Scopo della chimica: fondamenti, composizione e stati della materia

Scopo della chimica e trasformazioni energetiche

Qual è lo scopo della chimica? Lo scopo della chimica è interpretare e razionalizzare la costituzione, il comportamento, le proprietà della materia e le trasformazioni che essa subisce, insieme alle variazioni energetiche che accompagnano tali processi. Quasi sempre dietro una trasformazione c'è una variazione di energia. Ci sono trasformazioni che producono o che richiedono calore.

Principi e modelli della chimica

Principi, leggi e postulati della chimica sono basati su tre pilastri, costituiti da 3 modelli:

1. Modello atomico della materia
2. Modello elettronico dell'atomo
3. Modello del legame chimico

Tutto dipende da come sono disposti gli elettroni all'interno dell'atomo. Per capire certi comportamenti della materia tutto dipende dalle configurazioni elettroniche degli atomi. I modelli sono una rappresentazione della realtà espressi attraverso formule matematiche, chimiche. Un modello può essere modificato per nuove scoperte. I modelli sono un modo per rappresentare la realtà nel miglior modo possibile.

Oggetto di studio della chimica: la materia

Oggetto di studio della chimica è la materia. La materia è costituita da miscugli omogenei ed eterogenei di individui chimici = elementi o molecole. Ciascun elemento è rappresentato da un atomo. La materia è costituita da atomi e molecole.

Gli stati fisici della materia

La materia la si può vedere in 3 stati (un quarto sarebbe il plasma):

1. Gassoso
2. Liquido
3. Solido

Proprietà degli stati di aggregazione

Solido

• Volume proprio
• Forma propria
• Densità alta
• Effetto della pressione incomprimibile

Liquido

• Volume proprio
• Forma assume la forma del recipiente
• Densità media
• Effetto della pressione abbastanza comprimibile

Gassoso

• Occupa tutto il volume disponibile
• Assume la forma del recipiente
• Densità bassa
• Comprimibile

Fase e sistemi della materia

Fase = parte di un sistema (porzione della materia oggetto d'indagine), di composizione chimica determinata, con proprietà fisiche uniformi, separata da altre parti del sistema da superfici fisicamente definite. Ad esempio i detergenti bifasici (due colori o consistenza diversa per la diversa composizione). Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo, altrimenti è eterogeneo. Un esempio è olio in acqua. È un sistema eterogeneo fatto da almeno due fasi perché potrebbero esserci delle bolle d'aria.

Sostanze pure e miscele

Un sistema può essere costituito da sostanze pure o miscele. Sostanze pure: caratteristica fisica e composizione ben definita (una sola sostanza chimica). Miscele: più sostanze presenti. All'interno delle miscele si distinguono miscele omogenee o eterogenee. Omogenea = soluzione (fatta da almeno due componenti in un un'unica fase come quella liquida) composta da soluto (meno abbondante) e solvente (più abbondante). II solvente dà la fase finale della soluzione. Ci sono anche soluzioni gassose. Un esempio è l'aria. L'acqua distillata è costituita solo da idrogeno e ossigeno, l'acqua del rubinetto è una miscela perché ci sono dei sali disciolti nell'acqua. L'acqua di rubinetto è generalmente in un un'unica fase perché è solo liquida. Potrebbe esserci una seconda fase gassosa.

Miscuglio eterogeneo

Un miscuglio eterogeneo è formato da almeno due componenti, è eterogeneo se ha almeno due fasi. Un esempio il granito è una miscela perché nella composizione ha ossidi diversi. Il granito è una miscela ma è anche eterogenea perché ci sono stati di aggregazione differenti (piccole cavità dove può esserci aria). Il latte è una miscela perché è fatto da acqua, proteine, grassi e zuccheri. Ad occhio nudo sembrerebbe omogenea, ma guardandola al microscopio le particelle avrebbero una consistenza o una colorazione diversa.

Cosa studia la chimica: trasformazioni

L'oggetto di indagine della chimica è la trasformazione della materia che è anche oggetto della fisica. Ci sono trasformazioni fisiche o chimiche.

