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Conoscenze di base: CHIMICA I Corso di Laurea in Urbanistica e Pianificazione Territoriale e Ambientale Corso di Ingegneria Sanitaria Ambientale Docente:

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1 Conoscenze di base: CHIMICA I Corso di Laurea in Urbanistica e Pianificazione Territoriale e Ambientale Corso di Ingegneria Sanitaria Ambientale Docente: Ing. Riccardo Gori

2 ATOMO: è la più piccola particella costitutiva di un elemento (ad esempio, un atomo di Fe, di H, di O). Latomo a sua volta è costituito da protoni (cariche positive), neutroni (particelle prive di carica) ed elettroni (cariche negative). I protoni e neutroni risiedono in un nucleo centrale attorno al quale orbitano gli elettroni. Un elemento chimico è una sostanza pura costituita da un unico tipo di atomi. Gli atomi di un certo elemento si distinguono da quelli degli altri elementi per il numero atomico (Z) ovvero il numero di protoni nel nucleo. Il numero di protoni è sempre controbilanciato da un ugual numero di elettroni. Il numero di protoni può cambiare (isotopi). Alcuni concetti fondamentali

3 MOLECOLA: è la più piccola particella costitutiva di un composto chimico che può esistere in modo indipendente. Può essere monoatomica, cioè costituita da un solo atomo (è il caso dei cosiddetti gas nobili elio, argon, xeno, neon), o poliatomica, cioè costituita da più atomi, uguali o diversi (esempi: molecola di ossigeno O 2, di ozono O 3, di acqua H 2 O). IONE: è ununità strutturale dotata di carica. Si possono avere ioni monotomici (, ad esempio Na +, Cl - ) o poliatomici (ad esempio SO 4 2-, PO 4 3- ). La carica di forma per perdita o acquisto di uno o più elettroni. Non si perdono/acquistano mai protoni. In particolare, si parla di cationi se la carica dellunità strutturale è positiva, di anioni se è negativa. Alcuni concetti fondamentali

4 Le SOLUZIONI sono miscele omogenee di due (o più) specie chimiche. Il SOLVENTE è in genere il componente che si presenta nello stesso stato fisico della soluzione, il SOLUTO laltro componente. Alcuni concetti fondamentali

5 Esprimere la massa degli atomi e delle molecole utilizzando le usuali unità di misura della massa (ad esempio grammi) pone qualche problema pratico. Se esprimiamo la massa media di alcuni atomi si ha: H: 1, g C: 1, g O: 2, g Per evitare di avere a che fare con numeri così piccoli, si è cercato di esprimere la massa in termini di massa atomica relativa. Dal 1961 la scala di massa atomica fa riferimento alla dodicesima parte di 12 C. A titolo di esempio, usando i valori delle masse in grammi date in precedenza, il valore della massa atomica relativa di H si calcola dividendo il peso di un atomo dell elemento per 1/12 del peso di un atomo di 12 C (che pesa 1, g); ad esempio, la massa di un atomo di H calcolata in riferimento al 12 C è data da: 1, g / (1, g /12) = 1,00790 dalton o u.m.a. Alcuni concetti fondamentali

6 UNITA DI MASSA ATOMICA (indicata con il simbolo uma) è rappresentata da 1/12 della massa atomica del 12 C, corrispondente a 1,66059· g. Si definiscono, di conseguenza: MASSA ATOMICA RELATIVA (comunemente, massa atomica) il rapporto tra la massa assoluta di un atomo e la massa della dodicesima parte dellatomo di 12 C. MASSA MOLECOLARE RELATIVA (comunemente, massa molecolare) la somma delle masse atomiche relative degli atomi che compongono una molecola. I termini peso atomico e peso molecolare, seppur meno rigorosi rispetto alle espressioni precedenti, vengono ancora comunemente usati. Se un elemento comprende diversi isotopi, la sua massa atomica (quella che si trova nella tavola periodica degli elementi o in altre Tabelle) è in realtà un valore medio ponderato, ottenuto tenendo conto della massa dei singoli isotopi e della loro abbondanza relativa. Alcuni concetti fondamentali

