Dr Daniela Marasco. Dipartimento di Farmacia Via Mezzocannone n° 16 daniela.marasco@unina.it orario settimanale dal 20/09/2016 al 5/12/2016 Lunedì Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì 09.00 - 10.00 Chimica gen 10.00 – 11.00 11.00 - 12.00 12.00 - 13.00 13.00 – 14.00 14.00 - 15.00 15.00 - 16.00 .

Chimica qualsiasi testo di Chimica generale e di stechiometria -Kotz - Treichel – Townsend, Ed EDISES -Stoker, Principi di Chimica, Edises -Atkins, Jones - Principi di Chimica, Zanichelli Petrucci, Harwood, Herring- Chimica Generale, Piccin - T. L. Brown, H. E. LeMay, C. J. Murphy, P. Woodward, Fondamenti di Chimica, Casa Editrice Edises (contiene anche esercizi di stechiometria) STECHIOMETRIA Elementi di Stechiometria P. Giannoccaro - S. Doronzo, Ed EDISES Stechiometria. Un avvio allo studio della chimica di Ivano Bertini, Fabrizio Mani

La Chimica: una disciplina scientifica La Chimica è parte di un più ampio corpo di conoscenza chiamato Scienza Scienze e Discipline scientifiche La Scienza rappresenta gli studi con cui gli uomini cercano di organizzare e spiegare, in modo sistematico e logico, conoscenze su se stessi e ciò che li circonda. Le discipline scientifiche, di cui una è proprio la chimica, sono branche della scienza limitate in scopo e dimensioni onde renderle trattabili. Le discipline scientifiche possono essere raggruppate nelle scienze fisiche (lo studio della materia e dell’energia) e le scienze biologiche (lo studio degli organismi viventi). La chimica è una scienza fisica.

Tutte le discipline scientifiche prendono a prestito informazioni e metodi da ciascun altra, con il risultato che nessuna disciplina è totalmente indipendente dall’altra. La sovrapposizione di discipline richiede che gli scienziati, in aggiunta all’avere conoscenze approfondite della loro disciplina, devono avere conoscenze anche se limitate delle altre discipline. Il corpo delle conoscenze trovato nell’ambito della chimica è molto ampio. La vastità della chimica è sufficientemente grande che come per altre discipline scientifiche essa è divisa in sottodiscipline.

La tecnologia Scopo della Chimica La tecnologia è l’applicazione della conoscenza scientifica alla produzione di nuovi prodotti per migliorare la sopravvivenza dell’uomo, il suo comfort, e la qualità della vita. La tecnologia manipola la natura per averne vantaggi. Scopo della Chimica Lo scopo della chimica è estremamente ampio e tocca ogni aspetti della nostra vita. I principi della chimica sono fondamentali per comprendere tutti i processi degli esseri viventi. Processi chimici forniscono i prodotti necessari per i nostri vestiti, case, trasporto, medicinali e occupazioni ricreative e così via….

Metodo Scientifico Il metodo scientifico è un insieme di procedure sistematiche usate per acquisire conoscenza e spiegare fenomeni. La terminologia associata con il metodo scientifico e il suo uso include i termini esperimento, fatto, legge naturale, ipotesi e teoria. Un esperimento è una procedura controllata e chiaramente definita per ottenere informazioni su un sistema oggetto di studio. Un fatto è una osservazione valida su alcuni fenomeni sperimentali ottenuta eseguendo degli esperimenti. Una legge naturale è una generalizzazione che riassume fatti circa un fenomeno naturale. Una ipotesi è un modello tentativo o affermazione che offre una spiegazione per la legge naturale. Una teoria è un ipotesi che è stata verificata e convalidata per un lungo periodo di tempo. Una legge naturale spiega come la materia si comporta Una teoria spiega perché essa si comporta in quel modo

