Chimica generale con elementi di chimica

inorganicaProf. Mario Piccioli

Dipartimento di Chimica &Centro di Ricerca di Risonanze Magnetiche (CERM)

Via L. Sacconi 6 50019 Sesto Fiorentino

TELEFONO: 055-4575265 o 055-4573317

Email: piccioli@cerm.unifi.it

www.cerm.unifi.it

Testi consigliati

Bertini, Luchinat, Mani CHIMICA, CEA Ambrosiana ISBN-88-408-1285-7

Bertini, Mani STECHIOMETRIA, CEA Ambrosiana ISBN-88-408-0930-9

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http://www.cerm.unifi.it/home/people/piccioli.html

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Riepilogo

Periodo: dal febbraio 2009 al settembre 2009

Studenti iscritti: circa 200

Esame superato: 53 su 200 voto medio: 25,4Scritto superato: 45%Orale superato 86%

Riepilogo

Periodo: dal gennaio 2012 al settembre 2012

Esame superato: 79voto medio: 25,3

LEZIONE 1

Miscele - composti - elementi

Struttura dell’atomo - isotopi - ioni

Molecole - formule molecolari

Pesi- peso formula - peso atomico - peso molecolare

Mole

Tavola Periodica

La materia

La materia e’ tutto cio’ che possiede massa ed occupa

spazio

Le miscele

la materia è costituita da miscele omogenee o eterogenee di sostanze pure o individui chimici

Una miscela omogenea è un sistema monofasico

La fase è una parte di un sistema fisicamente definita, ed è caratterizzata da proprietà chimiche e fisiche costanti al suo interno

Esempi di miscela omogenea sono l’acqua di mare, l’aria.

Le sostanze

La materia è costituita da sostanze

Quando esse sono formate da atomi di una sola specie atomica si chiamano sostanze elementari

Quando esse sono formate da atomi di specie diverse si chiamano sostanze composte o composti

La materia e la sua composizione

Miscele vs Composti o elementi

Miscele

Ferro

Acqua potabile

acciaio

Composti o elementi

Acqua

Fe

H2O

Carbone carbonio

Acqua marina

La Composizione dell’Atmosfera

Componenti Principali, % in volume

• Azoto (N2): 78,08%

• Ossigeno (O2): 20,95%

• Argon (Ar): 0.93%

• Vapore acqueo (H2O): 0,33%

• Anidride carbonica (CO2): 0,032% (320 ppm)

La Composizione dell’AtmosferaComponenti Secondari

• Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm)• Elio (He): 0,0005% (5 ppm)• Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm)• Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm)• Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm)• Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm)• Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm)• Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di

azoto (NO, NO2, N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

Miscele omogenee vs eterogenee

Miscele omogenee

Soluzioni

gas

Lega (acciaio-ottone)

Miscele eterogenee

Sospensione

Fumo- nebbia schiuma-gel

Materiali compositi

rocceBenzina

plastica plastica

Composti

Sono costituiti da atomi di specie diverse.

Possono essere formati da:

•Molecole

•Concatenazioni di atomi

•Ioni

acqua

ferro

sali

diamante

Stechiometria dei 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.

H2O CO2 O2 CO NaCl H2SO4

Formula minima o molecolare

Esiste la formula dell’acciaio? e della benzina? dell’acqua minerale?

Miscele vs. Composti

La composizione di un composto é costante ed invariabile

La composizione di una miscela è variabile

Le molecole

Le molecole sono aggregati discreti di atomi tenuti insieme da legami chimici

Elementi•Il numero di composti e molecole presenti in natura é , virtualmente, infinito

L’infinito numero di molecole presenti in natura deriva dalla combinazione, di un numero limitato di atomi. Le specie atomiche presenti in natura sono 90.

Essi sono gli ELEMENTI

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.

Teoria atomica della materia

•La materia e’ 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 puo’ 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

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)

0 0 1.6749 x

10-24 g

1.0087

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.

Proporzione: 100m vs 1mm

Nuclidi

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.

XA

Z

C12

6H

1

1 O16

8

Isotopi

C12

6C

14

6

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.

Le specie atomiche sono 106, di cui 90 naturali; di queste, 81 hanno almeno un nuclide stabile.

Isotopi naturali di alcuni elementi 

Nuclide Massa relativa % di nuclidi

1H 1,007825 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 1006Li 6,015126 7,427Li 7,01605 92,589Be 9,012186 ~ 100

10Be 10,013535 tracce10B 10,012939 19,611B 11,009305 80,411C 11,011433 tracce12C 12, 98,8913C 13,003354 1,1114C 14,003142 tracce

Tavola periodica

Ioni

Un elemento e’ caratterizato dal suo numero atomico.