7 la MOLE è la quantità di sostanza che contiene un numero di particelle uguale a quello presente in 12 g di carbonio 12. Possiamo calcolare quanti atomi sono contenuti in 12 g di 12 C; essendo la massa di un atomo di 12 C uguale a 1,99252· g, il numero di atomi sarà dato da: 12 g mol -1 /1,99252· g = 6,02252·10 23 mol -1 N A = 6,022·10 23 COSTANTE DI AVOGADRO, mette in relazione il numero di unità strutturali con la quantità di materia ed esprime il numero di particelle contenute in una mole di qualsiasi specie chimica. Alcuni concetti fondamentali

8 1 mole di qualsiasi sostanza contiene un numero di particelle di quella sostanza pari alla costante di Avogadro. Definiamo quindi la massa di una mole: la MASSA MOLARE (M) è la massa per quantità unitaria di sostanza, cioè la massa di una mole di sostanza espressa in grammi per mole (g mol -1 ). La massa molare di un elemento è la massa in grammi di una mole di quellelemento. Alcuni concetti fondamentali

9 STATI FISICI DELLA MATERIA La materia è caratterizzata da tre stati fisici (solido, liquido, gassoso); é possibile passare da uno stato allaltro in opportune condizioni; ciò avviene attraverso trasformazioni invertibili; in queste trasformazioni si ha sempre conservazione della massa. SOLIDI: hanno forma, massa e volume definiti e non sono compressibili. LIQUIDI: hanno massa e volume definiti, assumono la forma del recipiente e sono poco compressibili. GAS: hanno massa definita, non hanno un volume definito, ma occupano tutto lo spazio disponibile (devono, quindi, essere conservati in recipienti chiusi), assumono la forma del recipiente e sono molto compressibili. Stati fisici della materia e passaggi di stato

10 I PASSAGGI DI STATO Stati fisici della materia e passaggi di stato

11 I PASSAGGI DI STATO La fusione è caratterizzata da un processo che origina un notevole aumento della mobilità molecolare. La solidificazione invece, corrisponde ad un processo durante il quale man mano che si riduce la temperatura, i moti molecolari diventano sempre più limitati, finchè alla temperatura di solidificazione, il moto delle molecole si riduce ad una periodica vibrazione attorno ad alcuni centri di equilibrio del reticolo cristallino. Durante i processi di fusione e di solidificazione la temperatura è costante. Ad una determinata pressione, ogni solido cristallino presenta una caratteristica temperatura di fusione, che coincide con la temperatura di solidificazione. La temperatura di fusione varia con la pressione. Stati fisici della materia e passaggi di stato

12 I PASSAGGI DI STATO Evaporando in un ambiente chiuso, dopo un po levaporazione cessa (equilibrio) alla pressione del vapore saturo, che dipende dalla sostanza e dalla temperatura. Lo stato di vapore saturo rappresenta una condizione di equilibrio dinamico tra il liquido ed il suo vapore. La pressione di vapore saturo aumenta molto rapidamente con la temperatura. Vaporizzazione: passaggio da liquido ad aeriforme. – Evaporazione: si manifesta solo sulla superficie del liquido e a qualsiasi temperatura; – Ebollizione: per una data pressione, si manifesta in tutta la massa del liquido ad una determinata temperatura. Stati fisici della materia e passaggi di stato

13 I PASSAGGI DI STATO Ebollizione: riscaldando un liquido, si osserva la formazione di bollicine di vapore saturo al suo interno. Quando la pressione al loro interno (tensione di vapor saturo) supera la pressione sul liquido (atmosferica), si portano in superficie liberando il vapore interno e originando quella turbolenza caratteristica dellebollizione. Temperatura di ebollizione: temperatura alla quale la tensione di vapore saturo eguaglia la pressione esterna. Variando la pressione esterna si varia la temperatura di ebollizione di un liquido. Esempio. Nel caso dellacqua, a livello del mare, la tensione di vapore saturo raggiunge la pressione esterna (1 atm) a 100 °C. In alta quota, dove la pressione è inferiore rispetto al livello del mare, la tensione di vapore saturo raggiunge la pressione esterna ad una temperatura inferiore per cui lacqua bolle a temperature inferiori a 100°C. Stati fisici della materia e passaggi di stato

