Chimica generale con elementi di chimica inorganica Prof. Mario Piccioli Dipartimento di Chimica & Centro di Ricerca di Risonanze Magnetiche (CERM) Via L. Sacconi 6 50019 Sesto Fiorentino TELEFONO: 055-4575265 o 055-4573317 Email: piccioli@cerm.unifi.it www.cerm.unifi.it

Testi consigliati Bertini, Luchinat, Mani CHIMICA, CEA Ambrosiana ISBN-88-408-1285-7 Bertini, Mani STECHIOMETRIA, CEA Ambrosiana ISBN-88-408-0930-9

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Riepilogo Periodo: dal febbraio 2009 al settembre 2009 Studenti iscritti: circa 200 Esame superato: 53 su 200 voto medio: 25,4 Scritto superato: 45% Orale superato 86%

Riepilogo Periodo: dal gennaio 2012 al settembre 2012 Esame superato: 79 voto medio: 25,3

LEZIONE 1 Miscele - composti - elementi Struttura dell’atomo - isotopi - ioni Molecole - formule molecolari Pesi- peso formula - peso atomico - peso molecolare Tavola Periodica Mole

La materia e’ tutto cio’ che possiede massa ed occupa spazio

Le miscele la materia è costituita da miscele omogenee o eterogenee di sostanze pure o individui chimici Una miscela omogenea è un sistema monofasico La fase è una parte di un sistema fisicamente definita, ed è caratterizzata da proprietà chimiche e fisiche costanti al suo interno Esempi di miscela omogenea sono l’acqua di mare, l’aria.

Le sostanze La materia è costituita da sostanze Quando esse sono formate da atomi di una sola specie atomica si chiamano sostanze elementari Quando esse sono formate da atomi di specie diverse si chiamano sostanze composte o composti

La materia e la sua composizione

Miscele vs Composti o elementi acciaio Ferro Fe Acqua potabile Acqua H2O Acqua marina Carbone carbonio

La Composizione dell’Atmosfera Componenti Principali, % in volume Azoto (N2): 78,08% Ossigeno (O2): 20,95% Argon (Ar): 0.93% Vapore acqueo (H2O): 0,33% Anidride carbonica (CO2): 0,032% (320 ppm)

La Composizione dell’Atmosfera Componenti Secondari Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm) Elio (He): 0,0005% (5 ppm) Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm) Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm) Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm) Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm) Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm) Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2, N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

Miscele omogenee vs eterogenee Miscele eterogenee Soluzioni Sospensione gas Fumo- nebbia schiuma-gel Lega (acciaio-ottone) Materiali compositi Benzina rocce plastica plastica

Composti Sono costituiti da atomi di specie diverse. Possono essere formati da: Molecole Concatenazioni di atomi Ioni acqua ferro diamante sali

Stechiometria dei composti Formula chimica: deve indicare come minimo quali sono gli elementi che costituiscono la sostanza e in quale rapporto gli atomi di questi elementi si trovano. H2O CO2 O2 CO NaCl H2SO4 Formula minima o molecolare Esiste la formula dell’acciaio? e della benzina? dell’acqua minerale?

Miscele vs. Composti La composizione di un composto é costante ed invariabile La composizione di una miscela è variabile

Le molecole Le molecole sono aggregati discreti di atomi tenuti insieme da legami chimici

Elementi Il numero di composti e molecole presenti in natura é , virtualmente, infinito L’infinito numero di molecole presenti in natura deriva dalla combinazione, di un numero limitato di atomi. Le specie atomiche presenti in natura sono 90. Essi sono gli ELEMENTI

Atomi Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche dette elettroni, protoni e neutroni. Protoni e neutroni formano un minuscolo, denso corpo centrale detto nucleo dell’atomo. Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio intorno al nucleo.