Il metodo scientifico è un insieme di procedure usate per acquisire conoscenza e spiegare fenomeni I passi da seguire nell’applicazione nel metodo scientifico sono: Identificare il problema, suddividerlo in parti più piccole e attentamente pianificare procedure per ottenere informazioni su tutti gli aspetti del problema. Raccogliere dati concernenti il problema attraverso osservazioni e sperimentazioni. Analizzare ed organizzare i dati in termini di affermazioni generali (generalizzazioni) che riassumono le osservazioni sperimentali. Suggerire possibili spiegazioni per le generalizzazioni. Compiere ulteriori esperimenti per provare o confutare le spiegazioni proposte.

I NUMERI QUALI RISULTATO DI MISURE I chimici hanno vari “strumenti del mestiere”; il più usato è quello chiamato misura Domande come "Quanto....?, "Per quanto tempo....?" e "Quanti.....?" non possono avere una risposta semplice senza ricorrere alle misure. Il necessario "background" per trattare correttamente con le misure è di tipo matematico.

Numeri esatti e approssimati. I numeri approssimati si ottengono Un numero esatto ha una valore a cui non è associata nessuna incertezza ed è, quindi, conosciuto esattamente. I numeri esatti si ritrovano nelle definizioni, nel contare e nelle frazioni semplici (per esempio, 1/3, 3/5, o 5/9). Un numero approssimato ha un valore a cui è associato un certo grado di incertezza. I numeri approssimati si ottengono ogni volta che si esegue una misura. E' IMPOSSIBILE eseguire una misura esatta; un certo grado di incertezza sarà sempre presente.

Accuratezza, precisione ed errore Due importanti termini collegati all'incertezza associata a valori sperimentali misurati sono la precisione e l'accuratezza. Sebbene questi termini siano usati molte volte in modo intercambiabile in discussioni non scientifiche, essi hanno significati ben distinti nelle scienze. La precisione si riferisce a quanto sono vicine tra di loro una serie di misure sullo stesso oggetto; non è corretto, quindi, parlare di precisione di una singola misura fatta su un oggetto. L'accuratezza si riferisce a quanto vicino una misura (o la media di più misure) risulta rispetto al valore vero o accettato come vero.

Il lancio di dardi contro un bersaglio illustra bene la differenza tra questi due termini. L'accuratezza si riferisce a quanto vicino i dardi sono al centro del bersaglio. La precisione si riferisce a quanto vicino i dardi sono tra di loro.

Gli errori nelle misure possono essere classificati in errori random ed errori sistematici. Gli errori random sono errori che hanno la loro origine da variabili non controllabili presenti un un esperimento. Tali errori danno valori sperimentali che fluttuano intorno ai valori veri. Gli errori sistematici sono errori originati da variabili controllabili in un esperimento. Essi sono errori constanti che avvengono ripetutamente. Gli errori sistematici influenzano l'accuratezza delle misure. I risultati sono sistematicamente o troppo più grandi o troppo più piccoli rispetto al valore vero.

Esercizio Due squadre di tre studenti contano entrambe il numero di persone che entrano attraverso l'ingresso principale di uno stadio di calcio in periodo di tempo di 5 minuti subito prima del calcio d'inizio della partita. I loro risultati individuali e quelli della squadra sono i seguenti: Squadra A Squadra B Luca: 577 persone Laura: 577 Michele: 579 persone Carlo 585: persone Angela: 581 persone Giovanni: 593 persone Un contatore elettronico indica che 581 persone sono passate dall'ingresso principale in quel periodo di tempo. a) Quale persona ha effettuato il conteggio più accurato? b) Quale squadra ha effettuato il conteggio più accurato? c) Quale persona ha effettuato il conteggio più preciso? d) Quale squadra ha effettuato il conteggio più preciso?