14 GAS IDEALI Le leggi dei gas sono state enunciate in riferimento ad un GAS IDEALE (o gas perfetto), che presenta queste caratteristiche: le particelle sono soggette a continui movimenti casuali; le particelle hanno volume trascurabile rispetto al volume del gas; non vi sono interazioni tra le particelle; gli urti tra le particelle sono perfettamente elastici. In pratica, i gas reali si avvicinano tanto più a questi comportamenti quanto più sono a bassa pressione e ad alta temperatura. Per i gas lo stato preso come riferimento è rappresentato dalle cosiddette CONDIZIONI NORMALI (c.n.): P = 1 atm; T = 0°C (cioè K) Leggi dei gas

15 Le leggi dei gas, scoperte a partire dal 1600, stabiliscono una relazione tra i valori di una coppia di variabili (P, V, T) relative ad una certa quantità di gas (che non varia) quando la terza viene mantenuta costante. La LEGGE DI BOYLE esprime la relazione tra P e V a T costante: per una certa quantità di gas a temperatura costante, il volume del gas è inversamente proporzionale alla sua pressione. PV = cost (legge isoterma, T = cost) Date due condizioni (1 e 2), essa può essere espressa anche come: P 1 V 1 = P 2 V 2 Leggi dei gas

16 La LEGGE DI CHARLES esprime la relazione tra P e T a V costante: la pressione di una certa quantità di gas a volume costante è direttamente proporzionale alla T assoluta. P/T = cost (legge isocora, V = cost) o anche: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 La LEGGE DI GAY-LUSSAC esprime la relazione tra V e T a P costante ed è analoga alla legge di Charles V/T = cost (legge isobara, P = cost) oppure: V 1 /T 1 = V 2 /T 2 Leggi dei gas

17 Combinando queste leggi si ottiene la relazione: PV/T = cost, oppure: P 1 V 1 /T 1 = P 2 V 2 /T 2 che può essere usata quando variano due parametri per calcolare il terzo In questa relazione il volume e la pressione possono essere espresse in qualsiasi unità di misura, purché uguali per gli stati iniziale e finale; la temperatura va invece espressa in scala assoluta. Leggi dei gas

18 Per 1 mole di un qualsiasi gas, possiamo scrivere: PV = RT e per n moli di gas: PV = nRT Quando si sostituiscono i valori numerici, la P va espressa in atmosfere, il V in litri, la T in Kelvin. EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI Questa legge mette in relazione le variabili, che nelle leggi viste prima venivano considerate a due a due, tutte contemporaneamente. Partendo dalla relazione PV/T = cost, possiamo ricavare il valore di una costante, che chiameremo R, e che per 1 mole di gas (corrispondente a 22.4 l, volume molare dei gas, cioè volume occupato da una mole di qualsiasi gas) alla pressione di 1 atm ed alla T di 273 K vale: R = PV/T = 1 atm 22.4 l mol -1 /273 K R = atm l K -1 mol -1 Il valore di R cambia se si adottano altre unità di misura. Leggi dei gas

19 La CONCENTRAZIONE indica la quantità di soluto presente in una certa quantità di soluzione e può essere espressa in vari modi; una soluzione CONCENTRATA contiene una quantità relativamente alta di soluto, presente in quantità inferiore se la soluzione è DILUITA. 1.Massa/Volume: esprime la massa di soluto presente in 1 litro di soluzione ed è data dal rapporto tra i grammi di soluto ed il volume in litri di soluzione: C = mg/l 2. MOLARITA (M): esprime le moli di soluto presenti in 1 litro di soluzione ed è data dal rapporto tra il numero di moli di soluto ed il volume in litri di soluzione in cui sono disciolte: M = moli/l, una soluzione 1 M contiene 1 mole/l, una soluzione 5 M contiene 5 mol/l e così via. 3. NORMALITA (N): esprime gli equivalenti di soluto presenti in un litro di soluzione ed è data dal rapporto tra il numero di equivalenti di soluto ed il volume in litri di soluzione: N = eq/l Modi di esprimere la concentrazione

