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Copyright © 2006 Zanichelli editore Introduzione alla chimica Atomi e molecole Legami chimici Le proprietà dellacqua Acidi, basi e la scala del pH.

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1 Copyright © 2006 Zanichelli editore Introduzione alla chimica Atomi e molecole Legami chimici Le proprietà dellacqua Acidi, basi e la scala del pH

2 Atomi e molecole La vita richiede circa 25 elementi che si possono combinare tra loro per formare i composti Per la vita sono fondamentali circa 25 differenti elementi chimici (sostanze che non possono essere scomposte in altre sostanze mediante mezzi chimici tradizionali). Gli elementi in tracce (oligoelementi) sono essenziali almeno per alcuni organismi, ma soltanto in minime quantità. Certi oligoelementi, come il ferro, sono indispensabili per tutte le forme di vita, mentre altri lo sono solo per alcune specie.

3 Carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto sono i quattro elementi fondamentali per costruire la maggior parte della materia vivente. Tabella 2.2

4 Gli oligoelementi sono additivi comuni di cibo e acqua. Carenze alimentari in alcuni oligoelementi possono causare diverse condizioni fisiologiche. Per esempio, una carenza o un eccesso di iodio impediscono il normale funzionamento della ghiandola tiroide, provocandone lingrossamento (gozzo).

5 Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Sodio Cloro Cloruro di sodio

6 Gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni Latomo (il cui nome deriva dalla parola greca àtomos che significa «indivisibile») è la più piccola unità di materia che conserva le proprietà di un elemento.

7 3.Le particelle fondamentali dellatomo Le particelle subatomiche Gli atomi sono formati da tre particelle fondamentali: lelettrone con carica negativa; il protone con carica positiva; il neutrone privo di carica. Il neutrone ha una massa 1839 volte superiore a quella dellelettrone. Neutroni e protoni non sono particelle elementari, ma sono composte da altre particelle: i quark.

8 Un atomo è costituito da protoni e neutroni situati in un nucleo centrale. Il nucleo è circondato da elettroni organizzati in gusci elettronici. + + –– + – Protoni Neutroni Elettroni Numero di massa = e – Nuvola elettronica Nucleo

9 La diversità tra elementi Gli atomi di ciascun elemento sono caratterizzati da uno specifico numero di protoni, che rappresenta il numero atomico. + – Protoni Neutroni Elettroni Numero di massa = e – Nucleo Nuvola elettronica

10 Gli isotopi Il numero di neutroni in un atomo può variare. Alcuni elementi presentano forme diverse di atomi dette isotopi. Alcuni isotopi sono radioattivi.

11 3.La moderna tavola periodica Le proprietà chimiche e fisiche degli elementi sono una funzione periodica del loro numero atomico. Gli elementi di uno stesso gruppo presentano una disposizione simile degli elettroni più esterni.

12 La configurazione elettronica di un atomo ne determina le proprietà chimiche Gli elettroni in un atomo si dispongono in gusci elettronici che possono contenere numeri diversi di elettroni. Idrogeno (H) Numero atomico = 1 Elettrone Carbonio (C) Numero atomico = 6 Azoto (N) Numero atomico = 7 Ossigeno (O) Numero atomico = 8 Guscio elettronico più esterno (può contenere fino a 8 elettroni) Guscio elettronico più interno (può contenere fino a 2 elettroni)

13 3.La moderna tavola periodica Gli elettroni del livello più esterno sono detti elettroni di valenza. Gli elementi che appartengono allo stesso periodo presentano gli elettroni di valenza allo stesso livello energetico.

14 4.I simboli di Lewis La struttura di Lewis permette di rappresentare la struttura elettronica dello strato di valenza degli elementi dei gruppi principali.

15 5.Le proprietà periodiche degli elementi Lelettronegatività di un elemento misura la sua tendenza ad attrarre gli elettroni di legame da un altro elemento. Lelettronegatività aumenta lungo un periodo, e diminuisce lungo un gruppo.

16 Quando due atomi con un guscio elettronico incompleto reagiscono, ciascuno di essi mette in comune (cede oppure riceve) elettroni, in modo da occuparlo completamente. Queste interazioni solitamente fanno sì che gli atomi vengano tenuti insieme da forze di attrazione chiamate legami chimici.

17 Mediante i legami covalenti gli atomi condividono elettroni formando molecole Nei legami covalenti due atomi mettono in comune una o più coppie di elettroni poste sui loro livelli energetici più esterni, formando molecole. Le molecole possono essere rappresentate in molti modi.

18 3.Il legame covalente I legami tra gli atomi possono essere rappresentati con la simbologia di Lewis oppure con dei trattini.

