni acquose 10 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

61 61 Lolio non viene solubilizzato dallacqua. Le molecole apolari dellolio non possono attirare le molecole di H 2 O che continuano ad attirarsi tra di loro. Soluzioni acquose 11 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

62 62 Il simile scioglie il simile I solventi polari (acqua, alcol, acetone) solubilizzano molecole polari (saccarosio o glicerina). I solventi apolari (benzina, CCl 4, cherosene) solubilizzano molecole apolari (naftalina, olio). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

63 63 Sostanze chimiche utilizzate come solventi Solventi Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

64 64 Gli elettroliti che in acqua liberano ioni H + sono detti acidi, quelli che liberano ioni OH - sono detti basi. Gli ioni H + in acqua si trovano in realtà come H 3 O +. Acidi e basi 1 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

65 65 OH - è detto ione idrossido. H 3 O + è detto ione idronio. Nellacqua pura cè una uguale quantità di ioni H 3 O + e di ioni OH -. Una soluzione con uguali quantità di H 3 O + e di OH - è detta neutra. Acidi e basi 2 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

66 66 Sciogliendo in acqua un acido si ottiene una soluzione acida, in cui la concentrazione di H 3 O + è maggiore di quella di OH -. Esempi sono il succo di limone e laceto. Acidi e basi 3 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

67 67 Sciogliendo in acqua una base si ottiene una soluzione basica, in cui la concentrazione di OH - è maggiore di quella di H 3 O +. Esempi sono lammoniaca, il bicarbonato e molti detersivi. Acidi e basi 4 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

68 68 Lindicatore universale diventa rosso nelle soluzioni acide, blu in quelle basiche, giallo-verde in quelle neutre. Acidi e basi 5 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

69 69 Acidi e basi 6 Il grado di acidità di una soluzione si indica con la scala del pH, che va da 0 a 14: –se pH=7 la soluzione è neutra, –se pH<7 la soluzione è acida, –se pH>7 la soluzione è basica. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011


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