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Liceo Lugano 2. Corso base di chimica 1

Corso di chimica di base

• Libri di testo di riferimento:

James E. Brady, Fred Senese,

Chimica; La materia e le sue trasformazioni, ZanichelliCamponovo, Piccolo manuale tecnico, Edizioni Casagrande

• Sito web di riferimento: www.lilu2.ch/materie/chimica/De Vittori/portale di chimicaaccesso generale: nome utente= ospite / password= ospite


Riferimenti

• Lezioni: unità 0 e unità 1;• Esercizi: unità 0 e unità 1;• Esercizi unità 0 propedeutici al pensiero

chimico;• Libro di testo: cerca nei capitoli 1, 2, 3;• Sito web: documento « Dall’aria ai prodotti

tecnici di base ».


Due processi a confronto

Partendo dall’acqua liquida, con due tecniche diverse, è possibile ottenere materia allo stato aeriforme: in un caso si fornisce energia mediante riscaldamento (caso A), nell’altro caso si applica tensione elettrica (caso B).


Due processi a confronto

Processo BProcesso A


Processo A

Si osserva la produzione di grosse bolleall’interno del liquido (ebollizione). Cosa succede ponendo un vetro freddo sopra la superficie dell’acqua in ebollizione? E chiudendoil sistema?Come si definisce comunemente il prodottoaeriforme ottenuto dal processo di ebollizionedell’acqua?Il prodotto aeriforme possiede caratteristichefisiche diverse dal liquido (per es: densità, viscosità,…)?


Processo A: conclusioni

Possiamo affermare che il prodottoaeriforme sia diverso dal liquido di partenza?Possiamo affermare che non si tratti più di acqua?………………………………………….?


Processo B

Si osserva la produzione di bollicine aeriformialla superficie delle foglioline di platino (elettrodi)I volumi di aeriforme prodotti sulle due fogliolinesono uguali ? Il rapporto tra i volumi prodotti è costante e riproducibile?Vi è riscaldamento dell’acqua?E’ possibile pensare a due prodotti aeriformidiversi?E’ possibile pensare a prodotti aeriformi diversida quello del caso A?


Processo B: la produzione

I due volumi aeriformi possono essereriuniti in un cilindro capovolto.Individua una differenza essenziale traquesto nuovo sistema aeriforme e il prodotto aeriforme del caso A.Esso può essere ritenuto un materialeidentico all’aeriforme del caso A?Esso può essere ritenuto ancora« acqua »?


Processo B: i prodotti particolari

I due aeriformi prodotti vengono convogliati in due cilindri diversi; ci si avvicina ad essi con un fiammifero:si comportano allo stesso modo?si tratta di materiali uguali?hanno le stesse proprietà all’acqua?Il gas prodotto dall’acqua che dà il botto a contatto con l’acqua (se c’é una fiammella o unascintilla) è normalmente presente nell’aria?come vengono denominati i due prodotti?


Il confronto tra i due processi: fenomenologia

Separazione di componenti dell’acqua

Reversibilità del processo

Scomposizione in materiali diversi

Modifica dello stato di aggregazione

Produzione di nuovi materiali

Modifica delle proprietà chimiche

Modifica delle proprietà fisiche

BA


Tipi di processi: criteri e definizioniQuali aggettivi vengono utilizzati per definire i due processi ? Con quali criteri si possono distinguere?

miscelazioneDei materiali vengono uniti e mantengonole loro proproetà?

Incandescenza, dilatazione, strizione,..

Cambia solo lo stato fisico dei materiali?

Trasformazionechimica

Si formano nuovi materiali?

Passaggio distato

Cambia solo lo stato di aggregazione?

Criterio


Interpretazione microscopica dei due processi

La descrizione fatta dei due processi si basa su aspetti osservabili cioèmacroscopiciUna spiegazione delle osservazionimacroscopiche richiede un’interpretazioneteorica basata su modelli non osservabili: si ricorre a descrizioni basate su supposizioni non direttamente dimostrabili;


Interpretazione microscopica dei due processi

Un esempio di supposizione non direttamente dimostrabile (ipotesi):..possiamo ipotizzare che l’acqua siacomposta da particelle non osservabili(molecole)….Hai motivi a favore di quest’ipotesi?Hai motivi contrari?Può servire una simile ipotesi?


Interpretazione microscopica del processo di ebollizione


Interpretazione microscopica del processo di elettrolisi dell’acqua

- +

?



Con il modello ipotizzato é possibilespiegare il rapporto costante tra i volumi di gas prodotti?Occorrono nuove ipotesi?

IdrogenoOssigeno



Pesando i due volumi di gas prodotticontemporaneamente si ottiene un rapporto:

MO : MH = ? : ?si può ipotizzare un rapporto in massa trale particelle O e le particelle H?


Ipotesi di struttura microscopica dellamateria

Come si potrebbe ipotizzare la composizione delle particelle dell’acqua?

La coerenza dell’ipotresi con tutte le osservazioni disponibili ci permette ditramutare l’ipotesi in postulato: vedi i postulati della Teoria di Dalton


Riferimenti

• Lezioni: unità 2;• Esercizi: unità 2; • Libro di testo: cerca nel capitolo 4.


Conseguenze delle ipotesi proposte

Qual è la differenza essenziale tra un materiale come l’acqua e materiali quali l’idrogeno e l’ossigeno (che non possono più essere scomposti in altri materiali)?

Cosa implica a livello microscopico un processo cheproduce nuovi materiali (processo chimico)?

Quale differenza essenziale esiste tra un processochimico e un cambiamento di fase (come l’evaporazione)?

Il rapporto proposto per le masse delle molecole O e H trova un riscontro tra i dati della Tavola Periodica deglielementi per O e H?



Vogliamo combinare due materiali (ferroe zolfo) per ottenere un nuovomateriale:

• Di che processo si deve trattare?• Cosa dobbiamo aspettarci?

