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1 APPUNTI DI CHIMICA I concetti da non dimenticare e le domande a cui dovete saper rispondere... 2 a C (2011-2012)

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1 1 APPUNTI DI CHIMICA I concetti da non dimenticare e le domande a cui dovete saper rispondere... 2 a C ( )

2 2 LA CHIMICA Studia la struttura, le proprietà e le trasformazioni di tutta la materia che ci circonda e di cui siamo fatti.

3 3 Sostanze pure e miscugli Sostanza pura: tipo di materia omogenea, con proprietà specifiche e caratteristiche, diverse da quelle di altre sostanze. ESEMPI: acqua, sale da cucina, zucchero... Miscuglio eterogeneo: insieme di due o più sostanze mescolate tra loro, ma tali da conservare ciascuna le proprie caratteristiche e per questo separabili e distinguibili. ESEMPI: latte, granito, suolo...

4 4 Miscugli eterogenei Miscuglio solido: più sostanze solide, esempio la sabbia. Sospensione: solidi in liquidi o gas, esempio terra in acqua. Emulsione: due o più liquidi non miscibili, esempio acqua e olio.

5 5 Come separare le sostanze di un miscuglio eterogeneo? Filtrazione: per mezzo di filtri. Decantazione: grazie alla forza peso

6 6 DOMANDE... Cosa studia la chimica? Che cosa è un miscuglio eterogeneo? Guarda in cucina e trova due esempi di miscugli eterogenei. Che cosa è unemulsione? Fai un esempio. Che tipo di miscuglio ottengo se mescolo acqua e polvere di marmo, sapendo che questa è insolubile in acqua? Descrivi i fenomeni di filtrazione e decantazione. Perché può essere utile separare le sostanze che compongono un miscuglio?

7 7 Alcune sostanze formano miscele omogenee: le soluzioni Cosa accade se mescoliamo acqua e zucchero? Lacqua e lo zucchero formano una soluzione omogenea, cioè le particelle delle due sostanze, pur conservando le loro caratteristiche, formano una miscela in cui non sono più distinguibili luna dallaltra e non si separano facilmente.

8 8 Il solvente e il soluto In una soluzione (o miscela omogenea) la sostanza che scioglie e che è presente in maggiore quantità si chiama solvente, mentre quella che viene sciolta, disperdendosi nel solvente, si chiama soluto. Lacqua è il solvente più diffuso in natura ed è indispensabile per il funzionamento di tutti gli organismi viventi. Riflettiamo sul linguaggio: solubile in acqua, insolubile in acqua...

9 9 Altri tipi di soluzioni Soluzioni gassose: esempio laria. Soluzioni solide: esempio le leghe metalliche. Lacciaio è una lega di ferro e carbonio. Il bronzo è una lega di rame e stagno. Una lega è una soluzione di due o più metalli mescolati quando si trovano allo stato fuso e lasciati poi solidificare.

10 10 La solubilità La solubilità è la quantità massima espressa in g di soluto che può essere sciolto in 100 g di solvente a una certa temperatura. Esperimento per casa: Usando una bilancia da cucina versate in un bicchiere 100 g di acqua. Aggiungete 10 g di sale fino, mescolate con un cucchiaino e descrivete cosa succede. Ripetete lesperimento altre tre volte aggiungendo prima 20 g di sale, poi 30 g e infine 50 g di sale e descrivete sul vostro quaderno cosa accade.

11 11 Soluzioni sature, concentrate e diluite. Soluzione diluita o poco concentrata (A): contiene poco soluto rispetto al livello di saturazione. Soluzione satura (B): contiene la quantità massima di soluto che può essere sciolto nel solvente. Soluzione sovrassatura (C): contiene il soluto precipitato come corpo di fondo.

12 12 YouTube...per studiare! (video e animazione dello zucchero sciolto dallacqua). (animazione del sale da cucina sciolto dallacqua).http://www.youtube.com/watch?v=EBfGcTAJF4o&feature=related (unaltra animazione del sale da cucina sciolto dallacqua).http://www.youtube.com/watch?v=gN9euz9jzwc&feature=related...è tutto in inglese...ma voi dovete guardare le immagini e poi commenteremo i video in classe....buon divertimento...