Teoria atomica della materia La materia e’ costituita da atomi Gli atomi di un elemento sono diversi da quelli di un altro elemento Gli atomi si combinano secondo rapporti definiti per formare composti La combinazione degli atomi in un composto puo’ cambiare solo quando avviene una reazione chimica Una reazione chimica cambia il rapporto con cui gli atomi si combinano, ma non altera la natura degli atomi

Particelle subatomiche Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa protone (p) +1.6021773 x 10-19 C +1 1.6726 x 10-24 g 1.0073 elettrone (e) -1.6021773 x 10-19 C -1 9.109390 x 10-28 g 0.0005486 neutrone (n) 1.6749 x 1.0087

Struttura dell’atomo Proporzione: 100m vs 1mm Gli atomi sono costituiti da un nucleo positivo e da elettroni negativi. Il nucleo ha un raggio di 10-5 Å. Il raggio di un atomo è dell'ordine di 1 Å. Proporzione: 100m vs 1mm

Nuclidi X A Z Un nuclide è un atomo caratterizzato dal numero atomico Z (numero di protoni) e dal numero di massa A (numero di neutroni e di protoni). Il nuclide neutro ha un numero di elettroni uguale a quello di protoni. Il numero Z caratterizza la specie atomica. H 1 C 12 6 O 16 8

Isotopi Nuclidi con lo stesso Z ma differente A possono esistere e si chiamano isotopi. Una stessa specie atomica ha, di norma, diversi isotopi: si parla di miscela isotopica naturale. Le specie atomiche sono 106, di cui 90 naturali; di queste, 81 hanno almeno un nuclide stabile. C 12 6 C 14 6

Isotopi naturali di alcuni elementi Nuclide Massa relativa % di nuclidi 1H 1,007825 99,985 2H 2,014102 0,015 3He 3,016030 ~ 10-4 4He 4,002604 ~ 100 6Li 6,015126 7,42 7Li 7,01605 92,58 9Be 9,012186 10Be 10,013535 tracce 10B 10,012939 19,6 11B 11,009305 80,4 11C 11,011433 12C 12, 98,89 13C 13,003354 1,11 14C 14,003142

Tavola periodica

Ioni Un elemento e’ caratterizato dal suo numero atomico. Nell’atomo neutro il numero di elettroni e’ uguale a quello di protoni. Atomi che hanno ceduto o aquistato elettroni rispetto all’atomo neutro si dicono ioni: Catione + Anione -

Sostanze elementari Sono costituite da atomi della stessa specie (stesso numero atomico) Possono essere formate da: Singoli atomi Molecole = aggregati discreti di atomi Insieme continuo di atomi Es: H2, N2, Ar, He, Fe, P4

molecola No molecola No molecola

Le formule delle sostanze Le sostanze elementari ed i composti sono rappresentati graficamente con simboli convenzionali: Le formule chimiche FORMULA MINIMA (stechiometrica o elementare): si ricava dall’analisi elementare della sostanza Es NaCl; H8O4N2S; SiO2 FORMULA MOLECOLARE: Quanti atomi di ciascun elemento entrano a fare parte di una molecola dicomposto Es: O2, H2O2, C6H6, P4, H2O, CO2 Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete e pertanto esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl2, Fe, C, SiO2 IMPORTANTE: riguarda la definizione di molecola

Le formule delle sostanze FORMULA IONICA: i composti possono essere costituiti da atomi o gruppi di atomi con una carica elettrica risultante. L’insieme di questi gruppi in un composto deve essere tale che la carica risultante totale sia nulla. E’ il caso dei composti salini Quste due formule rappresentano la stessa sostanza. Solo una delle due è corretta Quale e perché? H8O4N2S (NH4)2SO4

Le formule delle sostanze FORMULA DI STRUTTURA: Rappresentazione schematica della disposizione nello spazio degli atomi in una molecola CO2, CH4, C2H6O, HNO3 CH3CH2OH, H+, NO3-

Particelle subatomiche Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa protone (p) +1.6021773 x 10-19 C +1 1.6726 x 10-24 g 1.0073 elettrone (e) -1.6021773 x 10-19 C -1 9.109390 x 10-28 g 0.0005486 neutrone (n) 1.6749 x 1.0087

Massa atomica relativa dei nuclidi La massa di un nuclide è troppo piccola rispetto all’unità di misura del kg. Viene quindi definita in rapporto a quella di un nuclide di riferimento. Per convenzione la massa del nuclide 12C è stata definita come esattamente = a 12. 1/12 della sua massa è l’unità di riferimento = u.m.a.

Le masse relative di n, e p e per i singoli nuclidi sono riferite a 1/12 della massa del 12C. In questo modo, il protone, il neutrone hanno massa relativa vicina ad 1. La massa dei vari nuclidi è vicina al numero di massa A.

Peso atomico Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.

Peso atomico Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C. Esercizio: Quale é il peso atomico dell’idrogeno?