– Proprietà del prodotto

– Rapporto di combinazione tra ferro e zolfo



Come si possono applicare i principi propostialla reazione tra ferro e zolfo?

• Occorre considerare il rapporto quantitativo tra i due reagenti per stabilire la formula del prodotto

• Occorre formulare la reazione con una« equazione chimica » (formule di reagenti e prodotti)

• Occorre considerare le osservazioni di A. Lavoisier: « la materia non si crea e non si distrugge ma solo si trasforma » (cioè la massa totale rimane invariata)



Come si possono applicare i principiproposti alla distinzione tra processofisico e processo chimico?Interpretiamo i processi in base a particelle chesi separano, si uniscono, si ricombinano …..


Le proprietà di idrogeno e ossigeno

Quale dei due gas si comporta da combustibile e quale da comburente?Come si può dimostrare che l’ossigeno èpresente anche nell’aria?Qual è l’origine dell’energia che si sviluppanella reazione tra i due gas?Che relazione esiste tra processoelettrolitico e processo di combustione?


Le proprietà di idrogeno e ossigeno

Qual è il flusso dell’energia nel processoglobale: acqua-> idrogeno + ossigeno -> acquaChe similitudine si può proporre con un processo meccanico, per esempio il sollevamento di un corpo?


Riferimenti

• Lezioni: unità 3;• Esercizi: unità 3;• Libro di testo: cerca nei capitoli 2, 5 e 15.


La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno

Una « bolla » di idrogenocircondata d’aria (di cuil’ossigeno è il 20%)

Una « bolla » di idrogeno e ossigeno miscelati

Due superfici porose, un elettrolita e un circuito elettrico


La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno

• Cambia la quantità di energia liberata neitre casi?

• Cambia la forma di energia ottenuta nei trecasi? Quali sono queste forme?

• In quale caso si può ottenere la maggiorquantità di lavoro meccanico?

• In quale caso si ottiene la maggiorquantità di entropia?


Da cosa dipende la velocità di un processochimico?

• In quale caso la velocità della reazione èmassima?

• Quali fattori determinano la velocità dellareazione?

• Come vengono applicati questi principi alla sintesi dell’ammoniaca, dell’acido solforico e dell’acido nitrico (videate 31-33)?

• Come vengono applicati questi principi al cracking delle frazioni petrolifere pesanti(videata 34)?


Da cosa dipende la resa di un processochimico?

In un sistema chiuso i reagentinon si convertono mai completamente nei prodotti; a seconda delle condizioni (in particolare p e T) si crea unasituazione di equilibrio trareagenti e prodotti nella qualele loro quantità diventanocostanti nel tempo se le condizioni non variano.


La sintesi industriale dell’ammoniaca


La sintesi industriale dell’acido solforico


La sintesi industriale dell’acido nitrico


Petrolchimica: il cracking catalitico


Riferimenti

• Lezioni: unità 4;• Esercizi: unità 4; • Libro di testo: cerca nei capitoli 2 e 5.


I fenomeni elettrici

• In che forma appaiono i fenomeni elettrici?

• Come si possono generare?

• In che condizioni si esplicano?

• Qual è l’origine dell’aggettivo elettrico?


Il concetto di forza elettrica

• Da cosa riconosciamo le forze in generale?

• Quali sono gli effetti osservabili nel caso specifico?

• Da cosa dipendono questi effetti?


Lo stato elettrizzato

• Quando parliamo di stato elettrizzato?

• Quanti stati elettrizzati diversi si possono produrre?

• Da quale situazione iniziale si producono gli stati elettrizzati?

• Come si possono annullare?


Il concetto di carica elettrica

• Come possiamo interpretare lo stato elettrizzato?

• Quanti tipi di carica elettrica possiamo e dobbiamo ipotizzare?

• Come possiamo descrivere la formazione di stati elettrizzati a partire da corpi neutri?


Il concetto di carica elettrica

• Pensando al nostro modello particellare della materia come possiamo interpretare la formazione dello stato elettrizzato?


Il concetto di corrente elettrica

• Come possiamo spiegare l’elettrizzazione dell’elettrometro tramite la bacchetta elettrizzata?

• Come possiamo spiegare lo “scaricamento”dell’elettrometro mediante il nostro corpo?


Il concetto di corrente elettrica

• Come possiamo spiegare il progressivo riscaldamento del filamento?

• Come possiamo spiegare e descrivere l’illuminazione della lampadina?


La forza elettrica può produrre lavoro?

• Esiste nel sistema panno-bacchetta una capacità di compiere un lavoro?

• Qual è l’origine di tale capacità?

• Da cosa dipende tale capacità?

• Cosa accadrebbe secollegassimo il panno con la bacchetta mediante un conduttore?


Il concetto di potenziale elettrico

• Cosa occorre fare per muovere unacarica nel conduttore?

• Puoi trovare un modello semplice per spiegare il movimento delle cariche nel conduttore?

• Qual è l’unità di misura della carica elettrica?

• Come si esprime il potenziale elettrico o tensione elettrica?


La conducibilità elettrica dei gas

• Cosa fu possibile capire dagli esperimenti di Faraday?

• Qual è la differenza essenziale tra luce e raggio catodico?


La scarica elettrica nei gas

Pompa a vuoto

Tubo „pienod‘aria“

Elettrodi: catodo

(polo - ), anodo (polo

+)

Differenzadi

potenzialetra gli

elettrodi

Alimentatore adalta tensione


•• AncheAnche se la se la differenzadifferenza di potenziale di potenziale tratra gligli elettrodielettrodi èè di 6000 Volt, di 6000 Volt, nelnel tubotubonon non passapassa correntecorrente elettricaelettrica..

=>=>

•• DuranteDurante unun temporale temporale quandoquando scoccascoccaunun fulminefulmine, la , la differenzadifferenza di potenziale di potenziale cheche permettepermette la la scaricascarica elettricaelettrica èèdelldell‘‘ordineordine di di 100100‘‘000000 Volt e Volt e pipiùù..

