Appunti di chimica La materia è formata da atomi Tutte le sostanze che conosciamo sono formate da questi aggregati di particelle, associate in una struttura che presenta un nucleo centrale formato da protoni (carica positiva) e neutroni (neutri). Al loro intorno ruotano gli elettroni (carica negativa)

Le dimensioni dell’atomo sono tali da non consentirne la visione diretta, neanche con le attrezzature più avanzate: tutte le sue caratteristiche sono state quindi scoperte per via indiretta, facendo esperimenti che coinvolgono le collisioni di particelle subatomiche o l’emissione di luce

Attraverso esperimenti di questo tipo è stata elaborata la struttura quantomeccanica dell’atomo Gli elettroni non ruotano a caso attorno al nucleo, ma sono disposti in alcune zone dello spazio dette orbitali, definite come onde stazionarie, ripetibili nel tempo all’infinito, con livelli di energia precisi chiamati quantizzati. Ogni singolo cerchio schematizzato in figura rappresenta un livello energetico. Gli elettroni possono passare da un livello all’altro, se si fornisce l’opportuna quantità di energia, ma non possono stazionare nello spazio intermedio tra un livello e un altro

In ogni guscio elettronico possono essere contenuti più orbitali, che aumentano come numero più aumenta il livello energetico, obbedendo ad una legge fisica chiamata funzione d’onda Ogni orbitale può essere occupato al massimo da due elettroni, ciò fa sì che al primo livello possano essere contenuti al massimo due elettroni, nel secondo 8, nel terzo 18, e così via Dal terzo guscio in poi però gli orbitali di tipo d vengono riempiti dopo gli orbitali s del livello successivo (scavalcamento energetico), perciò la configurazione elettronica esterna di un atomo ricalca sempre un modello a 8 elettroni complessivi.

Ma come mai abbiamo un’innumerevole quantità di sostanze diverse se i costituenti dell’atomo sono sempre gli stessi? Il numero di protoni, detto numero atomico, caratterizza gli elementi chimici Elemento chimico: sostanza formata da atomi tutti uguali tra loro, con lo stesso numero atomico (può variare il numero di massa, dovuto ai neutroni, e in quel caso parliamo di isotopi) Dato che il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni nell’atomo neutro, gli elementi chimici non avranno sempre gli orbitali esterni completamente pieni, ciò influenzerà sistematicamente il loro comportamento chimico (che vedremo in seguito) È stato quindi possibile classificare gli elementi chimici secondo le similitudini nel loro comportamento, secondo una tavola periodica

La configurazione elettronica ottimale è quella con il guscio esterno riempito da otto elettroni (regola dell’ottetto). Gli elementi chimici che non possiedono questa caratteristica cercheranno di combinarsi tra loro per completare il loro guscio esterno. Queste combinazioni vengono chiamate legami chimici Legame ionico: un elemento con uno o due elettroni nel guscio esterno cercherà di perderlo a vantaggio di una altro elemento a cui serve per colmare una lacuna. I due atomi diventano carichi con segno opposto e si attraggono fino a raggiungere una distanza di equilibrio, creando un reticolo cristallino I composti formati con il legame ionico vengono detti sali

I composti così formati vengono detti molecole Legame covalente: quando non è possibile cedere o acquistare elettroni, gli elementi cercano di condividerli, fondendo gli orbitali I composti così formati vengono detti molecole

Legame metallico: negli elementi metallici gli elettroni esterni fluiscono liberamente attorno a tutti i nuclei, creando una corrente di elettroni che tiene insieme la struttura. Questa tipologia di legame spiega le principali caratteristiche dei metalli (conduzione di corrente elettrica e calore, duttilità, lucentezza)

I composti originati dai vari tipi di legami debbono essere classificati in modo univoco ed universale, visto che la loro varietà è praticamente infinita Unione internazionale di chimica pura e applicata Definisce le regole della nomenclatura chimica, e si affianca alla nomenclatura tradizionale

Soluzioni e miscele, la chimica delle soluzioni Miscela Soluzione Due composti non miscibili tra loro creano due fasi separate, in modo eterogeneo. Le due sostanze possono essere mescolate, ma non si otterrà mai un complesso omogeneo Attraverso il meccanismo di solvatazione si crea una dispersione omogenea di un composto (soluto) in un altro (solvente). Il risultato finale è una sorta di nuova sostanza cn caratteristiche specifiche

Meccanismo di solvatazione

Il concetto di soluzione è strettamente collegato a quello di concentrazione, che rappresenta la quantità di soluto dispersa in un determinato quantitativo di soluzione

Reazioni chimiche: processo in cui alcune sostanze, dette reagenti, si trasformano in altre, dette prodotti, cambiando i legami chimici che intercorrono tra loro

Esempi di reazione chimica

Attraverso l’applicazione di queste leggi è possibile bilanciare una reazione chimica

Convertire una reazione chimica in una formula matematica ci consente perciò di poter fare delle previsioni (es. quanto reagente ci vorrà per ottenere una certa quantità di prodotto), e quindi di sfruttare reazioni chimiche note per ricavare concentrazioni incognite, realizzando le analisi chimiche

Un elemento particolare: la chimica del carbonio Questo schema deve solo far capire quante siano le possibili combinazioni e strutture che il carbonio può formare, rendendolo adatto a produrre le molecole complesse alla base della vita