20 Gli equivalenti si ottengono dividendo il peso di soluto in grammi per il peso equivalente (espresso in g/eq), secondo la relazione: eq = g/PE. Il peso equivalente, a volte chiamato anche grammoequivalente, può essere riferito a varie reazioni ed è definito come la quantità in grammi di sostanza che può cedere o acquistare una mole di elettroni (reazioni di ossidoriduzione), oppure fornire in soluzione acquosa una mole di H + o di OH - (reazioni acido-base). Il peso equivalente di un ossidante o di un riducente si ottiene dividendo la massa molare per il numero di elettroni acquistati o ceduti. Il peso equivalente degli acidi e delle basi si ottiene dividendo la massa molare per il numero di H + /OH -. Per gli acidi poliprotici, si hanno diversi valori a seconda del numero di H + ceduti. Analogamente, il peso equivalente di un sale si ottiene dividendo la massa molare per il numero di cariche negative generate nella dissociazione del sale. Modi di esprimere la concentrazione

21 4. MOLALITA (m): esprime le moli di soluto presenti in 1 kg di SOLVENTE PURO ed è data dal rapporto tra il numero di moli di soluto ed il peso in kg di solvente in cui sono disciolte; spesso, il peso di solvente si ottiene sottraendo dal peso della soluzione (soluto + solvente) il contributo del soluto: M = moli/kg solvente 5. COMPOSIZIONI PERCENTUALI (%p/p e %v/v) percentuale in peso (% p/p): esprime i grammi di soluto contenuti in 100 g di soluzione. percentuale in volume (% v/v): esprime i cm 3 di soluto contenuti in 100 cm 3 di soluzione. Modi di esprimere la concentrazione

22 6. FRAZIONE MOLARE (c): esprime il rapporto tra le moli di un componente e la somma delle moli di tutti i componenti della soluzione; per il componente i-esimo: c i =moli i /moli totali In una soluzione la somma delle frazioni molari delle varie specie presenti è uguale a 1. Modi di esprimere la concentrazione

23 Tavola periodica LEGGE PERIODICA: le proprietà dei corpi semplici, come le forme e le proprietà delle combinazioni, sono funzione periodica della grandezza del peso atomico (1868). La tavola periodica

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25 Allinterno della tavola periodica sono disposti 105 elementi; si distinguono: I GRUPPI, rappresentati dalle colonne verticali, che riuniscono gli elementi con configurazioni elettroniche simili; poiché gli elettroni esterni sono quelli che entrano in gioco nei fenomeni di tipo chimico, elementi di uno stesso gruppo presentano proprietà chimiche analoghe, soprattutto per quanto riguarda gli elementi successivi al primo, che spesso presenta in parte caratteristiche proprie. I PERIODI, rappresentati dalle righe orizzontali, con gli elementi disposti in ordine di peso atomico crescente, sono indicati da un numero progressivo allestrema sinistra della Tavola. Lungo il periodo si ha una graduale variazione delle proprietà, legata alle variazioni nella struttura elettronica. I gruppi vengono generalmente numerati progressivamente da sinistra a destra secondo convenzioni comuni; La tavola periodica

26 Se, invece, rivolgiamo la nostra attenzione ai periodi, possiamo osservare che il primo periodo è costituito soltanto da due elementi (idrogeno ed elio), cui seguono due periodi di otto elementi ciascuno. A partire dal quarto periodo, la zona centrale è occupata dai cosiddetti elementi di transizione con variazioni di proprietà molto limitate. Il quarto ed il quinto periodo comprendono 18 elementi, mentre il sesto ed il settimo comprendono un numero maggiore di elementi, per cui è stato necessario sistemare due serie di elementi a parte: si tratta, rispettivamente, dei LANTANIDI, o terre rare, (che seguono il lantanio, La Z=57) e degli ATTINIDI (che iniziano con lattinio, Ac Z=89). Gli elementi che costituiscono ciascuna di queste due serie presentano tra loro proprietà chimiche molto simili e si sono sempre incontrate notevoli difficoltà per separarli. La tavola periodica

27 Nella tavola periodica possono essere individuate zone corrispondenti al riempimento dei diversi tipi di orbitali; possiamo distinguere vari BLOCCHI: BLOCCO-S: in cui gli elettroni più esterni occupano ORBITALI S, e che comprende i gruppi I e II (primi due gruppi a sinistra). BLOCCO-P: in cui gli elettroni esterni occupano ORBITALI P, e che comprende i gruppi III, IV, V, VI, VII, oltre al Gruppo 0 (ultimi sei gruppi a destra). · BLOCCO-D: in cui vengono progressivamente riempiti gli ORBITALI D, e che comprende elementi nella parte centrale della Tavola che, oltre a presentare proprietà analoghe verticalmente, si somigliano anche orizzontalmente. BLOCCO F: in cui vengono riempiti gli ORBITALI F, e che comprende lantanidi ed attinidi. La tavola periodica