13 13 DOMANDE... Che cosa è una soluzione? Fai due esempi di sostanze solubili e insolubili in acqua. Quale sostanza si deve aggiungere al ferro per ottenere lacciaio? Che cosa è la solubilità? Cerca il significato del termine distillazione....Non dimenticare lesperimento...

14 14 La distillazione serve per separare soluto e solvente Come funziona?

15 15 Reazioni chimiche e trasformazioni fisiche Una reazione chimica è una trasformazione della materia in cui determinate sostanze reagiscono in proporzioni ben definite fra di loro trasformandosi in altre sostanze. Le sostanze che reagiscono fra di loro si chiamano reagenti mentre le nuove sostanze che si formano si chiamano prodotti. Esempi: - bicarbonato di sodio + acido acetico acetato di sodio + acqua + anidride carbonica; - combustione della carta cenere + fumo + calore; - ferro + acqua ossido di ferro (ruggine) + idrogeno.

16 16 Reazioni chimiche e trasformazioni fisiche Le trasformazioni della materia che non producono nuove sostanze si chiamano trasformazioni fisiche o fenomeni fisici. Esempi: - acqua che evapora o solidifica; - zucchero che si scioglie in acqua; - filamento di una lampadina che si accende.

17 17 Elementi e composti In natura esistono 92 elementi naturali. 26 elementi sono stati creati in laboratorio. 118 elementi (fino a maggio 2011).

18 18 Elementi e composti Ogni elemento ha un nome e un simbolo (una o due lettere, la prima maiuscola). Au Oro Carbonio C Potassio K Alluminio Al Mercurio Hg

19 19 Elementi e composti I composti derivano dalla combinazione chimica di due o più elementi. acqua H2OH2O sale da cucina NaCl saccarosio (zucchero) C 12 H 22 O 11 anidride carbonica Un composto si forma mediante una reazione chimica.

20 20 DOMANDE... A cosa serve la distillazione? Descrivi il processo. Che cosa è una reazione chimica? Fai un esempio. Qual è la differenza più importante fra le reazioni chimiche e le trasformazioni fisiche. Fai un esempio. Quanti sono gli elementi naturali? E quelli artificiali? Da quali elementi è composta lacqua? Cerca il nome e il simbolo di 5 diversi elementi chimici.

21 21 La struttura dellatomo Atomo...dal greco atomos che significa indivisibile...in realtà... È composto da tre particelle: -elettroni; -protoni; -neutroni. Neutroni e protoni formano il nucleo.

22 22 La carica elettrica della materia Il neutrone è neutro. Il protone è carico positivamente. Lelettrone è carico negativamente.

23 23 Latomo è elettricamente neutro In condizioni normali un atomo ha lo stesso numero di protoni e di elettroni, perciò è elettricamente neutro. Le cariche positive dei protoni neutralizzano quelle negative degli elettroni. Come ci accorgiamo che la materia è fatta di atomi con cariche elettriche? Proviamo e riflettiamo...

24 24 Attrazione e repulsione tra cariche elettriche Cariche opposte si attraggono, mentre cariche dello stesso tipo si respingono.

25 25 Il numero atomico e di massa Il numero atomico di un atomo è il numero dei protoni contenuti nel suo nucleo e si indica con la lettera Z. Il numero di massa di un atomo è il numero di protoni e neutroni contenuti nel suo nucleo e si indica con la lettera A.

26 26

27 27 DOMANDE... Quali sono le particelle che formano latomo? Come sono disposte allinterno dellatomo? Qual è la carica elettrica delle particelle che formano latomo? Descrivi lesperimento di elettrizzazione effettuato in classe. Cosa sono il numero atomico e il numero di massa e come si indicano? Trova il numero atomico dei seguenti elementi: Fe (ferro), N (azoto), Cl (cloro) e Ca (calcio).

28 28 Risposte per alunni curiosi... A che velocità si muovono gli elettroni intorno al nucleo? 1 % della velocità della luce...cioè circa 3000 km/s. Quali sono le dimensioni dellatomo?

