Elementi di Chimica: materia e composti organici per la Scuola superiore

UNITÀ 1.1 ELEMENTI DI CHIMICA

4 K Ca Sc V +4 +5 50,94 47,88 Titanas Vanadis 51,94 Cromas nas Geleži 58,93 Kobaltas Vikelis 39,10 Kalıs +1 38 39 +3 40 +4 41 +3 +5 5 Rb Y Zr Nb Mo TO Ru Rh I d 6,42 85,47 87,62 89,91 91,22 92,91 95,9 (97 101,0 Rubus 00 Stoncis Skandis Cirkonis Niobis Moyenas Ted ecis Rut Paladis +2 72 +4 73 +3 7 +2 75 +2 767 6 a Hf Ta +5 +4 +4 O Pt +8 +5 +6 .7 +8 1 7,33 178,49 180,95 183,85 Cezs Bas Baris Hafnis Tany as Volframas taras| Ren es Osmis C 8 +2 104 +4 10/+5 db 106 107 10 109 11 10 7 F iFr Ra a Rf (261.1) (262) 100 100 -100 100 26 100 - 9 0 90 HESSE. 80 90 he J:190 90 - 80 ¥ 80 80 180 80 L74 60 60 -- 50 60 -160 0 60 0 50 - 40 .50 D 50 0 50 40 - 30 40 S 30 30 - 20 30 20 20 10 30 20 10 MODULO 1 78 + +4 +3 +3 N R +6 100. Sg ml m ml ml ml ml P zer- Syborgis - 90 90 90 100 2E Mimit U ml (2) (6,02) Radis 90 Hace 80 0 0 40 ) 30 10 30 10 20 3,69 40,09 Ką IS +2 44,96 Skandis +2 +3 +4 +5 +4 90.2 10 50 40 0 RaPag. 2

La materia

• È tutto ciò che ci circonda
• La materia è formata da atomiPag. 3/1

Elementi e composti

• Elementi: sostanze costituite da un solo tipo di atomi sono chiamate ELEMENTI
• Esempi: cloro (CI), idrogeno (H), ossigeno (O)
• Composti: sostanze costituite da più di un tipo di atomi
• Esempi: acqua (formata da idrogeno e ossigeno I HO)
• Gli elementi esistenti sono circa 100 e sono ordinati nella tavola periodica degli elementiPag. 3/2

Elementi e composti: Tavola Periodica

PERIODI I GRUPPI IA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI VIII A GAS NOBILI 1 1 H Idrogeno 1,006 II A 3 2 Li Litio 6,941 4 Be Berillio 9,012 3 11 Na Sodio 22,99 12 Mg Magnesio 24,305 III B IV B VB VIB VIIB VIII B IB II B 19 4 K Potassio 39,096 20 Ca Calcio 40,08 21 Sc Scandio 44,96 22 Ti Titanio 47,90 23 V Vanadio 50,94 24 Cr Cromo 52,0 25 Mn Manganese 54,94 26 Fe Ferro 55,85 27 Co Cobalto 58,93 28 Ni Nichel 58,70 29 Cu Rame 63,55 30 Zn Zinco 65,38 31 Ga Gallio 69,72 Ge Germanio- 72,59 33 As Arsenico 74,92 34 Se Selenio 78,96 35 Br Bromo 79,904 36 Kr Kripto 83,80 5 Rb Rubidio 85,47 38 Sr Stronzio 87,62 39 Y Ittrio 88,91 40 Zr Zirconio 91,22 41 Nb Niobio 92,91 42 Mo Molibdeno 95,94 74 W Tungsteno (Volframio) 183,85 75 Re Renio 186,2 76 Os Osmio 190,2 77 Ir Iridio 192,2 78 Pt Platino 195,09 79 Au Oro 197,0 80 Hg Mercurio 200,59 81 TI Tallio 204,37 82 Pb Piombo 207,2 83 Bi Bismuto 208,98 84 Po Polonio [209] 85 At Astato [210] 86 Rn Radon [222] 7 87 Fr Francio [223] 88 Ra Radio 226,03 89 ** Ac Attinio [227] 104 Kù [Kurciatowio [261] 105 Ha Hahnio [262] * LANTANIDI - .- ** 90 Th Torio 232,03 91 Pa Protoattinio 231,0 92 U Uranio 238,03 93 Np Nettunio 237,0 94 Pu Plutonio [244] 95 Am Americio [243] 96 Cm Curio [247] 97 Bk Berkelio [247] 98 Cf Califomio [251] 99 Es Einstenio [254] 100 Fm Fermio [257] 101 Md Mendelevio [258] 102 No Nobelio [259] 103 Lw Lawrenzio [260] ATTINIDI 58 Ce Cerio 140,12 59 Pr Praseodimio 140,92 60 Nd Neodimio 144,24 61 Pm Promezio [145] 62 Sm Semario 150,35 63 Eu Europio 152,0 64 Gd Gadolinio 157,25 65 Tb Terbio 158,93 66 Dy Diaprosio 162,50 67 Ho Olmio 164,93 68 Er Erbio 167,26 69 Tm Tulio 168,93 70 Yb Itterbio 173,04 71 Lu Lutezio 174,97 55 6 Cs Cesio 132,90 56 Ba Bario 137,34 57 *La Lantanio 138,90 72 Hf \Afnio 178,49 73 Ta Tantalio 180,95 43 Tc Tecnezio [99] 44 Ru Rutenio 101,1 45 Rh Rodio 102,91 46 Pd Palladio 106,4 47 Ag Argento 107,9 48 Cd Cadmio 112,40 49 In Indio 50 Sn Stagno 118,69 51 Sb Antimonio 121,75 Te Tellurio 127,60 lodio 126,90 Xenon 131,30 114,82 14 Si Silicio 28,09 15 AI P Fosforo 30,97 16 S Zolfo 32,08 17 CI Cloro 35,45 18 Ar Argon 39,948 Alluminio 26,98 C Carbonio 12,011 7 N Azoto 14,007 8 9 4 NOME GASSOSI MASSA ATOMICA. SOLIDI IIIA IVA VA VIA VIIA 4,003 LIQUIDI + SIMBOLO 5 6 B Boro 10,81 ELEMENTI ARTIFICIALI 13 · Le parentesi quadre indicano che l'elemento è ottenuto per trasformazioni radioattive 30 Zn Zinco 65,38 NUMERO ATOMICO 2 He Elio F Fluoro 19,0 10 Ne Neon 20,179 37 52 53 54 Xe H 32 O Ossigeno 16,0Pag. 4