La scarica nell‘aria

Non sono presenti cariche elettriche libere di muoversi da un polo all‘altro.


Scarica e luminescenza nei gas

La differenza di potenziale

crolla bruscamente

Il gas all‘interno del tubo emette luce


Il trasporto di corrente nei gas

• Nel tubo circola una corrente elettrica che trasportaenergia.

• L‘energia trasportata viene ceduta alle molecole di ossigeno e azoto ancora presenti nel tubo che la emettono nuovamente come radiazione luminosa (non siosserva un riscaldamento del tubo)

• Gli ioni o altre particelle cariche presenti nel tubo siformano solo grazie alla elevata tensione elettricainiziale e non rimangono libere a lungo.


Tubo catodico (tubo di Geissler e Crookes)

Anodo (polo +)

Catodo (polo-)


Il fascio catodico


Inversione dei poli nel tubo catodico

Non siosservanessunraggiocatodico


Deviazione del raggio catodico con uncampo elettrico

Polo negativo

Polo positivo


Proprietà dei raggi catodici

• Hanno carica negativa poiché partono dal catodo (-) e sono diretti verso l’anodo (+).

• Hanno natura corpuscolare (sono costituiti da particelle) poichéfanno ruotare un mulinello posto sul loro cammino.

• Possono essere generati indipendentemente dal gas inserito nel tubo di Crookes. Le particelle costituenti questi raggi sono perciò presenti in qualunque tipo di atomo.

In base a questo e ad altri esperimenti, J. Thomson nel 1897 riuscì a dimostrare che i raggi catodici sono in realtà:

“Un fascio di particelle tutte uguali, molto piccole , dotate di carica elettrica negativa che si muovono ad altissima veloc ità.”

A tali particelle fu dato il nome di elettroni.


Elettroni come componenti carichi dell’atomo

• Gli esperimenti con il tubo catodico dimostrano che l’atomo non è un corpo monolitico ma che deve essere strutturato

• I componenti della struttura dell’atomo sono carichi elettricamente (elettroni negativi e resto positivo)

• Dotando il tubo di Crookes anche di una camera per l’accelerazione delle particelle positive, diventapossibile evidenziare le particelle positive (ioni) generate dal campo elettrico quando si ottiene il fasciodi elettroni: l’atomo inizialmente neutro perde elettronie diventa uno ione positivo!


Un primo modello di atomo elettrico

• Come è possibile immaginarsi l’atomo nel modo più semplice attraverso gli esperimenti con i tubi catodici?


Un primo modello di atomo elettrico

Quali sono i caratteri di una particella (molecola) monoatomica?


Misure sugli elettroni

• Come è possibile analizzare proprietà quali carica elettrica e massa utilizzando il principio del tubo catodico?

+

+

E

B

v


La misura del rapporto carica/massa (e/m) per l’elettrone

Tramite un magnete si produce un campo magnetico uniforme perpendicolare alla velocità del flusso che curva la traiettoria deglielettroniQuesto effetto può essere bilanciato dal campo elettrico di forza Q: si produce una traiettoria circolare degli elettroni di raggio r.

Il rapporto e/m si ottiene da:

2* Br

Q

m

e =

Br

vr


Elettroni: componenti dell’atomo con carica e massa

(J.J. Thomson 1898)• L’esperimento di

Thomson (tubo catodico) cosa ci permette di osservare?

• Quale valore ha misurato Thomson?

• Il valore misurato dipende dal gas e dai materiali del tubo catodico?

• Qual è l’interpretazione data da Thomson?


Il modello atomico di Thomson

Il modello atomico di Thomson (detto plum pudding) fu uno dei primi a giustificare la stabilità e la neutralità dell’atomo, data la presenza in egual numero di particelle positive e negative sparse nell’atomo stesso.


La misura della carica dell’elettrone(R. Millikan, 1909)

Le cariche elettriche portate dalle goccioline d'olio che rimanevano sospese a mezz’aria fra gli elettrodi carichi, pur essendo di diverso valore, tuttavia erano sempre multiple della stessa grandezza. Mai avveniva che una gocciolina portasse su di sé una carica elettrica negativa inferiore al valore di 1,60·10-19 coulomb .Questa è dunque la carica piùpiccola che deve equivalere alla carica dell’elettroneFu inoltre possibile determinare Fu inoltre possibile determinare la massa dellla massa dell’’ elettrone che elettrone che risultò essere: risultò essere: mmee = 9.1096 10= 9.1096 10--3131 kgkg


Il tubo catodico diventa spettrometro di massa

In uno spettrometro di massa atomi liberi vengono ionizzati, nel caso piu' comuneper interazione con un fascio di elettroni . Analizzando un materiale puro semplice, la comparsa degli ioni al detettore indica che il campo elettrico applicato(potenziale) è stato sufficiente a ionizzare l’atomo dell’elemento.

Il punto in cui viene raggiuntoil rivelatore dipende dalla carica e dalla massa dello ione, quindidalla massa dell’atomo da qualeè stato prodotto.

Da Parry et al., “Chimica, Fondamenti sperimentali”, Zanichelli


Il tubo catodico diventa spettrometro di massaAston e Thomson (1910) scoprono con lo spettrometro di massa che un singoloelemento chimico è quasi sempre costituito da diverse speci atomiche chedifferiscono tra loro per la loro massa: ogni specie atomica appartenente ad un elmento chimico caratterizzata per una particolare massa si dice isotpo o nuclide dell’elemento.Nell’elemento Neon sono presenti tre isotopi con masse relative 20, 21 e 22.Questi tre isotopi si dicono anche nuclidi del Neon in quanto la massa è da riferireal nucleo positivo dell’atomo (gli elettroni sono tutti uguali e presenti in ugualnumero)

Le masse nuclidiche 20, 21 e 22 sono approssimate e riferite ad un isotopo del carbonio al quale viene dato il valore 12.000. Aston riuscirà a misurarle con grande precisione.I valori 20, 21 e 22 del Neon sono detti numeri di massa dei singoli isotopi.L’analisi con lo spettrometro di massa permette poi di stabilire qual èl’abbondanza di ogni isotopo nell’elemento (vedi esempio per lo Xenon allavideata 66).