Trasformazioni fisiche

Fisiche: producono una modificazione fisica della materia ma non producono nuove sostanze. Ad esempio le lampadine a filamento di tungsteno che con l'incandescenza si genera luce e calore. Quando la lampadina finisce di funzionare il tungsteno si rompe senza trasformarsi in altre sostanze.

Trasformazioni chimiche

Chimiche: modificazioni che comportano la formazione di nuove sostanze. Ad esempio una candela è fatta da cera (composizione chimica precisa) e lo stoppino (di composti organici che bruciano con la fiamma). La cera si scioglie ma non sparisce, si trova sciolta. Lo stoppino invece si è trasformato in CO2 e acqua. La cera in parte subisce una live combustione, ma quello che subisce una trasformazione chimica è lo stoppino. In questo caso si è partiti da una composizione dello stoppino e si è arrivati a un'altra. Le sostanze di partenza si trasforma in nuove sostanze: reagenti -> prodotti. Tutte le trasformazioni chimiche sono accompagnate da trasformazioni chimiche (ma non viceversa). In alcuni casi solo attraverso l'analisi chimica è possibile capire il tipo di trasformazione avvenuta.

Atomi, molecole e ioni

8 ottobre Atomi, molecole e ioni La materia è formata da atomi, particelle piccolissime. Fino alla fine dell'800 si pensava che fosse la particella più piccola. In realtà al di sotto dell'atomo ci sono altre particelle a partire dalla scoperta dell'elettrone. Fu Democrito nel V secolo a.C. a intuire la presenza degli atomi. I filosofi greci si basavano sulle intuizioni, perché avevano scarsa considerazione del lavoro manuale. I greci ebbero intuizioni geniali come quella dell'esistenza degli atomi. L'atomo viene inteso come una particella infinitamente piccola, immutabile, indistruttibile e indivisibile. Questa ipotesi, tranne che per il periodo epicureo, andò nel dimenticatoio e venne ripresa nel '600. Il primo vero modello atomico su base sperimentale si deve a Dalton agli inizi del 1800. Dalton era debitore di altri scienziati che lo avevano preceduto: Lavoisier (considerato il primo chimico della storia) e Proust. Dalton elabora alcune informazioni a cui erano arrivati i primi due scienziati. La materia ha avuto molte interpretazioni durante il periodo in cui non veniva considerata valida la teoria atomica. Un esempio è la teoria dei 4 elementi (aria, acqua, fuoco, terra) elaborata sempre dai greci. Questa teoria subisce ulteriori modifiche nel corso degli anni. Anche i cinesi elaborarono una teoria simile (5 elementi) indipendentemente dai greci. Con il 1600 si ha il periodo spartiacque della storia della chimica, al quale segue poi il '700 con lo sviluppo della chimica. Quella teoria non è del tutto morta perché Lucrezio aveva ripreso il concetto di atomi nel De rerum natura poiché aveva ripreso Democrito attraverso Epicuro. Questa teoria viene rielaborata in chiave sperimentale da Dalton. Ancora non si conosceva nessuna particella subatomica. Per tutto l'800 si pensava ancora che l'atomo fosse indivisibile. Questa teoria, insieme alle leggi fondamentali della materia, dà avvio a quella che è l'era della chimica moderna.

Legge di conservazione della massa

Lavoisier nel '700 studia sperimentalmente le trasformazioni chimiche e osserva ciò che lo porta a enunciare la legge di conservazione della massa. Questa legge dice che in una reazione chimica la massa dei reagenti e dei prodotti è costante. "Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma"

