Chimica e didattica della chimica Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Atomi e legami

Molecole costruite dall'uomo L'uomo continua il lavoro della natura: estraendo minerali (ferro, rame, zolfo, carbonio, marmo, calcare, petrolio…) dalla Terra attaccando e staccando atomi e molecole (a volte producendo inquinamento) Dal petrolio otteniamo: fibre materie plastiche vernici e solventi carburanti Farmaci e cosmetici sono ottenuti chimicamente 2

L'identità degli atomi Ciò che rende ogni elemento chimico diverso da ogni altro è il numero di protoni ed elettroni L'idrogeno ha un protone e un elettrone Alla fine del XVIII secolo gli atomi avevano nome, simbolo e massa Oggi sono indicati con numero di massa e numero atomico, ad esempio il simbolo 𝟔 𝟏𝟐 𝐂 indica l'atomo di carbonio avente 12 nucleoni (6 protoni e 6 neuroni) e 6 protoni (ed elettroni) Ogni atomo resta se stesso anche se combinato 3

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza I chimici hanno assegnato agli elementi dei numeri che indicano le capacità di combinazione: 5 per N, 4 per C, 2 per O… La struttura della nuvola elettronica determina la capacità degli atomi di reagire chimicamente Un metallo non si combina con un metallo, i metalli alcalino-terrosi, si combinano facilmente con l'O, gli alogeni si combinano con l'H formando acidi forti… 4

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza Nella formazione delle molecole, gli elettroni periferici di un atomo interagiscono con gli elettroni periferici di altri atomi, formando legami Avviene una parziale sovrapposizione dello spazio occupato dagli elettroni periferici Mettere in comune gli elettroni è la regola per costruire molecole, formate da atomi uguali o diversi Gli elettroni si riorganizzano, formando una "colla elettronica" che permette ai nuclei di avvicinarsi, raggiungendo una posizione di equilibrio 5

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza Il bilanciamento tra attrazioni (cariche elettriche di segno diverso) e repulsioni (cariche elettriche dello stesso segno) determina forma, stabilità e capacità di reazione delle molecole Il legame chimico è indicato con una barretta (H2O si scrive anche H-O-H) e può essere covalente o ionico 6

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza 7

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza Il legame covalente può essere doppio e triplo Esistono legami più deboli: il legame a idrogeno (regioni cariche delle molecole si attraggono) e il legame di van der Waals (regioni neutre delle molecole si attraggono a causa di vibrazioni elettromagnetiche) 8

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza 9

I legami tra gli atomi: le teorie sulla valenza Nei metalli, gli atomi sono tenuti assieme da un "gas" di elettroni di valenza che si muovono liberamente nella struttura cristallina (compattezza, lucentezza, conduzione di calore ed elettricità) La valenza è un numero piccolo e intero che indica la potenzialità di un atomo nello stabilire legami con altri La valenza è legata al numero di elettroni 10

Energie di legame Per combinarsi, gli atomi devono urtarsi, quindi è necessario fornire energia Siccome la formazione di una molecola porta a una situazione di equilibrio più stabile, una certa quantità di energia è ceduta all'ambiente Viceversa, per staccare di nuovo gli atomi, occorre fornire la stessa quantità di energia che è stata ceduta all'ambiente Questa quantità di energia si chiama energia di legame 11

I nomi delle molecole Quando il carbonio brucia in un'atmosfera povera di ossigeno si forma il monossido di carbonio o CO Quando il carbonio brucia in un'atmosfera ricca di ossigeno si forma il diossido di carbonio CO2 (o biossido di carbonio o anidride carbonica) I nomi delle molecole non sempre indicano le quantità: cloruro di sodio, ossido di ferro, metano, glucosio… Le formule grezze indicano le quantità: NaCl, Fe2O3, CH4, C6H12O6 12

I nomi delle molecole CH2OH(CHOH)4CHO Le formule di struttura indicano i legami fra gli atomi Esistono molecole con la stessa formula di struttura ma con proprietà diverse (isomeri) a causa della differente disposizione nello spazio degli atomi Occorrono rappresentazioni spaziali tridimensionali delle molecole (stereochimica) 13

Le equazioni chimiche Conoscendo la composizione di una sostanza si può progettare la reazione per ottenerla dagli elementi che la compongono (sintesi), quella per isolare gli elementi che la compongono (analisi) e quella per combinarla con altre sostanze (reazione chimica) Conservazione della massa: gli atomi non possono sparire Come si può dire che il C di un pezzo di legno si conserva nella CO2 dopo che è stato bruciato all'aria? 14

Le equazioni chimiche La CO2 è un gas incolore e solubile in acqua mentre il C è un solido nero insolubile in acqua Ciò che si conserva sono gli atomi che, nelle reazioni, si spostano da un composto all'altro Le molecole hanno differenze qualitative che dipendono dalla loro composizione L'individualità di una molecola dipende dalla perdita di individualità degli atomi che la compongono 15

Le equazioni chimiche I rapporti di combinazione sono costanti (CO e CO2, ma non CO3!) È possibile ottenere una sostanza facendo reagire, nella quantità giusta, le molecole che contengono gli atomi necessari per comporre il prodotto Ad esempio, per ottenere ammoniaca, bisogna far reagire N e H in precise proporzioni: N2+3H2 →2NH3 16

Le equazioni chimiche Le equazioni chimiche indicano quali sostanze (reagenti) sono combinate e quali sostanze (prodotti) sono ottenute Il tipo e la massa di ogni elemento a sinistra deve essere uguale al tipo e alla massa di ogni elemento a destra Quando la percezione ci imbroglia (la cera della candela scompare) bisogna considerare la materia dispersa nell'aria 17

Le forze intermolecolari Quando moltissime molecole di H2O si trovano assieme formano l'acqua, essendo legate fra loro in una goccia, una pozzanghera, un lago… I legami intermolecolari sono elettrici (come quelli intramolecolari) ma più deboli Per questo le molecole d'acqua restano unite ma scorrono l'una sull'altra (liquido) Se diminuisce la temperatura, le molecole di H2O si organizzano nella struttura cristallina del ghiaccio (solido) 18

Le forze intermolecolari Se aumenta la temperatura, le molecole di H2O si agitano fino a staccarsi dalla superficie liquida e si disperdono nell'aria sotto forma di vapore (aeriforme) Per vincere le forze intermolecolari occorre energia Il vapore e l'acqua possono restituire l'energia (condensazione e solidificazione) 19

Fine della lezione… 20