• Si può misurare il potenziale elettrico necessarioper ionizzare l’atomo di un elemento

• Si può misurare la massa degli ioni, quindi la massa di ogni singolo nuclide di un elemento

• Si può stabilire la composzione isotopica di un elemento

• Si può indagare la struttura di molecolepluriatomiche

• Si possono identificare composti

L’impiego dello spettrometro di massa


Lo spettro di massa dello Xenon


Lavoro elettrico per una reazione chimica

• Da cosa riconosciamo la circolazione di cariche elettriche?

• Come viene ottenuta questa circolazione?

• Qual è il ruolo dell’alimentatore elettrico?

• Cosa avviene agli elettrodi?

• Cosa deve avvenire nella soluzione azzurra?



• Come si esprime la quantitàdi carica elettrica che circola nel circuito?

• Come si esprime il lavoro elettrico svolto dal processo?

• C’è una relazione tra carica elettrica e massa depositata all’elettrodo?

• Come possiamo descrivere la “conducibilità elettrica”della soluzione?



• Quale dei due prodotti della reazione è un metallo?

• A quale elettrodo si deposita il metallo?

• Quale carica assume la particella del metallo nella soluzione?

• Quali sono e dove si trovano i materiali puri semplici metallici nella Tavola Periodica degli elementi?



• Il rapporto tra le masse di cloro e rame ottenute è di 1.12.

• Con quale equazione chimica si può descrivere il processo elettrolitico?

• C’è una relazione tra masse prodotte (rapporto!) e le masse atomiche dei due elementi?

• Come possiamo determinare le cariche delle particelle in soluzione?

• Le cariche tipiche assunte daglielmenti in forma ionica sono ritrovabili nella tavola periodica dellibro di testo?


Particelle cariche in soluzione

• Una soluzione acquosa di zucchero non conduce: che differenza fisica deve esistere tra una soluzione di sale e una di zucchero?

• Come descrivere le particelle in una soluzione di sale e in una di zucchero?

• Come denominare le particelle nella soluzione di sale e in quella di zucchero

• Quale modello per descrivere la solubilizzazionedel sale e dello zucchero?


Particelle cariche in soluzione e in un gas

Quali analogie e quali differenzeci sono tra la soluzione salina e il gas nel tubo catodico?


Riferimenti

• Lezioni: unità 5;• Esercizi: unità 5;• Libro di testo: cerca nei capitoli 6, 9, 12 e

13.


Lavoro elettrico per una produzione industriale


Lavoro elettrico da una reazione chimica

• Nel caso della scomposizione dell’acqua (videata 4) e della soluzione salina (videata 74)

l’energia elettrica viene assorbita per ottenere la reazione chimica (processo elettrolitico)

• E’ possibile invece ottenere energia elettrica da una reazione chimica spontanea (processo elettrochimico)



E’ possibile ottenere energia elettrica dalla reazione spontanea di idrogeno e ossigeno!



La tensione generata tra i due elettrodi carichi uno diidrogeno e l’altro di ossigeno si traduce in una corrente elettrica che attraverso un motore fornisce lavoro meccanico: cella a combustibile (elettrochimica)



La tensione generata tra i due elettrodi dal rame metallico (in un bicchiere o semicella) e dallo ione argento (nell’altra semicella) si traduce in una corrente elettrica che produce lavoro meccanico: si ha una cella elettrochimica.

La tensione viene misurata con un voltmetro ed espressa in V.

La tensione esprime il lavoro che la cella svolge su un’unità dicarica elettrica di 1 C (1 V = 1 J/C)

Sul libro di testo trovi una tabella con i potenziali standard di riduzione che permettono di stabilire il senso spontaneo di una reazione e di calcolare il potenziale di una cella in condizioni standard (pag. 562)



Che differenze sostanziali esistono tra le celle elettrolitiche e le celle elettrochimiche?

Trovi nella vita quotidiana esempi di celle elettrochimiche?

Fino a quando può fornire lavoro una cella elettrochimica?

E’ possibile ricaricare una cella elettrochimica esausta?


Lo scambio di elettroni: ossidazione e riduzione

• Le soluzioni acquose dei sali contengono ioni? Come si dimostra?

• I sali allo stato fuso contengono ioni? Come si dimostra?• I sali allo stato solido contengono ioni?• Cosa avviene quando un sale (solido) viene sciolto in

acqua?• Cosa avviene quando un metallo viene portato a reazione

con un non metallo producendo un sale?• Quale modello microscopico possiamo elaborare per la

struttura di un sale? • Con quali tecniche si indaga sulla struttura di composti

quali sali e ossidi metallici?



Reazione di un metallo (Me) con ossigeno (O) significa:•ossidazione come reazione con ossigeno•formazione di composti ionici Mex+O2-

•ossidazione come perdita di elettroni daparte del metallo (videate 68-70)

•riduzione come acquisto di elettroni (da parte dell’ossigeno)



Concetti importanti da definire:• Ossidazione• Riduzione• Agente ossidante• Agente riducente• Processo di ossido-riduzione


Un riducente industriale: il carbone per la produzione di ferro dal suo ossido


Produzione di alluminio: riduzione per via elettrolitica del suo ossido


I composti di un metallo e un non metallo

Tipico di elementi metallici: perdita di elettroni-> ioni +

Tipico di elementi non metallici: acquisto di elettroni -> ioni –

Unione di ioni + e ioni -: reticolo ionico

2Na (s) + Cl2 (g) 2NaCl (s)


I reticoli ionici

Il cristallo risulta un’unica enorme molecola polinucleare. I nuclei degli ioni sono organizzati in base all’attrazione elettrica tra cariche (ioni) di segno opposto in un reticolo tridimensionale


La geometria dei reticoli ioniciGrazie alle misure macroscopiche eseguite su i cristalli (angoli e lati) e all’analisi cristallografica (in particolare raggi X) sono state chiarite 14 geometrie cristalline corrispondenti a figure geometriche che si ripetono nel cristallo (celle elementari). Esse si possono ritrovare sia in reticoli ionici che in reticoli atomici e molecolari.