Legge delle proporzioni definite

Proust tra il '700 e l'800 riesce a dare un contributo scomponendo composti minerari negli elementi costitutivi e ne misura le quantità. Misurando una serie di minerali si accorge che c'è una ripetizione delle quantità e delle proporzioni con cui si compongono queste sostanze nei minerali. Capisce che in un composto il rapporto tra le masse degli elementi è definito e costante. Questa è la legge delle proporzioni definite. Es. Na + Cl in rapporto 1:1 porta alla formazione del cloruro di sodio. 12Na + 12CI -> 24 NaCl 23 g Na + 35,4g CI -> 58,4 g NaCI Queste quantità sono esattamente una mole di ogni elemento. 24 sfere complessive sono alternate. La massa dei reagenti deve essere uguale alla massa dei prodotti. Se divido tutto si forma la metà dei prodotti di prima perché avevo metà dei reagenti. Si mantiene il rapporto di 1:1. Proust va oltre Lavoisier perche trova che gli elementi si combinano in rapporti sempre costanti per formare un composto. Nel NaCl un Na si combina sempre con un Cl. Il rapporto in massa tra Na e CI è sempre 1:1. La massa del CI è sempre 1,54 volte maggiore la massa del Na. Le due leggi sono le leggi fondamentali della materia sono state la base per Dalton per elaborare la prima teoria atomica su base sperimentale.

Legge delle proporzioni multiple

Dalton osserva che alcune coppie di elementi in alcuni composti possono combinarsi tra loro in modo diverso se danno composti diversi. A volte la stessa coppia di elementi può dare origine a più di un composto. Allora è mutato il rapporto di combinazione. Es. C + O -> CO monossido di carbonio C + 20 -> CO2 un carbonio si combina con 2 ossigeni Non sono cambiati gli elementi ma è cambiato il rapporto tra essi. Il CO è letale perché blocca la catena respiratoria, la CO2 no. Questo avviene perché è cambiato il rapporto di combinazione. 1g C + 1,33g O -> 2,33g CO Queste quantità sono necessarie in questo modo per il rapporto di combinazione. Se invece raddoppio la quantità di O 1g C + 2,66g O -> 3,66g CO2 Dalton ha scoperto che due stessi elementi potevano formare più composti al variare del rapporto di combinazione. Questa è la legge delle proporzioni multiple. "Quando due elementi si combinano tra loro in rapporti ponderali diversi per dare origine a composti diversi, mantenendo costate la quantità in peso di uno di essi le quantità dell'altro variano secondo rapporti semplici, cioè multipli interi della quantità minima" Dalton ha messo insieme le leggi di Lavoisier e di Proust.

Teoria di Dalton

Nel 1808 è arrivato a riprendere la teoria di Democrito. Teoria di Dalton:

1. Gli elementi sono costituiti da particelle estremamente piccole chiamate atomi (secondo Dalton Democrito aveva ragione). Gli elementi stessi sono costituiti da atomi che si combinano in numeri interi per formare dei composti.
2. Tutti gli atomi di un dato elemento sono identici e hanno le stesse dimensioni, masse e proprietà chimiche, ma differiscono dagli atomi di tutti gli altri elementi
3. Una reazione chimica coinvolge solo la separazione, la combinazione o il riarrangiamento degli atomi; il suo risultato non è la loro creazione dal nulla o la loro distruzione
4. I composti sono formati da atomi di almeno due elementi diversi. Un dato composto ha sempre lo stesso numero relativo di atomi di ciascuno dei suoi elementi costitutivi

Vuol dire che la materia è fatta da atomi che si muovono e si combinano interi. Dalton è vissuto in un'epoca in cui non si pensava che potessero esserci particelle più piccole degli atomi. Non aveva i mezzi per poter scoprire le particelle subatomiche. Nonostante non si sapesse questo non gli impedì di arrivare a una prima teoria atomica su base sperimentale. Atomi di elementi diversi sono essi stessi diversi. Dalton definisce l'atomo come una particella estremamente piccola e indivisibile.

Struttura dell'atomo

È costituito da un nucleo al cui interno ci sono protoni e neutroni e intorno al nucleo girano gli elettroni. I protoni hanno carica +, i neutroni 0. Il nucleo ha carica positiva in base al numero di protoni. Fu Millikan a trovare una misurazione più o meno esatta della carica del protone: 1,602 x 10-19 C. questa unità è stata chiamata carica elettronica e ha valore +1 per il protone e -1 per l'elettrone. I singoli atomi interi sono neutri. Significa che ci deve essere lo stesso numero di protoni ed elettroni. Gli elettroni si muovono intorno al nucleo e neutralizzano la carica positiva dei protoni.