29 29 I gusci elettronici I gusci elettronici, che si trovano intorno al nucleo e che rappresentano le regioni di spazio in cui possono muoversi gli elettroni, sono formati dagli orbitali atomici. Lorbitale atomico (che studierai in futuro...) per ora possiamo definirlo semplicemente come il volume permesso agli elettroni (cioè il percorso che possono fare allinterno del guscio elettronico). Esistono 7 gusci elettronici (K L M N O P Q) formati da diversi tipi di orbitali (s, p, d, f) e ogni guscio è caratterizzato da una diversa energia e per questo si chiamano anche livelli energetici.

30 30 I gusci elettronici: gli elettroni si muovono solo in determinate orbite situate a diverse distanze dal nucleo. Esistono 7 gusci elettronici K (1) L (2) M (3) N (4) O (5) P (6) Q (7)

31 31 I gusci elettronici Ogni guscio può contenere un determinato numero massimo di elettroni: Valore di nLettera Massimo numero di elettroni nel livello (pari a 2 x n 2 ) 1K2 2L8 3M18 4N32 5O50 6P72 7Q98...

32 32 I gusci elettronici sono composti da diversi orbitali atomici Esistono 4 tipi diversi di orbitali atomici s (2 e - ) p (6 e - ) d (10 e - ) f (14 e - )

33 33 Perché studiare gusci e orbitali? Per capire come è organizzata la tavola periodica. Cominciamo con il ricordare che è divisa in gruppi e periodi. PERIODI GRUPPI

34 34 Ogni guscio corrisponde ad un diverso periodo della tavola periodica ed è formato da diversi orbitali. K L M N O P Q

35 35 DOMANDE... Qual è la velocità degli elettroni intorno al nucleo? Qual è lordine di grandezza delle dimensioni di un atomo? Cosa sono i gusci elettronici? Quanti sono? Cosa sono gli orbitali atomici? Come è organizzata la tavola periodica? Cerca su internet il significato del termine aufbau...

36 36 La tavola periodica e il riempimento dei gusci...cioè lAufbau K L M N O P Q

37 37 Primo Periodo - Guscio K - Orbitale 1s 1 H (1s 1 ) 2 He (1s 2 )

38 38 Secondo Periodo - Guscio L - Orbitali 2s2p 3 Li (2s 1 ) 4 Be (2s 2 )

39 39 Secondo Periodo - Guscio L - Orbitali 2s2p B B: 2s 2 2p 1 C C: 2s 2 2p 2 N N: 2s 2 2p 3 O O: 2s 2 2p 4 F F: 2s 2 2p 5 Ne Ne: 2s 2 2p 6 Li Li: 2s 1 Be Be: 2s 2

40 40 Terzo Periodo - Guscio M - Orbitali 3s3p Na Na: 3s 1 Mg Mg: 3s 2 Al Al: 3s 2 3p 1 Si Si: 3s 2 3p 2 P P: 3s 2 3p 3 S S: 3s 2 3p 4 Ar Ar: 3s 2 3p 6 Cl Cl: 3s 2 3p 5

41 41...e così via K L M N O P Q

42 42 La tavola periodica Dimitrij Mendeleev alla fine dell800 compila la tavola periodica degli elementi. Nella tavola sono organizzati tutti gli elementi chimici con le loro proprietà. Gli elementi sono organizzati in 7 periodi (le righe) secondo il numero atomico crescente. Tutti gli elementi della stessa colonna formano un gruppo. Ci sono 8 gruppi. Tutti gli elementi dello stesso gruppo hanno lo stesso numero di elettroni nel guscio più esterno.

43 43 La tavola periodica Metalli alcalini Metalli alcalino terrosi Metalli di transizione Altri metalli Non metalli Gas nobili

44 44 DA RICORDARE BENE... Le proprietà chimiche degli elementi dipendono dal numero di elettroni nel guscio esterno. Tutti gli elementi di uno stesso gruppo hanno le stesse proprietà chimiche perché hanno lo stesso numero di elettroni nel guscio più esterno. Sono questi elettroni, infatti, ad essere coinvolti nelle reazioni chimiche. Perché il cloro reagisce con il sodio formando il cloruro di sodio, cioè il sale da cucina?