Nell’atomo neutro il numero di elettroni e’ 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•Insieme continuo di atomi

Es: H2, N2, Ar, He, Fe, P4

molecola

No molecola

No molecola

Le formule delle sostanze

Le sostanze elementari ed i composti sono rappresentati graficamente con simboli convenzionali: Le formule chimiche

FORMULA MINIMA (stechiometrica o elementare): si ricava dall’analisi elementare della sostanzaEs NaCl; H8O4N2S; SiO2

FORMULA MOLECOLARE: Quanti atomi di ciascun elemento entrano a fare parte di una molecola dicompostoEs: O2, H2O2, C6H6, P4, H2O, CO2

Alcune sostanze NON sono costituite da molecole discrete e pertanto esse sono identificate dalla sola formula minima: Es: NaCl, CaCl2, Fe, C, SiO2

IMPORTANTE: riguarda la definizione di molecola

Le formule delle sostanzeFORMULA 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

H8O4N2S (NH4)2SO4

Quste due formule rappresentano la stessa sostanza. Solo una delle due è correttaQuale e perché?

Le formule delle sostanze

FORMULA DI STRUTTURA: Rappresentazione schematica della disposizione nello spazio degli atomi in una molecola

CO2, CH4, C2H6O, HNO3

CH3CH2OH, H+, NO3-

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)

0 0 1.6749 x

10-24 g

1.0087

Massa atomica relativa dei nuclidi

La massa di un nuclide è troppo piccola rispetto all’unità di misura 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.

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.

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 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 100

IsotopiAtomi diversi dello stesso elemento

Stesso numero di protoni

Diverso numero di neutroni

Diverso numero di massa Stesso numero atomico

C612

C614

C613

H11

H13

H12

Cl17

35

Cl17

37

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 99,9852H 2,014102 0,015

3He 3,016030 ~ 10-4

4He 4,002604 ~ 100

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 tracce12C 12, 98,8913C 13,003354 1,1114C 14,003142 tracce

Tavola periodica

somma dei pesi atomici di tutti gli elementi contenuti in una molecola di una sostanza elementare o di un composto

1. I2: 126.9x2= 253.8

2. H2SO4: (1.00798 x 2) + 32.064 + (15.999 x 4) = 98.076

Peso Molecolare

Quando una sostanza non è formata da molecole discrete ma da un insieme infinito di atomi o

ioni

1. NaCl: 22.9898 + 35.453 = 58.443

2. K2Cr2O7: (39.10 x 2) + (51.996 x 2) + (15.999 x 7) = 294.2

Peso formula

Peso atomico, peso molecolare, peso

formula sono in realtà

delle masse

La moleLe grandezze fondamentali e le unita' di misura nel

Sistema Internazionale (SI) 

 

Grandezza fondamentale

Unita’ Simbolo

lunghezza metro m

massa kilogrammo Kg

tempo secondo s

corrente elettrica ampere A

temperatura kelvin K

intensita’ luminosa candela cd

quantita’ di sostanza

mole mol

La mole è la quantità di sostanza che contiene un numero N di particelle che

devono essere specificate.

La mole

N è il numero di nuclidi che stanno in esattamente 12 g

di 12C.

La massa in g di una mole di 12C è per definizione 12 g.

La mole

N = 6,0221367(36) ×1023

Poiché N è un numero per mole, esso ha unità di misura

mol-1 ed è chiamata costante di Avogadro. 

N = 6,0221367(36) ×1023 mol-1

Una mole di 23Na è la quantità di sostanza che contiene N atomi di

23Na

La mole

Mole e massa molare

Moli di sostanze diverse hanno peso diverso !

In una reazione o in una formula chimica contano le moli, non i grammi!

Mole e massa molare

Una mole di sostanza diverse ha peso diverso !

In una reazione o in una formula chimica contano le moli, non i grammi!

Es: 2H2 + O2 2H2O

Massa molare

Rapporto fra massa (in grammi) e quantità di sostanza (in moli), quindi ha come unità di misura g mol-1. Si indica con M

Stechiometria

grammi di sostanza= massa molare X n.moli

Massa molare= grammi/ n.moli

n. moli= grammi/ massa molare

g=g*mol-1*mol

g *mol-1 =g/mol

mol =g/g*mol-1

Facciamo subito un po’ di esercizi

grammi di sostanza= massa molare X n.moli g=g*mol-1*mol

g= M x n

Facciamo subito un po’ di esercizi

Quanto pesano 20 moli di acqua ?

Quante moli di acqua ci sono in 1,00 dm3?

Quante molecole ci sono in un bicchiere di acqua?