Peso atomico Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C. Nuclide Massa relativa % di nuclidi 1H 1,007825 99,985 2H 2,014102 0,015 3He 3,016030 ~ 10-4 4He 4,002604 ~ 100 6Li 6,015126 7,42 7Li 7,01605 92,58 9Be 9,012186 10Be 10,013535 tracce 10B 10,012939 19,6 11B 11,009305 80,4 11C 11,011433 12C 12, 98,89 13C 13,003354 1,11 14C 14,003142

C C C H H H Cl Cl Isotopi Atomi diversi dello stesso elemento Stesso numero di protoni Diverso numero di neutroni Diverso numero di massa Stesso numero atomico 12 13 14 C C C 6 6 6 1 2 3 H H H 35 37 Cl Cl 1 1 1 17 17

Peso atomico Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C. Il peso atomico dell'idrogeno è: 1,007825 × 0,9985 + 2,014102 × 0,0015 = 1,007976 Nuclide Massa relativa % di nuclidi 1H 1,007825 99,985 2H 2,014102 0,015 3He 3,016030 ~ 10-4 4He 4,002604 ~ 100 6Li 6,015126 7,42 7Li 7,01605 92,58 9Be 9,012186 10Be 10,013535 tracce 10B 10,012939 19,6 11B 11,009305 80,4 11C 11,011433 12C 12, 98,89 13C 13,003354 1,11 14C 14,003142

Peso atomico Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C. Il peso atomico del carbonio è: 12 × 0,9889 + 13 × 0,0111 = 12,0111 Nuclide Massa relativa % di nuclidi 11C 11,011433 tracce 12C 12, 98,89 13C 13,003354 1,11 14C 14,003142

Tavola periodica

Peso Molecolare somma dei pesi atomici di tutti gli elementi contenuti in una molecola di una sostanza elementare o di un composto I2: 126.9x2= 253.8 H2SO4: (1.00798 x 2) + 32.064 + (15.999 x 4) = 98.076

Peso formula Quando una sostanza non è formata da molecole discrete ma da un insieme infinito di atomi o ioni NaCl: 22.9898 + 35.453 = 58.443 K2Cr2O7: (39.10 x 2) + (51.996 x 2) + (15.999 x 7) = 294.2

Peso atomico, peso molecolare, peso formula sono in realtà delle masse

La mole Le grandezze fondamentali e le unita' di misura nel Sistema Internazionale (SI)   Grandezza fondamentale Unita’ Simbolo lunghezza metro m massa kilogrammo Kg tempo secondo s corrente elettrica ampere A temperatura kelvin K intensita’ luminosa candela cd quantita’ di sostanza mole mol  

N è il numero di nuclidi che stanno in esattamente 12 g di 12C. La mole La mole è la quantità di sostanza che contiene un numero N di particelle che devono essere specificate. N è il numero di nuclidi che stanno in esattamente 12 g di 12C.

La massa in g di una mole di 12C è per definizione 12 g. La mole La massa in g di una mole di 12C è per definizione 12 g. N = 6,0221367(36) ×1023 Poiché N è un numero per mole, esso ha unità di misura mol-1 ed è chiamata costante di Avogadro.  N = 6,0221367(36) ×1023 mol-1

La mole Una mole di 23Na è la quantità di sostanza che contiene N atomi di 23Na

Moli di sostanze diverse hanno peso diverso ! Mole e massa molare Moli di sostanze diverse hanno peso diverso ! In una reazione o in una formula chimica contano le moli, non i grammi!

Una mole di sostanza diverse ha peso diverso ! Mole e massa molare Una mole di sostanza diverse ha peso diverso ! In una reazione o in una formula chimica contano le moli, non i grammi! Es: 2H2 + O2 2H2O

Massa molare Rapporto fra massa (in grammi) e quantità di sostanza (in moli), quindi ha come unità di misura g mol-1. Si indica con M

Stechiometria g=g*mol-1*mol grammi di sostanza= massa molare X n.moli g *mol-1 =g/mol Massa molare= grammi/ n.moli n. moli= grammi/ massa molare mol =g/g*mol-1

Facciamo subito un po’ di esercizi grammi di sostanza= massa molare X n.moli g=g*mol-1*mol g= M x n

Facciamo subito un po’ di esercizi Quanto pesano 20 moli di acqua ? Quante moli di acqua ci sono in 1,00 dm3? Quante molecole ci sono in un bicchiere di acqua?