Squadra A Squadra B Luca: 577 persone Laura: 577 Michele: 579 persone Carlo 585: persone Angela: 581 persone Giovanni: 593 persone Soluzione a) il conteggio di Angela è il più accurato perchè il suo conteggio è uguale a quello elettronico b) La media dei conteggi della squadra A di 579 è quella più vicina a 581 rispetto al valore medio di 585 per la squadra B. Quindi, la squadra A ha fatto il conteggio più accurato c) Dato che ogni persona ha fatto un solo conteggio il termine precisione non può essere applicato. d) L'intervallo di conteggio della squadra A va da un valore più alto di 581 ad uno più basso di 577, con una variazione di 4. L'intervallo di conteggio della squadra B va da un valore più alto di 593 ad uno più basso di 577, con una variazione di 16. La variazione più piccola risulta per la squadra A che effettua un conteggio più preciso.

L'incertezza nelle misure Ogni misura è accompagnata da un grado di incertezza o di errore. Anche nei casi in cui vengono utilizzate apparecchiature sofisticate e costose, dei gradi di incertezza rimarranno nella misura. Graduata in gradi Graduata in decimi di gradi Temperatura tra 29 e 30 °C Temperatura tra 29.2 e 29.3 °C Stima della Temperatura 29.2°C Stima della Temperatura 29.25°C 29.2 ± 0.1 °C 29.25 ± 0.01 °C

Cifre significative Le misure non sono mai esatte: due tipi di informazioni devono essere riportata tutte le volte che viene acquisita una misura: la grandezza della misura l’incertezza della misura. La grandezza è indicata dai valori numerici. L’incertezza è indicata dal numero di cifre significative riportate. Le cifre significative sono le cifre in ogni misura che sono conosciute con sicurezza più una cifra che è approssimata.

Regole circa le cifre significative Regola 1 Le cifre da 1 a 9 (tutte quelle non uguali a zero) contano sempre come cifre significative. 14.232 (5 cifre significative) 3.11 (tre cifre significative) 244.6 (quattro cifre singnificative) Regola 2 Gli zero iniziali sono gli zero che ricorrono all'inizio del numero, cioè gli zero che precedono la prima cifra diversa da zero. Questi zero non contano come cifre significative. La loro funzione è semplicemente quella di indicare la posizione del punto decimale. 0.00045 (due cifre significative) 0.0113 (tre cifre significative) 0.000000072 (due cifre significative) Gli zero iniziali sono sempre a sinistra della prima cifra diversa da zero.

Regola 3 Gli zero interni sono quelli tra cifre diverse da zero Regola 3 Gli zero interni sono quelli tra cifre diverse da zero. Questi zero contano sempre come cifre significative. 2.075 (quattro cifre significative) 6007 (quattro cifre significative) 0.03007 (quattro cifre significative) Regola 4 Gli zeri finali sono gli zero alla fine di un numero. Essi sono significativi se a) c'è un punto decimale presente nel numero o b) essi sono riportati con una barra sopra. In tutti gli altri casi essi non sono significativi. 62.00 (quattro cifre significative) 0.02000 (quattro cifre significative) 4300.00 (sei cifre significative) 10020 5 cifre significative Nei casi che coinvolgono zero finali senza la presenza di un punto decimale o di barre sopra gli zero, questi non sono significativi. 93000000 (due cifre significative) 330300 (quattro cifre significative) 6310 (tre cifre significative)

Regole per le operazioni matematiche. I calcoli matematici non DEVONO aumentare o diminuire l'incertezza nelle misure. Esistono due regole che aiutano ad evitare errori nel riportare i risultati ottenuti da operazioni matematiche su misure. Una regola copre le operazioni di moltiplicazione e divisione e l'altra le operazioni di addizione e sottrazione. Regola 1 Moltiplicazione e Divisione. Nelle moltiplicazioni e divisioni il numero di cifre significative nel prodotto o quoziente è lo stesso di quello del numero che nel calcolo presenta il minor numero di cifre significative. 6.38 x 2.57 = 15.51766 (risposta della calcolatrice) = 15.5 (risposta corretta) Regola 2 Addizione e sottrazione. Nell'addizione e nella sottrazione di una serie di misure, il risultato non può essere più certo della misura meno certa nella serie. 347 + 2.03 + 23.6 = 372.63 (risposta della calcolatrice) = 373 (risposta corretta)