19 3.Il legame covalente Il legame covalente può essere singolo: se è condivisa una sola coppia di elettroni; doppio: se sono condivise due coppie di elettroni; triplo: se sono condivise tre coppie di elettroni.

20 5.Il legame covalente polare Atomi di natura diversa possono mettere in compartecipazione i loro elettroni di valenza, ma esercitano sugli elettroni di legame una diversa forza attrattiva (elettronegatività) e si forma così un legame covalente polare.

21 5.Il legame covalente polare Gli elettroni non si trovano più al centro fra i due atomi, ma sono spostati più verso latomo a maggiore elettronegatività su cui si forma una parziale carica negativa (δ–). Laltro atomo acquisisce una parziale carica positiva (δ+). La molecola prende il nome di dipolo.

22 I legami ionici sono interazioni che si stabiliscono tra ioni di carica opposta Quando gli atomi cedono o ricevono elettroni si creano atomi carichi chiamati ioni. Trasferimento di elettroni Na Atomo di sodio Cl Atomo di cloro Na + Ione sodio Cl – Ione cloro Cloruro di sodio (NaCl) Na Cl Na + – – –

23 Due ioni aventi cariche opposte si attraggono. Se lattrazione è abbastanza forte, si forma un legame detto legame ionico. Per esempio, gli ioni sodio e gli ioni cloro si legano per formare il cloruro di sodio, il comune sale da cucina. La formula dei composti ionici indica il rapporto di combinazione tra ioni positivi e negativi ma non rappresenta la molecola di un composto perché nei cristalli non si distinguono unità molecolari. Na + Cl –

24 Le reazioni chimiche consentono alle sostanze di ricombinarsi In una reazione chimica i reagenti (materiali di partenza) interagiscono, cambiano lorganizzazione degli atomi e formano il prodotto finale. 2 H 2 O2O2 2 H 2 O

25 Nelle cellule viventi avvengono migliaia di reazioni chimiche che trasformano la materia. Per esempio, il beta-carotene viene convertito in vitamina A. CH 3 H2CH2C C CHC C C C CH 2 CH 3 C CH 2 H2CH2C CH CH 3 CH C C C C CH 3 O2O2 4H CH C C C OH H H CH 3 C C H2CH2C C CH 2 H2CH2C CH 3 Vitamina A (2 molecole) Beta-carotene 2

26 La molecola dellacqua è polare Una molecola è non polare quando i suoi atomi legati da legame covalente condividono gli elettroni equamente. In un legame covalente polare la condivisione degli elettroni tra gli atomi è asimmetrica e crea una molecola polare (dotata cioè di poli con cariche parziali opposte). Le proprietà dellacqua (–) (+) O H H

27 La polarità della molecola dellacqua consente la formazione del legame idrogeno Legame idrogeno (+) H H (–) O Le estremità cariche delle molecole dacqua vengono attratte dalle estremità dotate di carica opposta delle molecole vicine. Questa attrazione forma legami deboli chiamati legami idrogeno.

28 Analizziamo le caratteristiche che fanno dellacqua una sostanza eccezionale 1. Lacqua è liquida. Non è per niente normale che una sostanza con modesta massa molecolare, come lacqua,sia liquida nelle condizioni ordinarie di temperatura e pressione 2.Lacqua ha unelevata tensione superficiale. Sulla superficie libera dellacqua si viene a formare una specie di pellicola sottile ed elastica,sufficientemente resistente,sì che alcuni insetti riescono a camminarci sopra. La tensione superficiale spiega anche perché lacqua,cadendo,tende a formare gocce sferiche

29 9.Le proprietà intensive dello stato liquido La tensione superficiale diminuisce allaumentare della temperatura perché lagitazione termica delle molecole attenua i legami intermolecolari. La presenza di tensioattivi inoltre,diminuisce la tensione superficiale. Aggiungendo del detersivo linsetto sprofonderebbe

30 3.Lacqua ha un elevato punto di ebollizione e un elevato calore di vaporizzazione. Tende a restare allo stato liquido e ha bisogno di molta energia per passare allo stato di vapore 4.Lacqua ha un elevato calore specifico. Lacqua si riscalda e si raffredda,lentamente. Per rompere i legami idrogeno serve energia (la rottura dei legami è accompagnata da assorbimento di calore).Per questo, lacqua è in grado di assorbire una grande quantità di calore senza un grande aumento nella temperatura. Mentre lacqua si raffredda, un piccolo calo nella temperatura libera una grande quantità di calore. Quando una molecola dacqua evapora, assorbe energia. Questo permette il raffreddamento (abbassamento di temperatura) per evaporazione. La capacità dellacqua di immagazzinare calore regola la temperatura del corpo e il clima.