I 14 reticoli di Bravais


Riferimenti

• Lezioni: unità 6;• Esercizi: unità 6;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5 e 14.


La reazione di alcuni metalli con l’acqua

• Qual è l’aspetto fisico dei metalli Li, K, Na, cosìcome li vedi nella bottiglia?

• Sono metalli duri o molli?• Cosa significa durezza?• Qual è l’aspetto delle superfici appena tagliate di

questi metalli?• Come cambia l’aspetto delle superfici nel

tempo?• Come vengono conservati questi metalli e

perchè?



• Come reagiscono Li, K, Na, con l’acqua? • Cosa accomuna i tre metalli nel loro

comportamento di fronte all’acqua?• In cosa si differenziano reagendo con

l’acqua?



• Quali sono i prodotti delle reazioni? • Come possiamo scoprire la natura del gas

prodotto?• Quali caratteristiche si scoprono per la

soluzione nella quale “è sparito” il metallo?



Proviamo a descrive le reazioni con equazioni chimiche:Li (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)Na (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)K (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)



Come si comporta il metallo calcio?

Ca (s) + H2O(l) ? (aq) + ? (g)


Origine dell’alcalinità e dell’acidità di unasoluzione

Fenolftaleina e tornasole ci indicano l’alcalinitàdi una soluzione. Come?Come può essere neutralizzata l’alcalinità di una soluzione?Come possiamo indagare la natura (contenuto che la caratterizza) di una soluzione alcalina e di una soluzione acida?


La formazione dei sali

I sali possono essere prodotti:• Per reazione in soluzione tra ioni positivi

(metallici) e ioni negativi semplici o poliatomici:– Zn2+ (aq) + 2 Cl- (aq) ZnCl2 (s)– Ca2+(aq) + SO4

2-(aq) CaSO4(s)

• Per reazione diretta tra un metallo e un non metallo:– Fe (s) + S(s) FeS(s)

• Per reazione tra una base e un acido:– Ca(OH)2 + H2SO4 CaSO4(s) + H2O


Riferimenti

• Lezioni: unità 7;• Esercizi: unità 7;• Libro di testo: cerca nei capitoli 2, 5, 6, 14,

e nell’Appendice 1.


La reazione di un metallo con un acido

Ad eccezione di Pt, Au, Ag e Cu (detti metalli nobili), i metalli reagiscono con gliacidi (come l’acidocloridrico) sciogliendosi in soluzione e generandoidrogeno gassoso. Si ottengono soluzioni checonducono l’elettricità.


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: l’equazione chimica

I granelli di zinco metallico sviluppanoeffervescenza e si consumano progressivamentesecondo un’equazione chimica che possiamoricavare in base al concetto di ossido-riduzione:

Zn(s) + ... HCl (aq) .. …(aq) + H2(g)

Il fatto che la soluzione che si ottiene sia conduttrice ci permette di ipotizzare un’ossidazione dello zonco a ione metallico (la carica delloione zinco si trova nella tavola periodica come stato di ossidazione!


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: consumo e produzione

Il rapporto in massa tra zinco in reazione e idrogeno in produzione è calcolabile in base alle masse atomiche(Zn/H2 = 65.4/2):

65,4 g Zn 2 g H2

Ovvero: Zn/H2 = 32,7 m/m


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: progettazione

Si osserva la reazione cercando di verificare la previsione teorica: ponendo zinco solido in soluzione di acidocloridrico deve generarsi una diminuzione di massa della soluzione contenuta nella beuta, corrispondente all’idrogeno prodotto.Si pesa la beuta contenente la soluzione acida e lo zinco appena dopo l’aggiunta di quest’ultimo e si pesa la stessa beuta con la soluzione finale a fine reazione.


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: calcolo delle masse dei reagenti

Quantitativi utilizzati:Zinco metallico : 5.05 g (5.05g/65.4 g/mol =0,757 mol)

Soluzione acida : ≥≥≥≥ 0,151 mol (≥≥≥≥ 0.757mol*2)

disponendo di una soluzione 6 M HCl*:1,000 L / 6 mol/L * 0,151 mol = 0,025 L = 25 mlI 25 ml di soluzione acida sono stati quindi diluiticon circa 100 ml di acqua

* 6 M HCl = 220g HCl per litro di soluzione


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: realizzazione pratica

Svolgimento della reazione : in testa al condensatore èstato posto un tubo siccanteriempito di cloruro di calcioanidro in grado di catturarel’umidità contenuta nel gas in uscita, lasciando fuoriuscire il solo l’idrogeno prodotto.


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa teorico

Calcolo teorico della massa di acido cloridriconecessaria per la reazione dello zinco:

Zn(s) + 2 HCl (aq) ZnCl2(aq) + H2(g)65.4 g 2*36.4 g 136,3 g 2 g

HCl necessario per 5.05 g Zn:

X

05.5

45.36*2

4.65 =


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa teorico

Calcolo teorico della massa di idrogeno prodottodalla reazione dello zinco:

Zn(s) + 2 HCl (aq) ZnCl2(aq) + H2(g)65.4 g 2*36.4 g 136,3 g 2 g

H2 prodotto da 5.05 g Zn:

X

05.5

2

4.65 =


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: il bilancio di massa reale

Calcolo teorico :massa H2 prodotto: g 5,05* (1/32,7) = 0,15 g

Diminuzione di massa misurata : 0,16 ± 0,02 g

Osservazioni particolari : durante la reazione la massa del sistemadiminuisce di oltre 1 g ma dopo la fine della reazione aumenta di nuovo fino al valore misurato.