Arrotondare i numeri. L'arrotondamento è il processo di eliminare le cifre non volute (non significative) da un numero calcolato. Regola 1 Se la prima cifra a dover essere eliminata è minore di 5, questa cifra e tutte quelle che la seguono sono semplicemente eliminate. 62.312 arrotondato a tre cifre significative diviene 62.3 Regola 2 Se la prima cifra a dover essere eliminata è più grande di 5, o un 5 seguito da cifre diverse da zero, le cifre in eccesso sono tutte eliminate e l'ultima cifra che si conserva è incrementata in valore di una unità. 62.782 e 62.558 arrotondate alla terza cifra significativa diventano 62.8 e 62.6 Regola 3 Se la prima cifra a dover essere eliminata è un 5 non seguito da nessuna altra cifra o un 5 seguito da tutti zero, si applica una regola del pari-dispari. Si elimina il 5 e tutti gli zero che lo seguono e poi a) si incrementa l'ultima cifra conservata di un'unità se essa è dispari, o b) si lascia inalterata l'ultima cifra conservata se essa è pari. Il numero zero come ultima cifra da conservare è sempre considerato come un numero pari

Notazione Scientifica Esiste un metodo detto notazione scientifica per esprimere numeri con molte cifre che contengono molti zero in una forma compatta. La notazione scientifica è un sistema in cui un numero decimale è espresso come prodotto di un numero tra 1 e 10 moltiplicato per 10 elevato ad una potenza. Il numero tra 1 e 10 è chiamato coefficiente ed è scritto per primo. Il numero 10 elevato alla potenza (esponente) è chiamato termine esponenziale. Il coefficiente è sempre moltiplicato per il termine esponenziale. La forma della notazione scientifica per il numero 703 è: 7.03 x 102 7.03 • 102 La forma della notazione scientifica per il numero 0.0000365 è: 3.65 x 10-5 3.65 • 10-5 esponente coefficiente

Conversione da notazione decimale a scientifica. Regola 1 Il coefficiente deve essere un numero tra 1 e 10 che contiene lo stesso numero di cifre significative presenti nel numero decimale originale. Il coefficiente è ottenuto riscrivendo il numero decimale con un punto decimale dopo la prima cifra diversa da zero e cancellando tutti gli zero non significativi. Per 233000 il coefficiente è 2.33 per 0.00557 il coefficiente è 5.57 Per 0.35500 il coefficiente è 3.5500 Regola 2 Il valore dell'esponente per la potenza di dieci è ottenuto contando il numero di posti di cui il punto decimale nel coefficiente deve essere mosso per restituire il numero decimale originale. Se il movimento del punto decimale è a destra l'esponente ha un valore positivo e se il movimento del punto decimale è a sinistra l'esponente ha un valore negativo.

Esercizio Esprimere i seguenti numeri decimali in notazione scientifica. La luce viaggia ad una velocità di 186000 miglia per secondo Soluzione Per il numero 186000 il coefficiente della notazione scientifica è 1.86. Questo coefficiente è consistente con il requisito che esso contenga lo stesso numero di cifre significative del numero decimale originale. Il valore dell'esponente nel termine esponenziale delle notazione scientifica è +5 in quanto il punto decimale nel coefficiente deve essere mosso di 5 posti alla destra per ottenere il numero decimale originale. 186000 1.86 x 105