45 45 IONI Atomo o molecola con carica positiva o negativa. Catione: particella carica positivamente. Anione: particella carica negativamente. Come è possibile?

46 46 Tutti gli elementi di un gruppo hanno la stessa configurazione elettronica esterna...e quindi le stesse proprietà chimiche Na: 3s 1 Li: 2s 1 Sia il Li che il Na tendono a perdere un e - e diventare ioni monopositivi (Li + e Na + )

47 47 Na: 3s 1 Cl: 3s 2 3p 5 Na + Cl - E così si forma il cloruro di sodio o normale sale da cucina

48 48 Isotopi Atomi con lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa, cioè diverso numero di neutroni. Esempio: idrogeno, deuterio e trizio.

49 49 DOMANDE... Come viene chiamato in chimica il riempimento dei gusci? Chi ha organizzato gli elementi chimici in una tavola periodica. Quanti sono i periodi e i gruppi? Come sono organizzati gli elementi allinterno dello stesso periodo. Cosa hanno in comune gli elementi dello stesso gruppo? Perché sono importanti gli elettroni del guscio più esterno? Come si chiamano i vari elementi della tavola periodica? Cosa sono gli ioni? Cosa sono gli isotopi? Come si forma il cloruro di sodio?

50 50 La grammatica delle molecole Le molecole sono aggregati di atomi tenuti insieme da forze di attrazione (legami chimici). Lossigeno (O) è un elemento. La molecola di ossigeno è formata da due atomi di ossigeno: O 2. Quella di ozono da tre atomi di ossigeno: O 3. Da Wikipedia

51 51 La grammatica delle molecole Ogni molecola di una sostanza è la più piccola particella di quella sostanza che ne conserva tutte le proprietà chimiche. Le molecole di una sostanza sono tutte uguali fra loro. Se la molecola è formata da due o più atomi diversi, si parla di composto. Una molecola dacqua è formata da un atomo di ossigeno e due di idrogeno: H 2 O. Quanti atomi di O e H servono per formare 3 molecole dacqua?

52 52 Formule chimiche delle molecole Una formula chimica indica quali e quanti atomi sono presenti in una molecola. I simboli degli elementi si scrivono uno di seguito allaltro; accanto ai simboli, al pedice, si scrive il numero di atomi di ogni tipo; 1 è sottinteso. Esempi: NaHCO 3 (bicarbonato di sodio) H 2 O 2 (acqua ossigenata) C 2 H 6 O (etanolo) CO 2 (anidride carbonica) CH 4 (metano) Formula bruta Formula di struttura Da Wikipedia

53 53 Domande... Che cosa è una molecola? Quanti atomi di idrogeno e di ossigeno sono necessari per formare 7 molecole dacqua? Nella formula chimica dellacqua, che significa il numero 2 posto al pedice del simbolo H? Considera la tabella a sinistra: -Da quali elementi è composta lammoniaca? -Che differenza cè tra la formula dellacqua e quella dellacqua ossigenata? -Quanti atomi di H sono necessari per produrre 10 molecole di glucosio? -Quanti atomi di O sono necessari per produrre 8 molecole di anidride carbonica? -Quanti atomi di C sono necessari per produrre 1000 molecole di metano?

54 54 Esperimento in classe... Occorrente: un uovo e etanolo. Procedura: rompere luovo in un piatto e aggiungere etanolo. Agitare dolcemente il piatto in modo che letanolo venga a contatto con lalbume delluovo. Osservazioni: Spiegazione del fenomeno:

55 55 La regola dellottetto Alcuni atomi formano facilmente legami chimici, altri no; perché? Tutto dipende dagli elettroni nel guscio più esterno. Regola dellottetto: un atomo tende ad acquistare o perdere elettroni fino ad ottenere un guscio elettronico esterno completo (con 2 elettroni per il primo guscio, 8 per il secondo). Per esempio: il cloro ha 7 elettroni nel guscio più esterno tende, quindi, ad acquistarne uno per completare lottetto; il sodio ha un solo elettrone nello strato più esterno e di conseguenza tende a cederlo per rimanere con un guscio esterno completo. Da Wikipedia

