Legenda: concetti base di chimica generale e leggi dei gas ideali

LEGENDA

TITOLO SOTTOTITOLO PER ARGOMENTO TEORICO SOTTOTITOLO PER ARGOMENTO PRATICO Nome di un chimico dato numerico da tenere in mente e formule es. (esempio) es. (esercizio) CONTROL+, CONTROL+ . x APICE E PEDICE Definizione di una legge o di un concetto.LEZ. I CONCETTI BASE DI CHIMICA GENERALE

MATERIA

Tutto ciò che ha una massa e occupa uno spazio prende il nome di MATERIA. Una SOSTANZA è una qualsiasi porzione di materia, dotata di sue proprietà fisiche e chimiche caratteristiche, e costituita dalla combinazione di ATOMI, normalmente secondo rapporti numerici ben definiti. Esistono tre STATI FISICI della materia e un corpo si dice:

• SOLIDO, se possiede una forma e un volume ben definiti;
• LIQUIDO, se possiede una forma non definita, ma un volume definito;
• GASSOSO, se possiede una forma e un volume non definiti.

SISTEMA E AMBIENTE

Nello studio dei processi chimici e fisici si conviene definire SISTEMA la porzione di spazio che è sede delle trasformazioni che sono oggetto di indagine, mentre AMBIENTE ciò che lo circonda. Un sistema è FISICAMENTE OMOGENEO quando ha le stesse proprietà fisiche in ogni suo punto (es. acqua e zucchero), in caso contrario è FISICAMENTE ETEROGENEO (es. acqua e ghiaccio). Una porzione fisicamente omogenea prende il nome di FASE (es. nell'acqua e ghiaccio sono presenti una fase solida e una fase liquida). Dal punto di vista chimico un sistema è CHIMICAMENTE OMOGENEO quando è costituito da una sola sostanza, mentre si dice CHIMICAMENTE ETEROGENEO quando è formato da almeno due sostanze. Un sistema chimicamente eterogeneo costituisce una MISCELA. Una miscela può essere fisicamente omogenea e prendere il nome di SOLUZIONE oppure fisicamente eterogenea e prendere il nome di MISCUGLIO. Le trasformazioni che avvengono in un sistema possono essere:

• TRASFORMAZIONI FISICHE, che avvengono senza modifiche della composizione chimica delle sostanze presenti nel sistema;
• TRASFORMAZIONI CHIMICHE o REAZIONI CHIMICHE, che portano alla scomparsa di una o più sostanze (REAGENTI) e alla formazione di nuove sostanze (PRODOTTI).

ELEMENTI E COMPOSTI

La chimica è un linguaggio in cui compaiono lettere (ELEMENTI), parole (FORMULE) e proporzioni (REAZIONI). Una qualsiasi sostanza viene detta ELEMENTO se non è scomponibile in altre sostanze ed è quindi costituito da un solo tipo di atomi. Attualmente si conoscono 118 elementi ma in natura se ne trovano soltanto 92. Si definisce COMPOSTO una sostanza pura che può essere scomposta in altre fino a dare sostanze elementari, ed è pertanto costituita da atomi di elementi diversi. La differenza tra un COMPOSTO e una MISCELA DI COMPOSTI si basa sul metodo che impieghiamo per separarne i componenti. Ad es., l'azoto molecolare puro (N2) viene ottenuto per distillazione frazionata dell'aria, una miscela. La distillazione frazionata è un metodo fisico che sfrutta i diversi punti di ebollizione di diversi liquidi per separarli dalla miscela. Gli atomi del composto acqua non possono essere separati per distillazione, ma è necessario impiegare un metodo chimico. Nella formazione di un composto, gli atomi dei vari elementi possono aggregarsi per dare origine ad una MOLECOLA, un'unità discreta e contabile, che conserva la composizione e le caratteristiche chimiche del composto, o ad uno IONE, cioè atomi o gruppi di atomi dotati di carica elettrica, che interagiscono tra di loro mediante forze di tipo elettrostatico. I composti vengono rappresentati dalla loro FORMULA CHIMICA, che viene costruita scrivendo in successione i simboli degli elementi presenti nel composto, ponendo al piede di ciascuno di essi il numero relativo di suoi atomi contenuti nel composto stesso. La formula che esprime il minimo rapporto tra i numeri di atomi di ogni elemento presente in un certo composto viene chiamata FORMULA MINIMA o EMPIRICA. Ad es., la formula empirica dell'acido ossalico è HCO2 e ci permette di comprendere che idrogeno, carbonio e ossigeno sono presenti secondo il rapporto 1:1:2. La FORMULA MOLECOLARE o BRUTA è tuttaviaH2C2O4. La FORMULA DI STRUTTURA fornisce un ulteriore informazione: la TOPOLOGIA MOLECOLARE, detta anche CONNETTIVITÀ MOLECOLARE. Con la formula di struttura possiamo comprendere chi è legato a chi e, di conseguenza, le proprietà chimiche della molecola.