31 9.Le proprietà intensive dello stato liquido 5.Lacqua presenta il fenomeno della capillarità. Lacqua sale in un tubicino di vetro tanto più piccolo è il lume,aderisce alle pareti del vetro,le bagna,e la forza di attrazione tra acqua e vetro risulta superiore alla forza di gravità che tende a posizionare lacqua allo stesso livello in tutti i tubi; è al fenomeno della capillarità che si deve lo spostamento delle molecole dacqua lungo i micropori del terreno e,in parte,la risalita della linfa grezza dalle radici alle foglie di una pianta.

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33 6.Il ghiaccio galleggia sull acqua. Normalmente il passaggio allo stato solido di una sostanza comporta una diminuzione del suo volume,quindi,un aumento di densità. Ciò non è vero per lacqua perché i legami idrogeno tengono insieme le molecole nel ghiaccio in modo meno denso che nellacqua allo stato liquido. Acqua allo stato liquido I legami idrogeno si spezzano e si formano continuamente Ghiaccio I legami idrogeno sono stabili Legame idrogeno

34 7.Lacqua è un ottimo solvente. I soluti polari o carichi (sostanze idrofile) si sciolgono quando le molecole dacqua le circondano, formando soluzioni acquose; I soluti apolari,invece(sostanze idrofobe) non si sciolgono in acqua e tendono ad assumere la caratteristica forma circolare + – – – – – – – – – – Na + + Cl – Ioni in soluzione Cristallo di sale Cl –

35 La chimica della vita è influenzata dallacidità e dalla basicità Un composto chimico che cede ioni H + a una soluzione è un acido. Un composto che è in grado di accettare ioni H + rimuovendoli da una soluzione è una base. Lacidità è misurata sulla scala del pH che va da 0 (massima acidità) a 14 (massima basicità).

36 1.Le teorie sugli acidi e sulle basi Acidi e basi secondo Arrhenius Gli acidi sono sostanze che, sciolte in acqua, liberano ioni H + (H 3 O + ) Le basi sono sostanze che, sciolte in acqua liberano ioni OH -. HCl (g) H + (aq) + Cl - (aq) NaOH (s) Na + (aq) + Cl - (aq)

37 2.La ionizzazione dellacqua Poiché H 2 O (l) si può considerare un liquido puro, la costante di equilibrio (K w ) alla temperatura di 25 °C è K w = [H 3 O + ] [OH – ] = 1,00 10 –14 mol/L quindi [H 3 O + ] = [OH – ] = 1,00 10 –7 mol/L

38 2.La ionizzazione dellacqua Se [H 3 O + ] > 10 –7 M lambiente è acido; Se [H 3 O + ] = 10 –7 M lambiente è neutro; Se [H 3 O + ] < 10 –7 M lambiente è basico.

39 3.Il pH Il pH misura il grado di acidità di una sostanza e si definisce come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare degli ioni H +. [H + ] = 10 –pH ovvero pH = –log[H + ]

40 3.Il pH Analogamente il pOH misura il grado di basicità di una sostanza e si definisce come il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare degli ioni OH –. [OH – ] = 10 –pOH ovvero pOH = –log[OH – ]

41 3.Il pH Mettendo insieme le due annotazioni si ottiene la relazione fondamentale: pK w = pH + pOH ovvero 14 = pH + pOH

42 6.Come misurare il pH Il pH di una soluzione si misura tramite gli indicatori. Gli indicatori sono sostanze che assumono colorazioni diverse a seconda del pH della soluzione in cui si trovano. Il punto di passaggio da un colore a un altro è detto punto di viraggio.

43 La scala del pH: Acqua Soluzione basica Schiuma detergente per forni Soluzione acida Soluzione neutra Scala del pH Succo di limone, succhi gastrici Succo di pompelmo Succo di pomodoro Urina Acqua pura Sangue umano Acqua di mare Bicarbonato Ammoniaca per uso domestico ACIDITÀ in aumento NEUTRALITÀ [H + ]=[OH – ] H+H+ H+H+ H+H+ OH – H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ BASICITÀ in aumento OH – H+H Candeggina per uso domestico

44 Il pH della maggior parte delle cellule è tenuto vicino a 7 (neutro) dalle sostanze tampone. Le sostanze tampone contrastano i cambiamenti di pH (accettando ioni H + quando sono presenti in eccesso e cedendoli se la loro concentrazione diventa troppo bassa).


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