Atomi e struttura atomica

• Atomo: la più piccola porzione di un elemento che ne conserva le proprietà
• L'atomo è costituito da un nucleo (formato da protoni e neutroni) e da elettroni che gli ruotano attorno Particella Massa u * Carica Protone 1 + 1 Neutrone 1 0 Elettrone 1/1836 -1

* u = unità di massa atomica, pari a 1/12 della massa dell'atomo di carbonio.Pag. 5/1

Molecole e formule chimiche

• Molecola: insieme di atomi (uguali o differenti) uniti mediante legami chimici
• Molecola: la più piccola parte di una sostanza che ne conserva tutte le sue proprietà O2 N2 ossigeno azoto H2O acqua CO2 C4H10 diossido di carbonio = idrogeno = ossigeno = azoto = carbonio butanoPag. 5/2

Molecole e formule chimiche: Nomenclatura

• Le molecole sono identificate da un nome scientifico e da una formula chimica NaCl NaClO NaHCO 3 cloruro di sodio ipoclorito di sodio idrogenocarbonato di sodioPag. 6

I legami chimici

• Gli atomi si legano tra di loro mediante forze dette legami chimici
• In questo modo gli atomi raggiungono una situazione energetica più stabile
• Tipi di legami:
• primari (tra atomi): ionico, covalente
• secondari (tra molecole): ponte idrogeno, forze di Van der WaalsPag. 7

L'acqua e il legame idrogeno

• La molecola di acqua è polare formazione di legami idrogeno = + H + + H H. + H legame idrogeno
• Da questi legami derivano le peculiarità dell'acqua (ad es. "solvente universale")Pag. 8/1

Le reazioni chimiche

• Sono trasformazioni delle sostanze riordinamento degli atomi A+ B- C+D reagenti prodotti A + B -> C + D Reazione irreversibile (la reazione procede da sinistra verso destra) A + B z C+D Reazione reversibile (la reazione procede in entrambi i sensi)Pag. 8/2

Le reazioni chimiche: Tipi

Reazioni di sintesi

A+ B -> AB Ad esempio: H2 + S > H2S idrogeno zolfo solfuro di idrogeno

Reazioni di analisi

AB -> A + B Ad esempio: CaCO3 > CaO + CO, 2 carbonato ossido di calcio di calcio diossido di carbonio

Reazioni di scambio semplice

AB + C > AC + B Ad esempio: 2 CH3COOH + 2 Na -> 2 CH3COONa + H2 acido acetico sodio acetato idrogeno di sodio

Reazioni di doppio scambio

AB + CD -> AC + BD Ad esempio: CH, COOH + NaOH -> CH, COONa + H,O acido acetico idrossido acetato acqua di sodio di sodioPag. 9

