CORSO DI CHIMICA II

Note 1

Richiami di alcuni concetti fondamentali

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Parole Chiave: Sostanza, sostanza pura, macroscopico, microscopico, reazioni, monomero, dimero, legge di Avogadro, mole, quantità di sostanza, costante di Avogadro, grandezze fondamentali, discreto, proprietà emergenti

  

 

Sostanze e sostanze pure

Si dice SOSTANZA un materiale che possiede caratteristiche fisiche e chimiche ben definite.

Tali caratteristiche fisiche e chimiche possono essere:

I chimici si interessano prevalentemente di SOSTANZE PURE cioè quelle sostanze che hanno composizione uniforme in ogni loro parte, come ad esempio del cloruro di sodio (sale da cucina ).

 Del concetto di sostanza pura si possono dare due letture diverse, una LETTURA MACROSCOPICA e una LETTURA MICROSCOPICA

 A livello MACROSCOPICO si dice che una sostanza è pura quando mantiene le stesse proprietà se mantiene le stesse proprietà quando è sottoposta a ripetute purificazioni (ad es., cristallizzazioni)

A livello MICROSCOPICO si dice che una sostanza è pura quando è costituita in ogni sua parte da eguali insiemi di particelle microscopiche, ad es.: atomi, molecole, ioni...

 Livello macroscopico e microscopico

 Una proprietà a livello macroscopico corrisponde ad una quantità che posso misurare con strumenti che 'lavorano' del nostro mondo sensoriale (la massa di un campione di sostanza); invece quando dico che la sostanza è formata da molecole di CaSO4 parlo di una proprietà a livello microscopico. L'indagine sperimentale sul livello microscopico avviene di solito con l'uso di radiazioni elettromagnetiche, campi, rivelatori particolari, etc.

La distinzione fra i due livelli è fondamentale, anche perché i chimici utilizzano un linguaggio molto sintetico che accomuna i due livelli sotto gli stessi simboli. Prendiamo ad esempio la reazione fondamentale:

C + O2 ® CO2

La posso leggere attraverso il livello MACRO: 12g di C + 32g di O2 danno 44g di CO2

E attraverso il livello MICRO: 1 atomo di carbonio + 1 molecola di ossigeno formano1 molecola di CO2

Le reazioni chimiche

Consideriamo tre reazioni in cui tre elementi diversi reagiscono con ossigeno:

 1) C + O2 ® CO2

2) 2H2 + O2 ® 2H2O

3) S + O2 ® SO2

La reazione 2 avviene a livello macro considerando 2 volumi di idrogeno + 2 volumi di ossigeno che danno un totale di 2 volumi di acqua.

Ci si può chiedere se esista una proprietà transitiva fra le sostanze. Se O2 reagisce con gli elementi degli esempi in certe proporzioni, queste proporzioni dovrebbero essere significative anche per le reazioni degli elementi fra di loro. Così non è.

Il carbonio reagisce con una quantità di H che corrisponde a O2:

C + 2H2 ® CH4

Ma le reazioni di C con S e di S con H avvengono diversamente:

C + 2S ® CS2

S + H2 ® H2S

 Come sappiamo da Chimica I occorre tener conto dello stato di ossidazione

Consideriamo le due reazioni seguenti:

2NO + O2 ® 2NO2

2NO2 ® N2O4

La prima reazione è di ossidazione, la seconda è di dimerizzazione. NO2 viene chiamato MONOMERO, N2O4 viene chiamato DIMERO. Queste reazioni avvengono in fase gassosa. La reazione seguente avviene in soluzione (la presenza di acqua come solvente viene indicata con aq).

AgNO3 (aq) + NaCl (aq) ® AgCl (s = solido) +NaNO3 (aq)

questa reazione è stata utilizzata per trovare ioni argento (utilizzando ioni cloro come reattivo) e ioni cloro (utilizzando ioni argento come reattivo).

HO UNA REAZIONE CHIMICA QUANDO HO UNA TRASFORMAZIONE DELLE SOSTANZE

 Le reazioni fra gas e la legge di Avogadro

Consideriamo la reazione:

 


2 volumi di idrogeno + 1 volume di ossigeno ® 2 volumi di acqua

Perché non ho 3 volumi di acqua come totale?