ATOMI

Gli atomi sono costituiti da tre tipi di particelle: il PROTONE (p), il NEUTRONE (n) e l'ELETTRONE (e). Il protone è dotato di carica elettrica positiva, mentre l'elettrone è dotato di carica elettrica negativa; il modulo della carica corrisponde a 1,602177 · 10-19 C. Il protone e il neutrone hanno una massa approssimativamente uguale, di circa 1,67 . 10-27 kg, mentre la massa dell'elettrone è solo 1/1836 volte quella del protone, di circa 9,11 . 10-31 kg. I protoni e i neutroni, chiamati generalmente NUCLEONI, sono concentrati nel centro dell'atomo, trattenuti dalla FORZA NUCLEARE FORTE, che agisce a piccole distanze, andando a costituire il NUCLEO ATOMICO. Il numero totale di nucleoni presenti in un nucleo atomico è detto NUMERO DI MASSA (A). Il nucleo atomico ha una A X Z 12 6 C carica elettrica positiva uguale alla somma delle cariche dei protoni contenuti, che prende il nome di NUMERO ATOMICO (Z). Un atomo risulta complessivamente elettricamente neutro perché il numero di protoni è uguale al numero di elettroni. Poiché la massa degli elettroni è molto più piccola di quella dei nucleoni, la massa di un atomo è sostanzialmente uguale a quella del suo nucleo atomico. Nonostante ciò, le dimensioni del nucleo sono decisamente più piccole rispetto a quelle dell'atomo. Gli elettroni che stanno attorno al nucleo si trovano a distanze che sono circa 10.000 volte maggiori del raggio del nucleo stesso. Gli atomi con UGUALE NUMERO ATOMICO e pertanto appartenenti allo stesso elemento, ma contenenti differenti numeri di neutroni, e quindi aventi DIFFERENTI NUMERI DI MASSA, sono detti ISOTOPI. La quantità relativa di ciascun isotopo in un campione naturale di un dato elemento è di solito costante e le miscele dei singoli isotopi vengono dette MISCELE ISOTOPICHE NATURALI. L'ABBONDANZA IN PERCENTUALE è il rapporto tra il numero di atomi di un dato isotopo e il numero totale degli atomi di tutti gli isotopi di quell'elemento moltiplicato per cento.

MODELLO ATOMICO DI RUTHERFORD

Il fisico La maggior parte delle particelle ox passa con piccola o nessuna deflessione inglese J. J. Thomson propose nel 1904 un modello per interpretare la struttura di un atomo secondo cui esso era costituito da una sfera Poche particelle o subiscono Foglio d'oro una forte deflessione uniforme di cariche positive all'interno della quale Sorgente Particelle erano distribuiti gli elettroni carichi negativamente. Ernest Rutherford effettuò una serie di Rivelatore esperimenti sul potere penetrante delle Piombo PARTICELLE a (cioè nuclei di He dotati di carica positiva) prodotte da una sorgente radioattiva, anche allo scopo di confermare il modello atomico proposto da Thomson, ma essi dimostrarono che il modello proposto era inadeguato. In un esperimento Rutherford inviò un fascio di particelle a su una sottile lamina d'oro e osservò che la maggior parte delle particelle passava attraverso la lamina d'oro indisturbata (ELETTRONI), mentre alcune di queste venivano fortemente deflesse o rimbalzavano indietro (PROTONI). Questo risultato inatteso lo aveva portato a concludere che tutta la carica positiva dell'atomo, e sostanzialmente tutta la sua massa, sono concentrate in un nucleo centrale molto piccolo intorno al quale si muovono gli elettroni occorrenti per rendere l'atomo elettricamente vuoto (in realtà sappiamo che quello delle orbite è un modello errato). Per la maggior parte del suo volume L'ATOMO È VUOTO. II modello di Rutherford presenta però alcuni concetti da chiarire: ad es., tenuto conto che gliatomi di idrogeno possiedono un solo protone e quelli di elio invece due, ci si chiede perché la massa di un atomo di elio è di circa quattro volte rispetto a quella di un atomo di idrogeno e non il doppio. Successivi lavori di Rutherford perfezionarono il modello dimostrando che la massa ulteriore era dovuta alla presenza nel nucleo di altre particelle elettricamente neutre: i NEUTRONI.