56 56 Atomi stabili e instabili Se un atomo ha un guscio esterno completo è stabile e non si lega con altri atomi. Se un atomo ha un guscio esterno non completo è instabile o reattivo e tende a reagire con altri atomi. I metalli tendono a perdere elettroni, formando ioni positivi, mentre i non metalli tendono ad acquistare elettroni formando ioni negativi. Atomo stabile Atomo instabile

57 57 I gas nobili o inerti Gli elementi dellVIII gruppo sono detti gas nobili o inerti perché non tendono a reagire né a combinarsi con gli altri elementi. Hanno, infatti, il guscio elettronico esterno completo. Sono: lelio (He), il neon (Ne), largon (Ar), il kripton (Kr), lo xenon (Xe) e il radon (Rn).

58 58 DOMANDE... Cosa dice la regola dellottetto? Spiega il legame presente nella molecola di NaCl pensando alla regola dellottetto. Latomo di ferro (Fe) ha 2 elettroni nel guscio più esterno. Legandosi con altri atomi tenderà a cedere o acquistare elettroni? Cosa significa atomo stabile e atomo instabile? Perché i gas nobili non formano facilmente composti chimici?

59 59 I legami chimici Tranne i gas nobili, tutti gli atomi sono instabili e tendono a cedere o acquistare elettroni formando legami chimici. I legami chimici coinvolgono solo gli elettroni dei gusci più esterni. I legami chimici possono essere di tre tipi: - legame covalente (fra atomi di non metallo, in cui gli elettroni del guscio più esterno vengono messi in comune); - legame ionico (fra un atomo metallico e uno non metallico, in cui un atomo cede elettroni ad un altro atomo); - legami metallici (fra atomi di metallo, in cui gli elettroni più esterni possono muoversi liberamente fra tutti gli atomi del metallo).

60 60 Il legame covalente Il legame covalente si stabilisce quando gli atomi di una molecola condividono una o più coppie di elettroni del guscio più esterno. Gli elettroni condivisi appartengono a tutti gli atomi della molecola. Esempi: H 2 O, CO 2, O 2,... I legami covalenti possono essere singoli, doppi, tripli. /images/covalentblue.gif

61 61 Il legame ionico Durante la formazione del sale da cucina o cloruro di sodio (NaCl), il cloro (non metallo) acquista un elettrone dal sodio (metallo). In questo modo il cloro completa lottetto, avendo 7 elettroni nel guscio esterno. Il sodio, avendo 1 solo elettrone nel guscio più esterno, rimane con il guscio più interno completo. Nel legame ionico si formano ioni positivi e negativi, che si attraggono.

62 62 Il legame metallico Il legame metallico è la forza elettrostatica che tiene uniti gli ioni positivi e la nuvola di elettroni di un blocco metallico. Per esempio lalluminio (Al) ha 3 elettroni nel guscio più esterno. In un blocco di alluminio, tutti gli atomi del metallo mettono in comune i tre elettroni. Questi elettroni diventano delocalizzati e appartengono a tutto il metallo. Si forma un vero e proprio mare di elettroni. I metalli sono buoni conduttori di corrente elettrica proprio per la presenza di questi elettroni esterni liberi di muoversi.

63 63 DOMANDE... Quali sono i tipi principali di legami chimici? Fra quali atomi si instaura il legame ionico? Che cosa è il legame covalente? Fai due esempi di molecole che contengono legami covalenti. Fai un esempio di composto che contiene un legame ionico. Che differenza cè tra il legame covalente e quello metallico? Perché i metalli sono buoni conduttori di corrente elettrica?

64 64 Le reazioni chimiche Le reazioni chimiche consistono nella rottura dei legami fra gli atomi dei reagenti e nella formazione di nuovi legami, che danno origine ai prodotti. Esempio: reagenti prodotti idrogeno + ossigeno acqua H 2 + O 2 H 2 OH 2 + O 2 H 2 O (equazione chimica)...e dove è andato un atomo di ossigeno???