Una persona espira approssimativamente 320000000000000000000 molecole di biossido di carbonio in un respiro Soluzione b) Il coefficiente per il numero 320000000000000000000 è 3.2. Esso, come il numero originale, contiene due cifre significative. Il valore dell'esponente per il termine esponenziale è +20 in quanto il punto decimale nel coefficiente deve essere mosso di 20 posti alla destra per generare il numero decimale originale 3.2 x 1020 La massima quantità di cromo nell'acqua potabile (EPA standard) è 0.00000010 grammi per millilitro di acqua Il coefficiente della notazione scientifica per il numero 0.00000010 è 1.0. Il coefficiente è 1.0 piuttosto che 1 perché il numero originale ha due cifre significative. L'esponente per la potenza di dieci è -7. Il numero nella notazione scientifica è, così: 1.0 x 10-7

Conversione dalla notazione scientifica a quella decimale Per convertire un numero scritto con la notazione scientifica, come 6.02 x 1023, in un numero decimale, dobbiamo partire dall'esaminare l'esponente. Il valore dell'esponente ci dice di quanti posti il punto decimale deve essere spostato. Se l'esponente è positivo, lo spostamento è a destra per dare un numero più grande di uno; se l’esponente è negativo, lo spostamento è a sinistra per dare un numero minore di uno. Tanti zero devono essere aggiunti al numero per quanti posti è stato mosso il punto decimale

Esempio Senza usare la calcolatrice, convertire il numero riportato in notazione scientifica in ciascuna delle seguenti affermazioni in un numero decimale. Gli spettatori previsti per una partita di calcio erano 5.3127 x 104 Soluzione l'esponente +4 ci dice che il punto decimale è posto quattro posti alla destra di dove esso è in 5.3127 Il numero decimale è 53127. La massa di un atomo di idrogeno è 1.67 x 10-24 grammi. L'esponente -24 ci dice che il punto decimale è posto 24 posti alla sinistra di dove esso è in 1.67. Questo produrrà un numero estremamente piccolo 0.0000000000000000000000167

Moltiplicazione nella notazione scientifica La moltiplicazione di due o più numeri espressi in notazione scientifica implica due operazioni separate o passi. Passo 1 Moltiplicare i coefficienti (i numeri decimali tra 1 e 10) tra di loro nel modo solito. Passo 2 Addizionare algebricamente gli esponenti delle potenze di dieci per ottenere un nuovo esponente (a x 10n) x (b x 10m) = ab x 10n+m

Divisione nella notazione scientifica La divisione di due o più numeri espressi in notazione scientifica implica due operazioni separate o passi. Passo 1 Dividere i coefficienti (i numeri decimali tra 1 e 10) tra di loro nel modo solito. Passo 2 Sottrarre algebricamente gli esponenti delle potenze di dieci per ottenere un nuovo esponente.

Addizione e sottrazione in notazione esponenziale. Per sommare o sottrarre numeri scritti in notazione scientifica, la potenza di dieci per tutti i numeri deve essere la stessa. Modificare l'esponente richiede che esso sia riscritto in una forma in cui il coefficiente è un numero più grande di dieci o minore di 1. Una volta che tutti i coefficienti sono uguali, essi sono addizionati o sottratti e gli esponenti mantenuti al loro comune valore. Infine, se il risultato presenta un coefficiente più grande di dieci o minore di 1, esso va modificato in modo da avere la corretta notazione esponenziale. (2.66 x 104) – (1.03 x 103) 1.03 x 103 = 0.103 x 104 2.66 x 104 -0.103 x 104 _______________ 2.557 x 104 (risposta della calcolatrice) 2.56 x 104 (risposta corretta)

Logaritmi, Esponenti, Esponenziali Certe relazioni che si usano in Chimica implicano l’uso di esponenti, esponenziali e/o logaritmi. Se un numero y e’ espresso nella forma ab, si dice che l’ esponente b e’ il logaritmo di y in base a Cosi’ se y = ab allora loga y = b .