Discussione : il valore teorico rientra nell’intervallo di incertezzadi quello misurato ed è quindi ottimamente verificato!Durante la reazione l’idrogeno prodotto spinge l’aria (più pesante di H!) fuori dal sistema. L’umidità viene però trattenuta dal tubo siccante, mentre l’aria rientra nel sistema dopo la fine della reazione.


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: i prodotti secondari

Ma dove è finito lo zinco?

Per verificare i suo destino si possonoeseguire due operazioni:

1. Evaporazione della soluzione finale2. Elettrolisi della soluzione finale


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico: ricerca dello ione zinco

Elettrolisi della soluzione:

sull’elettrodo negativo si deposita immediatamenteuno strato grigio lucente. Esso si riscioglie se immersoin soluzione acidaDeve trattarsi di zincometallico!


La reazione dello zinco in soluzione di acidocloridrico; conclusioni

Sulla base delle due conclusioni:1. La soluzione dopo la reazione contiene un sale di zinco disciolto che diventa un solido bianco dopoevaporazione dell’acqua;2. La soluzione dopo la reazione deposita zincometallico ad un elettrodo negativo sotto l’azione di un campo elettrico;Come possiamo descrivere lo stato fisico in cui si trovalo zinco, o ciò che da esso si è generato attraversol’azione dell’acido?Come dobbiamo figurarci ciò che comunemente si descrive con la formulazione « i metalli si sciolgononegli acidi »?


La produzione di un sale binario

Un sale binario può essere prodotto per reazione diretta tra metallo (Me) e non metallo (NMe). La formula del prodotto viene stabilita in base agli stati di ossidazione degli elementi nel sale (carica dello ione):

xMe (s) + yNMe(s, l, g) Mexy+NMey

x-(s)

I due materiali puri semplici puri vengono messi a contatto secondo un rapporto in massa calcolabile in base alle loro masse atomiche e all’equazione chimica


La produzione di un sale binario per reazione diretta tra ferro e zolfo

Il sale binario può essere prodotto per reazione diretta tra metallo e non metallo:

Fe (s) + S(s) Fe2+S2-(s)

I due materiali solidi vengono mischiati in forma di polvere e riscaldati con la fiamma del becco bunsen


La produzione di un sale binario

Si sviluppa una reazione esotermica che produce un nuovo solido privo delle proprietà metalliche e magnetiche del ferro:

Solfuro di ferro(II): FeS


La formazione degli ioni dagli elementi

Come interpretare la reazione diretta tra un metallo e un non metallo:

Fe (s) + S(s) FeS(s)

Considerando che:– FeS è un composto ionico (Fe2+, S2-)– Fe e S sono inizialmente materiali puri

semplici (Fe0, S0)


La formazione degli ioni e la produzione di metalli e non metalli

La reazione diretta tra un metallo:Me + nMe Me+nMe-

è il processo inverso della produzione dei materiali puri semplici dai sali mediante elettrolisi

Me+ + nMe- Me + nMe


La nomenclatura dei composti ioniciVedi libro di testo Appendice 1

Triossido di diferro o ossido di ferro (III)

Fe2O3Mono,bi,tri, tetra,penta ossido di ….Ossido di metallo(N.ox)

Ossido di zinco (II)

ZnOOssido di metallo (N.ox)

Metallo + ossigenoOssidi

metallici

NaCl

FeCl3

Formula

Non metallo-uro di metallo(N.ox)

Nome

Cloruro di sodioCloruro di ferro (III)

Metallo + Nonmetallo

Sali binari

EsempioComponentiClasse


La nomenclatura dei composti ioniciVedi libro di testo Appendice 1

Solfito di calcio

Solfato(IV) di calcio

CaSO3Non metallo-itodi metallo(N.oxinf.)

Solfato di calcioSolfato (VI) di calcioNitrato di ferro(III)

CaSO4

Fe(NO3)3

Non metallo-ato(N.ox) di metallo(N.oxsup.)

Metallo + ossigeno + non metallo

Sali ternari

NaOH

FeOH3

Formula

Idrossido di metallo(N.ox)

Nome

Idrossido di sodio

Idrossido di ferro (III)

Metallo + OHIdrossidi metallici

EsempioComponentiClasse


Riferimenti



Il concetto di mole

La mole è la quantità di materia di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi contenuti in 0.012 kg di Carbonio 12 (isotopo C-12).

• E’ l’unità di misura per la grandezza “quantità di materia pura” (una delle sette del SI)

• Le entità elementari possono essere molecole monoatomiche (atomi) oppure molecole poliatomiche.

• Il Carbonio 12 (C-12 o ) è l’isotopo con numero di massa 12 del Carbonio (costituito dal nuclide al quale viene assegnata per convenzione il valore di massa nuclidica 12.0000).

C126


Il concetto di mole

La massa in grammi di una mole di un materiale puro semplice corrisponde alla massa atomica dell’elemento (normalmente approssimataall’unità o al decimo).Es: Na = 23 g/mol, N 14 = g/mol, Cl = 35.4 g/mol

La massa di una mole di in materiale puro composto corrisponde alla somma delle masse atomiche degli elementi secondo al sua formulaEs: NaCl = 23 + 35.4 = 58.4 g/mol

H2SO4 = 2*1 + 32 + 4*16 = 98 g/mol


Il concetto di mole

Una mole di un materiale puro semplice A e una mole di un materiale puro semplice B rappresentano due quantità equivalenti di materia perché contengono lo stesso numero di unità elementari, hanno però masse diverse!Es: 12 g C e 40 g Ca contengono ambedue 6.02*1023 atomi (numero di Avogadro).Il rapporto in massa tra i due atomi è però

C/Ca = 12/40per questo le due masse sono diverse!