 L'ipotesi (ora divenuta legge ) che volumi uguali di gas diversi, misurati nelle stesse condizioni di pressione e di temperatura, contengono un egual numero di molecole fu introdotta da AVOGADRO nel 1811 allo scopo di dare un'interpretazione teorica ai dati sperimentali ottenuti da Gay-Lussac, su reazioni come quella tra idrogeno e ossigeno. Se però un volume di ossigeno contiene 'abbastanza' molecole per dare due volumi di acqua, questo vuol dire che le molecole di ossigeno si devono 'spezzare' per poter far partecipare una singola particella di ossigeno (un atomo di O) in una molecola di acqua

 Il concetto di mole

 I chimici usano un sistema "elegante" per unire i due livelli macro e micro ed è il concetto di MOLE.

 Si definisce MOLE una quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio12.

 La mole si riferisce SOLTANTO ad entità particellari microscopiche (fotoni, ioni...);il riferimento è un particolare isotopo del carbonio.

 La costante di Avogadro vale circa 6,02 1023 mol-1. La costante di Avogadro NON è un numero!

 La mole non è una massa, e non è un peso, ma possiamo dire che una quantità di sostanza ha massa e ha peso (una mole di sostanza ha una massa / peso di...)

La massa è una grandezza RELATIVISTICA cambia il suo valore a seconda della velocità.

La mole NON è una grandezza RELATIVISTICA ma è una grandezza INVARIANTE rispetto alla velocità e non può mai essere confusa con la massa che invece varia.

 Le grandezze fondamentali

 Si intende per grandezza fondamentale un concetto generale che mi permette di classificare enti fisici in classi all'interno delle quali possono essere sommati, moltiplicati e confrontati mediante una relazione d'ordine.

 Si intende per unità di misura una grandezza di riferimento (es: il metro).

 LUNGHEZZA: dietro questa grandezza c'è un concetto di uso / proprietà.

 MASSA: si prendono degli oggetti di riferimento e si misura la massa dell'oggetto (nella realtà storica e nella consuetudine odierna si confrontano dei pesi, ossia delle forze).

 Queste due grandezze sono state le prime ad essere calcolate.

 TEMPO: la misura del tempo è arrivata con la nascita dei calendari, nati essenzialmente per motivi agricoli.

 Il termine DISCRETO significa se c'è separatezza fra due elementi (es: due atomi sono discreti cioè sono separati). Bisogna aver chiaro il significato di discreto perché

L'ENERGIA È DISCRETA cioè è fatta di quanti di energia e = hn

 

L'atomo di idrogeno nello stato fondamentale è nello stato di energia più basso. cioè l'elettrone è sull'orbitale 1s. In generale, se viene dato un quanto di energia qualunque l'atomo non lo cattura, a meno che non arrivi un determinato quanto, con un'energia che corrisponde ad un 'salto' DISCRETO da uno stato energetico ad un altro che viene catturato dall'atomo.

Esempi sull'uso del concetto di mole

Non esiste un campione di mole, come invece accade tuttora per il kilogrammo.

 Se ci chiediamo quanto volume occupa 1 mole di acqua? La risposta è che 18g di acqua occupano 18 cm3

1 mole di HgCl ha una massa di 236,04g , formula minima del cloruro mercuroso

1 mole di Hg2 Cl2 ha una massa di 472,08g

1 mole di 1/2 Ca2+ (ioni 'monovalenti' cioè solo metà degli ioni vengono conteggiati) ha una massa di 20,04g.

1 mole di Fe0,91S Attenzione: non è detto che la sostanza che sto trattando sia definita stechiometricamente da numeri interi; in questo caso si ha una massa di 82,88g.

1 mole di elettroni ha una carica di -96,49k/C = 1 Faraday e contiene 6,02 1023 elettroni

1 mole di fotoni n =1014 Hz ha un'energia di 39,90 kJ

Proprietà emergenti

 Possiamo considerare 3 moli di tre diverse sostanze:

 -1 mole di cloro Cl

-1 mole di cloruro di sodio NaCl

-1mole di sodio Na

 

Le tre sostanze sono caratterizzate da queste proprietà fisiche:

 Cl2 punto di fusione -103 gradi centigradi

NaCl punto di fusione 801 gradi centigradi

Na punto di fusione 97,8 gradi centigradi

Cl e Na sono sostanze 'aliene' sia per quanto riguarda la nostra vita, sia per quanto riguarda la natura; esse non esistono sotto forma libera. Quando reagiscono danno luogo ad una nuova sostanza molto utile per noi: il sale da cucina. Le proprietà fisiche, chimiche e fisiologiche della nuova sostanza sono il risultato della combinazione chimica dei due elementi di partenza. e sono tipiche PROPRIETA' EMERGENTI, cioè non riconducibili totalmente alle proprietà dei costituenti.