65 65 Come bilanciare unequazione chimica In unequazione bilanciata, ogni elemento è presente a sinistra e a destra della freccia con lo stesso numero di atomi. H 2 + O 2 H 2 Onei prodotti manca un atomo di O; H 2 + O 2 H 2 O + H 2 Oaggiungiamo una molecola di acqua, ma ora mancano due atomi di idrogeno nei reagenti; H 2 + H 2 + O 2 H 2 O + H 2 Oaggiungiamo due atomi di idrogeno ai reagenti; 2H 2 + O 2 2H 2 O ecco lequazione bilanciata.

66 66 Equazioni chimiche Unequazione chimica bilanciata ci dice le proporzioni esatte degli atomi dei reagenti e dei prodotti. Per formare 2 molecole dacqua servono 2 molecole didrogeno e 1 di ossigeno. C + O 2 CO 2 Bilanciata? N 2 + H 2 NH 3 Bilanciata? SI NO N 2 + 3H 2 2NH 3

67 67 La legge di conservazione della massa o di Lavoisier In ogni reazione chimica la massa totale dei reagenti è uguale alla massa totale dei prodotti. Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma.

68 68 La legge delle proporzioni definite o di Proust Quando due o più elementi reagiscono per formare un determinato prodotto, si combinano secondo proporzioni definite e costanti. Cosa succede se faccio reagire 3 molecole di ossigeno e 4 molecole di idrogeno? 4H 2 + 3O 2 4H 2 O + O 2 Gli atomi in eccesso non partecipano alla reazione.

69 69 DOMANDE... Nella reazione di formazione dellacqua quali sono i reagenti e quali i prodotti? Che cosa si intende per equazione chimica? La seguente reazione chimica è bilanciata? Se no, bilanciala. H 2 + Cl 2 HCl Che cosa afferma la legge di Lavoisier? Che cosa afferma la legge di Proust?

70 70 Gli ossidi Un ossido è un composto chimico che si ottiene facendo reagire lossigeno con un altro elemento. Ossidazioni = combustioni (combustibile: sostanza che brucia; comburente: ossigeno)

71 71 Gli ossidi Metallo + ossigeno ossido basico Esempio: 4Fe + 3O 2 2Fe 2 O 3 (ossido di ferro o ruggine) Non metallo + ossigeno ossido acido (anidride) Esempio: C + O 2 CO 2 (biossido di carbonio o anidride carbonica)

72 72 Acidi e Basi ACIDO: BASE:

73 73 Acidi e Basi ACIDO CLORIDRICO HCl ACIDO SOLFORICO H 2 SO 4 IDROSSIDO DI SODIO NaOH

74 74 Acidi e Basi Le basi si formano per reazione degli ossidi basici con acqua: Esempio: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Gli acidi si formano per reazione degli ossidi acidi con acqua: Esempio:

75 75 Il pH: misura acidità e basicità La scala di pH varia da 0 a 14. pH = 7, sostanza neutra; pH < 7, sostanza acida; pH >7, sostanza basica.

76 76 DOMANDE... Qual è lelemento chimico importante affinché avvenga unossidazione? Come definiresti dal punto di vista chimico la ruggine del ferro? Facendo reagire un non metallo con lossigeno, quale tipo di composto si ottiene? Quali sono i reagenti nella formazione dellanidride carbonica? Dal punto di vista chimico che cosa è una combustione? Quando brucia un pezzo di legno quale anidride si forma? Fai un esempio di acido forte e uno di acido debole. Il succo di limone ha un pH maggiore o minore di 7? Perché? Il pH di una soluzione è 9. La soluzione è acida o basica?

77 77 I sali: acidi + basi Prima di lasciare la chimica inorganica, unultima cosa da studiare...: Acido + Base Sale Esempio: HCl + NaOH NaCl + H 2 O Per sabato 5 novembre 2011: -Relazione sugli esperimenti effettuati in classe: 1)CaCO 3 +2CH 3 COOH CO 2 + H 2 O + Ca(CH 3 COO) 2 2)Il cavolo rosso come indicatore di pH. -Completare le fotocopie. -Leggere la fotocopia sullintervista a Margherita Hack....e ora pronti per la chimica organica!!!


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