Il calcolo stechiometrico

Le quantità di reagenti e prodotti relativi ad un processo possono essere calcolati a partire dall’equazione chimica trasformando le masse in moli e viceversa:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O1 mol + 6 mol 6 mol 6 mol1*180 g/mol 6*32g/mol 6*44 g/mol 6*18 g/mol


Il calcolo stechiometrico

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O1 mol + 6 mol 6 mol + 6 mol1*180 g/mol 6*32g/mol 6*44 g/mol 6*18 g/mol

calcolo di CO2 prodotto da 1 kg C6H12O6:

1 kg C6H12O6 ≡ 1000g/180 g/mol = 5.5 molmol CO2 prodotte: 5.5*6 = 33 molmassa CO2: 33 mol * 44 g/mol = 1452 g


Lespressione della concentrazione delle soluzioni

Con “concentrazione di una soluzione”esprimiamo il contenuto di soluto in un volume o in una massa di soluzione (soluto + solvente)La concentrazione può essere espressa come:

• Massa soluto/massa totale slouto + solvente (m/m) • % in massa di soluto sulla massa totale (% m/m)• Molarità (M): moli di soluto/volume soluzione


La concentrazione delle soluzioni

La concentrazione di una soluzione contenente 10 g di sale NaCl (…. mol) in 1 litro di soluzione può essere espressa nei seguenti modi:

Calcolo ValoreEspressione

M

% m/m

m/m


Riferimenti



L’esperimento di Rutherford (1911)

Grazie alla scoperta della radioattività(Bequerel, Curie) e alla conseguente classificazione dei raggi α e β,Rutherford mise a punto un esperimento, detto oggi di “scattering” per studiarne la capacità penetrante:

L’apparato sperimentale è costituito da:• - sorgente di particelle α;• - schermo di piombo con sottile fenditura

per ottenere un fascio molto sottile;• - lamina sottile di oro o altro metallo

contro cui viene indirizzato il fascio di particelle α;

• - schermo di solfuro di zinco (materiale fluorescente che emette lampi di luce quando viene colpito dalle particelle)


L’atomo nucleare di Rutherford

Secondo il modello di Thomson, le particelle αavrebbero dovuto attraversare indisturbate la lamina d’oro e raggiungere il rivelatore (Fig.1).

Rutherford, osservò che una piccola parte dei raggi veniva deviata o addirittura totalmente riflessa. (Fig.2)

Fig. 1

Fig. 2


L’atomo nucleare di RutherfordL’analisi accurata dei punti di impressione della lastra ha permesso di ricavare la carica dei nuclei dei singoli elementi per rapporto a quella del nucleo di idrogeno (la più piccola).

Questa carica è stata definita come numero atomico.

Le cariche atomiche sono tutte multiple di un valore di carica positiva equivalente alla carica negativa dell’elettrone.

Questa quantità di carica elettrica positiva fu definita protone.

Il numero atomico viene interpretato come numero di protoni presenti nel nucleo, cioè il multiplo della carica del nucelo di idrogeno.

I numeri atomici degli elementi verranno però assegnatidefinitivamente in base al lavoro di Moseley, pure allievo di Rutherford (videata 129)


Il numero atomico: il lavoro di Moseley (1913)Il bersaglio è costituito dal materiale di cui si determina il numero atomico

Da Parry et al., “Chimica, Fondamenti sperimentali”, Zanichelli


Elementi e isotopi

Concetti importanti da definire:• Numero atomico • Numero di massa• Nuclide• Elemento• Isotopo• Massa nuclidica• Massa atomica


Definizioni: la nuova concezione dell’atomo

Massa atomica

Massa nuclidica media

Massa nuclidica

Elemento

Isotopo

Nuclide

Numero di massa

Numero atomico

Concetto Definizione


Riferimenti

• Lezioni: unità 10;• Esercizi: unità 10;• Libro di testo: cerca nel capitolo 8.


Energia e luce: lo spettrometro di Kirchhoff e Bunsen

Annalen der Physik und der Chemie, Vol. 110 (1860), pp. 161-189

Testo originale scaricabile dal sito web


Uno spettrometro attuale per la visualizzazione di righe spettrali


Le linee spettrali degli elementi

© Donald E. Klipstein


Applicazioni tecnologiche: spettrometria di assorbimento atomico

Misura di tracce di un metallo in soluzione


Applicazioni tecnologiche: analisi per spettrometria di emissione atomica

Identificazione e misura diretta di elementi in ogn i tipo di matrice


Studio dello spettro dell’idrogeno

Una lampada a idrogeno emette luce visibile di color porpora che viene scomposta i 4 righe spettrali

http://www.schulphysik.de/physik/spektrum1/index.htm


L’interpretazione dello spettro di emissione degli elementi

Ogni elemento emette luce di colore caratteristico:• quando se viene portato ad alta temperatura (riscaldamento alla fiamma)• quando viene attraversato dall’elettricità in una lampada a bassa pressione (p~10-2 bar, lampade al neon, alogene, …)

La luce emessa da un elemento, se inviata attraverso un prisma, dà luogo ad uno spettro discontinuo (insieme di righe spettrali).

Ogni riga spettrale corrisponde ad un colore puro, quindi ad una precisa frequenza di luce.


L’interpretazione dello spettro di emissione degli elementi

E’ possibile interpretare le righe spettrali dell’idrogeno ammettendo che gli atomi possano esistere in stati energetici diversi e riproducibili:L’energia ceduta con la radiazione equivale alla differenza tra l’energia dell’elemento prima dell’emissione e dopo l’emissione:

Eceduta= hν = Einiz – Efin

Dato che nello spettro compaiono solo determinate righe si ammette che ogni elemento possa esistere solo in un numero limitato di livelli energetici. Questi livelli energetici vengono attribuiti agli elettroni.