IONI

In un atomo neutro il numero di elettroni è uguale al numero di protoni presenti nel suo nucleo. Tuttavia, in certe condizioni gli atomi possono perdere o acquistare elettroni diventando particelle elettricamente cariche, dette IONI. Gli ioni dotati di carica positiva. come lo ione Na + , vengono detti CATIONI; quelli dotati di carica negativa, come lo ione Cl - , vengono detti ANIONI. Cationi e anioni sono sempre presenti insieme in alcuni composti e in rapporti tali che la carica complessiva del composto che formano sia sempre nulla (ad es. Ca2+ e F- formano il difloururo di calcio CaF2). Esistono cationi o anioni poliatomici, cioè costituiti da aggregati di atomi che hanno perso o acquistato elettroni rispetto al corredo elettronico posseduto dai singoli atomi, come lo ione ammonio NH4+.

ESPERIMENTI SULLA NATURA CORPUSCOLARE DELLA MATERIA

Verso la fine del '700, Antoine Laurent Lavoisier introdusse l'uso sistematico della bilancia nello studio delle reazioni chimiche e fece della chimica una scienza basata su misure di tipo quantitativo. I suoi esperimenti sulla combustione lo portarono a formulare la LEGGE DELLA CONSERVAZIONE DELLA MASSA o LEGGE DI LAVOISIER secondo la quale, in un sistema in cui si verifica una reazione chimica, la massa totale rimane invariata. Joseph Proust dimostrò con una serie di esperimenti controllati e riproducibili che in un composto il rapporto tra le masse degli elementi costituenti è definito e costante, formulando la LEGGE DI PROUST o DELLE PROPORZIONI DEFINITE. Ad es., in 100 grammi di Fe2O3 sono sempre presenti 69,94 grammi di ferro e 30,06 grammi di ossigeno e il rapporto tra le masse di ferro e di ossigeno è sempre lo stesso qualunque sia il metodo di preparazione o la provenienza del composto. Le leggi di Lavoisier e Proust permisero a John Dalton di elaborare la sua TEORIA ATOMICA, riassumibile nelle seguenti affermazioni (oggi non rigorosamente corrette):

• la materia è costituita da atomi, che sono le particelle ultime, indivisibili e indistruttibili della materia stessa;
• gli atomi di un dato elemento hanno massa e proprietà chimiche uguali;
• atomi di elementi differenti hanno massa e proprietà chimiche differenti;
• atomi di elementi differenti possono combinarsi tra loro secondo numeri interi e piccoli, per formare composti;
• le reazioni chimiche consistono nella separazione e ricombinazione di atomi, ma nessun atomo di un elemento si trasforma in un atomo di un altro elemento.

Nel 1804 Dalton pubblicò la LEGGE DELLE PROPORZIONI MULTIPLE o LEGGE DI DALTON, che asseriva il seguente principio: quando due elementi possono combinarsi in differenti rapporti ponderali, le masse dell'uno che si combinano con una massa fissa dell'altro stanno tra loro in rapporti di numeri interi e semplici. Ad es., il diossido di carbonio (CO2) si ottiene per combinazione di 2,67 grammi di ossigeno e 1 grammo di carbonio, mentre il monossido di carbonio (CO) si ottiene per combinazione di 1,33 grammi di ossigeno e 1 grammo di carbonio. Il rapporto tra le quantità di ossigeno è un numero intero piccolo (2,67/1,33=2).

MASSA ATOMICA

Il valore della massa atomica relativa dipende dal valore attribuito all'elemento di riferimento in modo arbitrario. Una prima scala dei pesi atomici venne ottenuta scegliendo come riferimento l'atomo di idrogeno, l'elemento più leggero, a cui veniva assegnata una massa uguale a 1. Nel XX secolo, chimici e fisici hanno usato due diverse scale di masse atomiche che avevano come riferimento l'ossigeno. I chimici