28 Gli otto gruppi del blocco-s e del blocco-p sono i cosiddetti ELEMENTI RAPPRESENTATIVI; per gli elementi di questa sezione della Tavola periodica il numero del gruppo indica il numero di elettroni nel livello più esterno. Gli elementi del blocco-d e del blocco-f rappresentano, invece, gli ELEMENTI DI TRANSIZIONE; per questi, la relazione tra il numero del gruppo e gli elettroni esterni è un po' più complicata. Lantanidi ed attinidi rappresentano i cosiddetti ELEMENTI DI TRANSIZIONE INTERNI. Secondo unultima suddivisione, si può osservare che la maggior parte degli elementi della Tavola periodica sono METALLI, mentre i NON METALLI sono concentrati nella parte destra della Tavola; i gas nobili (ultima colonna a destra) vengono considerati un gruppo particolare di non metalli. Metalli e non-metalli vengono spesso separati da una linea diagonale a scalini: gli elementi lungo questa linea sono i METALLOIDI (chiamati anche semi-metalli), non classificabili in modo preciso, che per certi aspetti presentano proprietà metalliche, pur avendo anche alcune proprietà dei non-metalli. La tavola periodica

29 GRUPPI CARATTERISTICI 1. METALLI ALCALINI (GRUPPO I) ED ALCALINO-TERROSI (GRUPPO II) Tutti i metalli del Gruppo I hanno un elettrone s nello strato esterno (ns 1 ), mentre i metalli del Gruppo II hanno due elettroni s esterni (ns 2 ); gli elettroni esterni debolmente trattenuti dal nucleo, rendono molto reattivi questi metalli, che perdono facilmente gli elettroni esterni e formano ioni stabili (con carica +1 per i metalli alcalini, +2 per gli alcalino-terrosi). Ad esempio: Na Na + + e - Ca Ca e - Presentano sempre stati di ossidazione di +1 e +2, rispettivamente; questi sono perfettamente giustificabili, osservando i valori delle energie di ionizzazione: ad esempio, nel caso di Na staccare il secondo elettrone richiede nove volte più energia rispetto al primo. La tavola periodica

30 2. ALOGENI (Gruppo VII) Caratterizzati tutti da molecole biatomiche, gli alogeni possono presentarsi in diversi stati fisici (lo iodio è solido, il bromo è liquido, cloro e fluoro sono gas); il loro nome, che significa i generatori di sali, sottolinea la forte reattività di questi non metalli che mostrano, nonostante alcune differenze, proprietà molto simili tra loro, conseguenza della somiglianza tra le strutture elettroniche (ns 2 np 5, 7 elettroni nello strato esterno). Diversamente dagli elementi del blocco s, possono assumere nei composti diversi numeri di ossidazione. 3. GAS NOBILI (GRUPPO 0) Sono caratterizzati da una grande inerzia chimica, che può essere messa in relazione con lo strato esterno completo (orbitali s e orbitali p completamente riempiti, ns 2 np 6 ), molto stabile. Si presentano come molecole monoatomiche e, a causa delle ridotte interazioni tra atomi, hanno bassi punti di ebollizione e di fusione. La tavola periodica

31 4. DAL CARBONIO AL PIOMBO (GRUPPO IV) Gli elementi di questo gruppo, tutti con configurazione elettronica dello strato esterno ns 2 np 2, mostrano caratteristiche meno omogenee rispetto ad altri gruppi: il carbonio è un non-metallo, silicio e germanio sono metalloidi, stagno e piombo presentano le caratteristiche tipiche dei metalli. Le differenze di proprietà al crescere del numero atomico possono essere messe in relazione con laumento del carattere metallico (cui corrisponde una diminuzione del carattere non-metallico) a mano a mano che si scende lungo il gruppo. 5. METALLI DI TRANSIZIONE Gli elementi dallo scandio (Z=21) allo zinco (Z=30) formano la prima serie degli elementi di transizione; analogamente, nei periodi successivi possono essere individuate una seconda ed una terza serie. Nelle tre serie si ha il riempimento degli orbitali 3d, 4d e 5d, rispettivamente. In questa zona della Tavola periodica gli elementi presentano analogia di proprietà anche orizzontalmente, ed ancora una volta questo può essere messo in relazione con la struttura elettronica poco dissimile. La tavola periodica