Reazioni chimiche ed energia

• Reazioni esoergoniche o esotermiche energia. Ad es: -> liberano CH +20 4 2 2 H2O + energia 2 (combustione del metano)
• Reazioni endoergoniche o endotermiche richiedono energia. Ad es. 6 CO. +6 H O + energia 2 2 -CHO+60 6 12 6 2 (fotosintesi clorofilliana)Pag. 10

Acidi, basi, sali

• Acidi: hanno sapore acido, colorano di rosso la cartina al tornasole, in acqua liberano H+
• Basi (o alcali): hanno sapore amaro, colorano di blu la cartina al tornasole, in acqua liberano OH- Reazione di neutralizzazione: acido + base -> sale + acquaPag. 11

Il pH

• E una grandezza che esprime la concentrazione di H+ presente in una soluzione BICARBONATO DI SODIO puro SUCO LATTE AMMONIACA POMOD 0 ACETO birra - succo di pomodoro caffè - carote latte - urina acqua distillata - sangue acqua di mare soluzione di bicarbonato sapone da bucato ammoniaca per uso domestico liquido per foto sviluppo soluzione concentrata soda di NaOH 0 1 2 | 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ACIDITÀ CRESCENTE NEUTRALITÀ BASICITÀ CRESCENTE soluzione concentrata di HCI succo gastrico succo di limone aceto - vinoPag. 12

I composti del carbonio

• Esistono numerosissimi composti del carbonio sono oggetto di studio della chimica organica
• carbonio tende a formare 4 legami covalenti -C-C- -C=C- -C=C- legame semplice legame doppio legame triplo 1 - -C-C-C-C-C- - - -C- - C- -0- -C- catena carboniosa a struttura ramificata 1 -C-C-C-C-C-C-C-C- - - catena carboniosa a struttura lineare I -C- -C C- - ǁ C- C catena carboniosa a struttura ciclica (chiusa) = idrogeno = carbonio = ossigeno = azoto = cloro 1Pag. 13

Il gruppo funzionale

• Insieme di atomi da cui derivano le proprietà del composto di appartenenza Principali gruppi funzionali in chimica organica Nome del gruppo (o caratteristica) Struttura Classe di composto Esempi Legame semplice -C-C- Alcani Etano CH3CH3 Legame doppio -C=C- Alcheni Etene o etilene CH2=CH2 Legame triplo -C= C- Alchini Etino o acetilene CH=CH Anello e legami semplici Cicloalcani Ciclopentano C5H10 Anello e legami doppi Idrocarburi aromatici (o composti aromatici) Benzene C6H6 Ossidrilico (o ossidrile) -OH Alcoli Alcol metilico o metanolo CH3OH Aldeidico (o carbonile) -CHO Aldeidi Aldeide formica HCHO Chetonico (o carbonile) -CO- Chetoni Propanone o acetone CH3COCH3 Carbossilico (o carbossile) - COOH Acidi carbossilici Acido acetico CH3 COOH Etereo -0- Eteri Etere dietilico CH3CH2OCH2CH3 Estereo -COO - Esteri Acetato di metile CH3 COOCH3 Amminico (o ammino) -NH2 Ammine Metilammina CH3NH2 1Pag. 14

Formule e isomeria

• Formula bruta: ad es. C H O 3 '4
• Formula di struttura: ad es. H H C= C-C= 0 I H H
• Isomeri: composti che hanno lo stesso numero di atomi, dello stesso tipo, ma legati in modo differente
• Gli isomeri di struttura hanno la stessa formula bruta ma diversa formula di struttura CH3- CH2- CH2- OH 1 - propanoloPag. 15

Isomeri geometrici

• Si trovano nei composti organici che presentano legami doppi. Ad es. H H H C1 C=C C=C CI C1 C1 H isomero cis isomero trans
• Gli isomeri geometrici hanno proprietà fisico-chimiche e biologiche differentiPag. 16

Gli idrocarburi

• Composti organici formati esclusivamente da atomi di carbonio e atomi di idrogeno
• Classificazione: H H-C-H
• saturi o alcani - H metano H H C=C etino H H etene
• aromatici benzene HC=CH . insaturi (alcheni e alchini)Pag. 17

Alcoli e fenoli

• Alcoli = si caratterizzano per il gruppo funzionale ossidrilico (-OH)
• Esempi: alcol metilico o metanolo, alcol etilico o etanolo
• Fenoli = si caratterizzano per il gruppo funzionale ossidrilico (-OH) legato a un anello aromatico
• Esempio: fenolo OH fenoloPag. 18

Aldeidi e chetoni

• Si caratterizzano per il gruppo carbonile C=0
• È un gruppo molto reattivo -> molto importante nelle biomolecole
• Nelle aldeidi il gruppo carbonile è terminale, ad es. aldeide formica o formaldeide
• Nei chetoni il gruppo carbonile è situato all'interno della molecola, ad es. propanone o acetone H3C. H3C C=O propanone