La base piu’ comunemente usata e’ il numero naturale e (= 2,718 La base piu’ comunemente usata e’ il numero naturale e (= 2,718...) ; i logaritmi in base e si indicano con la forma abbreviata ln. Cosi’ se y = eb allora loge y = ln y = b. ln 34,83 = 3,649 3,649 e’l’esponente b cui si deve elevare e per ottenere y .

In chimica alcune grandezze sono definite come il logaritmo in base 10 di alcune grandezze. Ad es. pH=-log[H+] Se un numero e’ espresso come potenza di 10, cioe’ se y=10b allora il logaritmo in base 10 di y e’ b: log y=b - log [H+] = pH

log(1010)=10 log(109)=9 log(108)=8 log(107)=7 log(106)=6 log(101)=1 log(100)=0 log(10-1)=-1 log10-2)=-2 log(10-3)=-3 y=10b log y=b log(10x) = x

In generale : 1 = 10-n 10n Per estrarre una radice si utilizza la relazione : 10x = ( 10x ) 1/y = 10x/y si dividono gli esponenti. 6.22•1023 =( 6,22 x 1023 )1/3 = ( 0,622 x 1024 )1/3 = ( 0,622 )1/3 x 108 = 0,854 x 108 y 3

Ricordiamo che: 1 x 100 = 1 1 x 101 = 10 1 x 102 = 100 1 x 103 = 1000 1 x 10-1 = 0,1 1 x 10-2 = 0,01 1 x 10-3 = 0,001 1 x 10-4 = 0,0001

Scrivere i seguenti numeri in forma esponenziale : 0,0000000181 22412 96500  1 93 milioni = 1,81 x 10-8 = 2,2412 x 104 = 9,6500 x 104 = 9,3 x 107

Esprimere 96,5 x 103 come potenza di 104 Esprimere 1,86 x 10-8 come potenza di 10-7 Addizionare 1,86 x 10-8 cm a 1,86 x 10-7 9,65 x 104 0,186 x 10-7 1,86 x 10-8 = 0,186 x 10-7 1,86 x 10-7 = 1,86 x 10-7 2, 046 x 10-7  2,05 x 10-7 cm

Sottrarre 1,86 x 10-8 cm da 1,86 x 10-7 Moltiplicare 2 x 10-3 per 3 x 10-6 ( 2 x 10-3 ) ( 3 x 10-6 ) = Moltiplicare 1,86 x 10-8 per 3,1 x 103 ( 1,86 x 3,1 ) ( 10-8 x 103 ) = 1,86 x 10-7 = 1,86 x 10-7 1,86 x 10-8 = 0,186 x 10-7 1,674 x 10-7  1,67 x 10-7 cm = ( 2 x 3 ) x ( 10-3 x 10-6 ) = 6 x 10-9 5,8 x 10-5

Dividere 1,86 x 10-8 per 3,1 x 103 1,86 x 10-8 = 1,86 x 10-8 = 3,1 x 103 3,1 103 Eseguire la seguente operazione : ( 9,70 x 10-9 + 1,81 x 10-8 ) ( 6,02 x 1023 ) = 1,60 x 10-19 0,60 x 10-11 = ( 2,78 x 10-8 )( 6,02 x 1023 ) = 1,60 x 10-19 = ( 2,78 )( 6,02 ) x ( 10-8 )( 1023 ) 1,60 10-19 = 10,5 x 1034 Notare che : ( 10-8 ) ( 1023 ) = 10-8 +23 = 1015 e 1015 = 10 15-(-19) = 1034 10-19

Eseguire la seguente operazione ( 9,65 x 104 ) ( 3,20 x 10-6 ) = ( 1,7 x 10-3 + 2,05 x 10-4 ) Calcolare quanto vale : ( 2,0 x 10-4 )-2 = ( 2,0 )-2 x ( 10-4 )-2 = 1,6 x 102 1 x 108 = 1 x 108 = (2,0)2 4,0 0,25 x 108 = 2,5 x 107