32 Il terzo ed il quarto livello hanno energie vicine e risultano parzialmente sovrapposti: infatti, nellordine di riempimento degli orbitali lorbitale 4s viene riempito prima del 3d, pur appartenendo ad un livello successivo. Quindi, questi elementi che differiscono per il riempimento di un livello sottostante quello esterno manifestano proprietà molto simili. Possiamo notare che le configurazioni di Cr e di Cu sembrano violare lordine di riempimento degli orbitali. Cr (Z=24) [Ar]3d 5 4s 1 (invece di 3d 4 4s 2 ): un sottolivello semiriempito, in cui ogni orbitale contiene un elettrone, risulta particolarmente stabile. Cu (Z=29) [Ar]3d 10 4s 1 (invece di 3d 9 4s 2 ): il sottolivello d completamente riempito risulta più stabile. Possono essere considerati metalli di transizione quelli che formano almeno uno ione con orbitale d parzialmente riempito; la vicinanza di energia tra gli orbitali d ed s fa si che essi possano presentare stati di ossidazione variabili. Inoltre, le ridotte dimensioni degli atomi e la struttura compatta che li caratterizzano (ogni atomo è circondato da altri 12 atomi) conferiscono loro alti punti di ebollizione e di fusione. La tavola periodica

33 Nella tavola periodica, il raggio atomico cresce nei GRUPPI dallalto in basso, cioè allaumentare del numero di livelli elettronici: infatti, al crescere di n, i livelli si troveranno mediamente ad una maggiore distanza dal nucleo, e questo effetto sarà maggiore per piccoli valori di n, vista la più ampia differenza di energia tra due livelli successivi. Movendosi lungo un PERIODO, i raggi atomici diminuiscono da sinistra a destra, in quanto le cariche positive del nucleo risultano progressivamente maggiori; di conseguenza gli elettroni sono più trattenuti, con conseguente contrazione delle dimensioni atomiche. La tavola periodica

34 Lenergia necessaria per estrarre un elettrone è in relazione con la distribuzione degli elettroni nei vari livelli e con il carattere metallico di un elemento; inoltre, le energie necessarie per strappare elettroni successivi al primo sono in genere progressivamente più elevate. Le energie di prima ionizzazione diminuiscono scendendo dallalto in basso lungo i gruppi (dimensioni degli atomi progressivamente maggiori) e, salvo eccezioni, aumentano movendosi lungo i periodi da sinistra a destra verso elementi a raggio atomico minore e a carattere progressivamente meno metallico, che cedono elettroni con più difficoltà La tavola periodica

35 Laffinità elettronica è una misura dellenergia necessaria ad allontanare lelettrone in eccesso da uno ione negativo. In generale, atomi piccoli che occupano la parte destra della Tavola periodica hanno affinità elettroniche molto negative, ad indicare unelevata affinità elettronica ovvero una scarsa propensione a cedere un eventuale elettrone in più rispetto allo stato naturale. Laffinità elettronica, in uno stesso periodo, aumenta da sinistra verso destra ed in un gruppo diminuisce andando dallalto verso il basso. Secondo le convenzioni laffinità elettronica è negativa se la reazione è esotermica, e positiva per processi endotermici; valori positivi si hanno anche per acquisto di un secondo elettrone, che deve vincere la repulsione con uno ione negativo. La tavola periodica

36 Il NUMERO DI OSSIDAZIONE è una carica positiva o negativa che viene attribuita formalmente a ciascun elemento in un composto e rappresenta il numero di elettroni in più o in meno rispetto allatomo neutro quando gli elettroni di legame, vengono attribuiti allatomo più elettronegativo. Un elemento è tanto più ossidato quanto più alto è il suo N.O. e tanto più ridotto quanto più basso è il suo N.O. Lelettronegatività rappresenta la tendenza degli atomi ad attirare a sé gli elettroni di legame. Sono state elaborate alcune regole pratiche per lattribuzione dei numeri di ossidazione. Il numero di ossidazione

