Chimica generale e inorganica Prof. Simone Ciofi Baffoni Dipartimento di Chimica & Centro di Ricerca di Risonanze Magnetiche (CERM) Via L. Sacconi 6 50019 Sesto Fiorentino TELEFONO: 055-4574192 E-mail: ciofi@cerm.unifi.it www.cerm.unifi.it Lezioni del Gruppo A (A-L): aula A Dip. di Scienze Fisiologiche Viale Morgagni 63

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La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio

Teoria atomica della materia La materia è 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 può 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

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.

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 Poiché la carica elettrica che un singolo atomo o aggregato di atomi può possedere risulta sempre uguale in valore assoluto a quella dell’elettrone o pari ad un suo multiplo, la carica dell’elettrone è presa come unità di carica elettrica Quindi l’elettrone ha carica relativa -1

Quark nel protone e nel neutrone Protoni e neutroni contengono 3 quark ciascuno: Un protone è composto da 2 quark “Up” e un quark “Down”. Un neutrone è composto da 1 quark “Up” e 2 quark “Down”.

Struttura dell’atomo 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.

1 Ångstrom corrisponde a 10-10 m Ångstrom simbolo Å 1 Ångstrom corrisponde a 10-10 m Molto usato in chimica perché è dell’ordine di grandezza di un atomo

Gli elementi naturali e artificiali Tutta la materia può essere ricondotta a 90 elementi o specie atomiche diverse, più 22 elementi prodotti artificialmente In Natura si trovano 90 specie atomiche differenti, dette elementi naturali Il primo elemento artificiale sintetizzato in laboratorio fu il tecnezio nel 1937 Gli altri elementi artificiali sono il promezio e i così detti elementi transuranici, cioè gli elementi dal 93 al 112

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. Solo 21 elementi sono costituiti da un solo nuclide. 81 specie atomiche hanno almeno un nuclide stabile. Tutti gli isotopi di in elemento hanno le stesse proprietà chimiche C 12 6 C 13 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

Ioni Un elemento e’ caratterizato dal suo numero atomico. Nell’atomo neutro il numero di elettroni è 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 , cioè unità distinte e separate le une dalle altre ciascuna delle quali è formata da due o piu’ atomi legati fra loro Insieme continuo di atomi He grafite diamante

Cloruro di sodio Na+/Cl- Composti Sono costituiti da atomi di specie diverse. DNA Possono essere formati da: Molecole Concatenazioni di atomi Ioni proteina PVC Cloruro di sodio Na+/Cl-

Gli atomi si combinano secondo rapporti definiti per formare 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. Questi rapporti fra numeri interi si trovano scritti nelle formule come deponenti a destra del simbolo dell’elemento a cui si riferiscono. H2O HCl CO2 O2 CO

Formula minima e formula molecolare La formula che arriviamo a scrivere per un composto è detta formula minima. (stechiometrica o elementare): si ricava dall’analisi elementare della sostanza. Per tutte le sostanze è possibilie scrivere una formula minima. Quando una sostanza elementare o un composto è costituito da molecole, la formula che indica il numero di atomi di ciascun elemento nella molecola è chiamata formula molecolare.

Formula molecolare La formula molecolare fornisce piu’ informazioni della formula minima: Non si limita a definire le proporzioni tra gli elementi di un composto, ma specifica il numero esatto di atomi di ciascun elemento facente parte di una molecola del composto. Es. Sostanze elementari P4, S8, I2 Sostanze composte NH3, CO2, HNO3 Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete ma da una concatenazione continua di atomi e pertanto esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl2, Fe, C, SiO2

Formula minima e formula molecolare Fe  Ne HCl  NaCl

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 Per es. la sostanza con formula minima NaSO4 è in realtà costituita da ioni Na+ e ioni S2O82- nel rapporto 2:1 e quindi la sua formula corretta è Na2S2O8 Queste 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 la concatenazione dei legami fra gli atomi e la disposizione degli atomi nello spazio in una molecola CO2, CH4, HNO3

Reazione chimica La combinazione degli atomi in un composto può 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 C + O2 CO2

Formalismo aA + bB cC + dD reagenti prodotti Un’equazione chimica rappresenta il più fedelmente possibile il processo reale e quindi la natura delle specie che vi prendono parte. Si devono quindi utilizzare le formule (molecolari o minime) che rappresentano le varie sostanze.

Equazione chimica aA + bB cC + dD reagenti prodotti Conservazione della massa: la massa totale dei reagenti e dei prodotti non varia durante la reazione. Si deve avere lo stesso numero di atomi per ogni elemento, anche se in composti differenti, in ambedue i membri dell’equazione.

Bilanciamento di reazioni C + O2 CO2 N2 + 3H2 2NH3 CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Coefficiente stechiometrico Il coefficiente stechiometrico di ciascuna specie che compare nella reazione è il numero di molecole o atomi di quella specie, nella reazione così come è stata bilanciata. N2 + 3H2 2NH3 1/2 N2 + 3/2 H2 NH3

Massa atomica relativa dei nuclidi La massa di un nuclide è troppo piccola rispetto all’unità di misure 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. in fisica, dalton (Da) in biologia. E’ una nuova unità di misura della massa 1 u.m.a = 1 Da = 1,66053782(83) x 10-27 kg

Per esempio La massa atomica del nuclide 13C = 13,003354 è quindi un numero puro che esprime quante volte la massa del nuclide 13C contiene 1/12 della massa del nuclide 12C

Perche’ la massa del 12C è stata scelta uguale proprio a 12 e non 1, oppure 10 oppure 100?

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. 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

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

Quando una sostanza non è formata da molecole discrete ma da un insieme infinito di atomi o ioni, si parla di peso formula 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.