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39 Le formule chimiche Le sostanze elementari ed i composti sono rappresentati da formule chimiche. Linformazione che fornisce la formula chimica è quali elementi (o elemento nel caso di sostanza elementare) compongono una certa sostanza ed in quali rapporti si trovano tali elementi. Tali rapporti fra numeri interi di atomi sono scritti come deponenti a destra dellelemento al quale si riferiscono. Questa è la formula minima o stechiometrica o elementare. Esempi Na 1 Cl;N H 3 ;Ca Cl 2 ;O…CH Il numero 1 non si indica Quando una sostanza è costituita da molecole cioè da aggregati discreti fisicamente distinti gli uni dagli altri si utilizza la formula molecolare. Esempi. O 2 I 2 HNO 3 C 6 H 6

40 Le formule chimiche Quando si vuole rappresentare la concatenazione tra atomi e la loro disposizione nell spazio si ricorre alla formula di struttura. Questa può essere definita come la proiezione bidimensionale della disposizione spaziale. OCOOCO HONHON O O C H H H H Anidride carbonica Acido nitrico Metano

41 I composti chimici inorganici Composti binari con lidrogeno: idruri Gli idruri sono composti binari (formati da 2 atomi) di cui 1 è lidrogeno. Nella maggior parte dei casi lidrogeno tende a perdere 1 elettrone cedendolo allaltro atomo ma in alcuni casi è lui che acquista 1 elettrone. La nomenclatura di questi composti prevede di chiamare il composto idruro di (nome dellelemento che si lega allidrogeno).

42 I composti chimici inorganici Composti binari con lossigeno: ossidi Gli ossidi sono composti binari (formati da 2 atomi) di cui 1 è lossigeno. Nella maggior parte dei casi lossigeno tende acquistare 2 elettroni ma in 1 caso (con il fluoro) è lui che cede 1 elettrone. Nel caso dei non metalli, per lo stesso elemento ci sono più possibilità di combinazione con lossigeno.

43 I composti chimici inorganici Composti terziari con ossigeno ed idrogeno: idrossidi Gli idrossidi sono composti formato da un elemento con idrogeno ed ossigeno. A seconda che lelemento sia un metallo o un non metallo gli idrossidi hanno caratteristiche diverse. Gli idrossidi di metalli hanno comportamento basico: tendono a cedere ioni OH -. Gli idrossidi di non-metalli hanno comportamento acido: tendono a cedere ioni H +.

44 I composti chimici inorganici I sali sono composti che derivano dalla combinazione di metalli ed acidi.

45 Gli ALOGENI, potendo assumere diversi N.O integrano la nomenclatura ordinaria nel modo seguente: N.O. +1 ipo…-oso: Cl 2 O anidride ipoclorosa; HClO acido ipocloroso N.O. +3 …-oso: Cl 2 O 3 anidride clorosa; HClO 2 acido cloroso N.O. +5 …-ico: Cl 2 O 5 anidride clorica; HClO 3 acido clorico N.O. +7 iper…-ico: Cl 2 O 7 anidride perclorica; HClO 4 acido perclorico PEROSSIDI: caratterizzati dal gruppo -O-O- in cui lossigeno ha N.O. - 1; H 2 O 2 (perossido di idrogeno o acqua ossigenata), Na 2 O 2 (perossido di sodio). Il numero di ossidazione H H O O Formula di struttura acqua ossigenata

46 Una REAZIONE CHIMICA è una trasformazione per cui da una serie di sostanze, dette REAGENTI, si ottengono altre sostanze, dette PRODOTTI. Ogni reazione viene generalmente schematizzata con simboli chimici usando le formule di tutte le specie che partecipano alla reazione. Se schematizziamo una generica reazione chimica nel modo seguente, A + B C + D possiamo notare che i reagenti A e B si trovano a sinistra della freccia, mentre a destra compaiono i prodotti C e D; la freccia singola indica che questa reazione avviene unicamente da sinistra a destra. Una formula chimica indica sul piano QUALITATIVO (o microscopico) il tipo di sostanza che interviene nella reazione. Volendo attribuire alla reazione anche un significato quantitativo, è necessario che essa sia bilanciata, cioè che vengano introdotti opportuni coefficienti interi davanti alle formule, in modo che venga rispettato il principio di conservazione della massa. Le reazioni chimiche

47 Possiamo riscrivere lequazione precedente, aA + bB cC + dD, in cui sono stati aggiunti in minuscolo i COEFFICIENTI STECHIOMETRICI, che esprimono il numero relativo di molecole di reagenti e prodotti che partecipano alla reazione. 2Cl 2 + 7O 2 2Cl 2 O 7 i coefficienti stechiometrici posti davanti alle formule indicano che 2 molecole di cloro reagiscono con 7 molecole di ossigeno, per formare 2 moli di anidride perclorica Le reazioni chimiche

48 Essenzialmente, possono essere individuati tre tipi di reazioni chimiche: 1. Associazione/dissociazione SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 CaCO 3 CaO + CO 2 2. Sostituzione e scambio 2AgNO 3 + CaCl 2 2AgCl + Ca(NO 3 ) 2 3. Ossidoriduzione (in cui si ha variazione del N.O.) 2Al + 3H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 Nelle reazione non di ossido-riduzione operativamente si bilanciano una ad una le specie presenti, considerando per ultimi lidrogeno e lossigeno. Se nella reazione compaiono delle cariche, anche queste dovranno essere bilanciate. Le reazioni chimiche

49 Le reazioni di ossido-riduzione possono essere interpretate come un trasferimento di elettroni dalla specie che si ossida a quella che si riduce; le variazioni complessive dei N.O. relative ai due processi di ossidazione e di riduzione devono essere uguali in valore assoluto e quindi la loro somma risulta pari a zero. Le reazioni chimiche

50 Dal punto di vista pratico, una reazione di ossidoriduzione viene bilanciata mediante una serie di operazioni successive: 1. Si determinano i N.O. di tutti gli elementi presenti secondo le regole convenzionali; 2. si individuano gli elementi per i quali il N.O varia, si valuta tale variazione sia per lelemento che si ossida, sia per quello che si riduce, e la si moltiplica per il numero di atomi di quellelemento presenti nella molecola; 3. invertendo i valori trovati per rendere uguali le variazioni in valore assoluto, si determinano i coefficienti stechiometrici per le specie che contengono gli elementi che si ossidano e si riducono (NB: nel corso del bilanciamento il rapporto individuato NON PUO ESSERE MODIFICATO); 4. Bilanciamento delle cariche con aggiunta di ioni H + o OH Bilanciamento degli atomi che porta alla determinazione dei coefficienti di tutti gli altri elementi secondo il principio di conservazione della massa, considerando per ultimo lossigeno. Le reazioni chimiche

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52 I coefficienti stechiometrici di una reazione rappresentano il numero relativo di molecole di reagenti e prodotti coinvolte nella reazione stessa, ma possono assumere anche un significato macroscopico collegato al concetto di mole. Quindi, partendo da una reazione bilanciata è possibile calcolare la quantità di prodotto ottenibile da un certo peso di reagente e, inversamente, la quantità di reagente necessaria per ottenere un certo peso di prodotto. Le reazioni chimiche

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54 Finora, abbiamo considerato reazioni in cui i reagenti sono presenti in quantità stechiometriche, cioè in modo che essi reagiscano completamente. In alcuni casi un reagente è in eccesso rispetto agli altri, ossia è presente con un numero di moli maggiore di quello richiesto dallo schema di reazione. Il reattivo che si consuma completamente viene definito REAGENTE LIMITANTE e determinerà la quantità massima di prodotto ottenibile. Le reazioni chimiche

55 È quindi possibile calcolare la quantità di prodotto che si può teoricamente ottenere partendo da una certa quantità di reagenti. Se la quantità realmente ottenuta coincide con quella calcolata, si dice che la RESA è del 100%. Nella pratica, si osservano spesso rese decisamente inferiori per diverse ragioni: formazione di sottoprodotti, manipolazioni, perdite, e così via, reazione di equilibrio. La quantità teorica di prodotto viene calcolata come visto prima e confrontata con la quantità di prodotto effettivamente ottenuta; è, quindi, possibile determinare la RESA PERCENTUALE mediante la relazione: Resa percentuale = Quantità reale/Quantità teorica x 100 Nellipotesi che si abbia: 1) La trasformazione completa di tutti i reagenti, se questi sono presenti in quantità stechiometriche 2) La trasformazione completa di uno dei reagenti, presente in quantità inferiore (reattivo limitante). Le reazioni chimiche


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