Studio dello spettro dell’idrogeno

Le frequenze di tutte le righe della porzione visibile dello spettro dell’idrogeno si possono esprimere mediante la relazione:

)1

2

1(*10*287.322

15

nv −= n = 3,4,5,…

Più generalmente:2

22

1 n

k

n

kv −= k = 3.287*1015 Hz

22n

hkhvEfinale

==

22

21 n

hk

n

hkhvEceduta

−==

21n

hkhvEiniziale

==In effetti:


Riferimenti

• Lezioni: unità 11;• Esercizi: unità 11; • Libro di testo: cerca nei capitoli 1, 8 e 9.


Una nuova proprietà degli elementi: il potenziale di prima ionizzazione

http://www.standnes.no/chemix/periodictable/ionization-potential-table.htm


Fattori che determinano il potenziale di prima ionizzazione di un elemento

• Qual è l’evento fondamentale all’interno dell’atomo quando avviene la ionizzazione?

• Qual è la forza interna all’atomo che deve essere vinta?

• Quali sono le variabili da considerare per questa forza?

• Come traduci queste variabili “dentro” l’atomo?


Energie di prima ionizzazione

Il potenziale di prima ionizzazione può essere tradotto in un valore di energia (kJ/mol) moltiplicando il potenziale (V) per la carica di 1 mol elettroni (C/mol)

C1

C1 Carlo; 08.01.2006


L’andamento del potenziale di prima ionizzazione nella Tavola periodica


L’andamento del potenziale di prima ionizzazione nella Tavola periodica

• Come si può interpretare l’andamento del potenziale in funzione del numero atomico?

• Quali elementi rappresentano i punti di minimo?

• Quali elementi rappresentano punti di massimo?• Come si passa da un minimo ad un massimo?• Come si passa da un massimo ad un minimo?


Energie di ionizzazione successive (kJ/mol)

12,0008,7807,2305,7703,9452,6651,520Ar

11,0009,3606,5605,1603,8502,2951,256Cl

11,0008,4906,9504,5653,3752,260999S

21,2006,2704,9502,9051,8901,060P

16,1004,3543,2281,577786Si

11,6002,7441,816577Al

7,7301,450738Mg

4,560496Na

VIIVIVIVIIIIIIElemento


Il modello atomico evolve: la struttura elettronica

Per saperne di più su come si comportano gli elettroni:http://www.colorado.edu/physics/2000/quantumzone/bohr.html

nucleo

1°guscio

2°guscio

3°guscio

4°guscio


Prodotti volatili da un sale: idrogeno e cloroda cloruro di sodio


Cloro e idrogeno: come si organizzano i loroatomi nelle molecole del gas?

Dalla Tavola periodica:

Neon

Azoto

Ossigeno

Cloro

Massa atomica

Massa molare

(g/mol)*

Idrogeno

Modello micro

Massa molecolare

Densità STP (g/l)

gas

Volume di 1 mol gas a STP: 22.4 l


Cloro e idrogeno: i loro spettri di massa


Un modello microscopico per i composti volatili

• Come possiamo rappresentarci il legame tra atomi di idrogeno e tra atomi di cloro?

• Come viene denominato questo legame?• Come calcolare il numero di legami che

può generare un elemento ?


Elettroni nel guscio esterno e reattività

• Come si può spiegare l’inerzia chimica dei gas nobili?

• Come si può spiegare la tendenza dei metalli alla perdita di elettroni (quanti?) e la tendenza dei non metalli all’acquisto di elettroni (quanti?) nella formazione dei composti ionici?

• Come si possono tradurre queste osservazionialla formazione di molecole da parte dei non metalli?


Elettroni disponibili per i legami ed elettroni in difetto per la stabilità

Na

Ne

F

O

N

C

B

Be

17 1Li

002He

111H

Num. legamie- in difettoe- disponibiliElemento


Gli idruri degli elementi del 2°periodo

Ne

F

O

N

C

7 1B

02Be

11Li

strutturaformulalegamiElemento


Coppie elettroniche da disporre nello spazio

Ne

F

O

N

C

303B

202Be

101Li

Coppie e -e- liberilegamiElemento


Coppie elettroniche e geometria molecolare

Ne

F

O

N

C

03B

02Be

lineare21Li

geometriacoppie e -legamiElemento


Rappresentazione spaziale della geometria molecolare

CH..

3BH..

2BeH..

1LiH

rappresentazionegeometriacoppie e -Composto


Rappresentazione spaziale della geometria molecolare

H..Ne

H..F

H..O

NH..

rappresentazionegeometriacoppie e-Composto


La classe dei composti “volatili”

Legame StrutturaElemento principale


I reticoli molecolari

Il cristallo risulta un insieme di molecole monoatomiche o pluriatomiche. Nel solido le molecole si impacchettano. Nello stato solido, liquido eaeriforme gli atomi che formano una molecola si tengono uniti.

Cloro Neon

Visualizza i reticoli di ossigeno, azoto, elio, ecc. dalla TP elettronica Webelements (link nel sito di chimica)


I materiali molecolari intorno a noi

• Criteri per il loro riconoscimento• Elementi chimici che compongono i

materiali molecolari • Materiali molecolari naturali• Materiali molecolari sintetici• Materiali molecolari sintetici naturalidentici• Materiali molecolari sintetici artificiali


Il legame in una molecola di cloro

• Qual è la tendenza riconosciuta di un atomo di cloro in base a quanto abbiamo scoperto sui sali?

• Quale numero di elettroni tende a raggiungere l’atomo di cloro?

• Quale numero di elettroni tendono a raggiungere Li, Na, K, F, S, O, ….?

• Come può essere raggiunto questo numero ideale di elettroni?

• Quali sono gli elementi che possiedono un numero di elettroni equivalente a quello degli ioni stabili di Li, Na, K, S, O, …?

• Quali caratteristiche chimiche possiedono questi elementi?


Il legame in una molecola pluriatomica

• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di cloro liberi?

• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di ossigeno liberi?

• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di azoto liberi?

• Come possono raggiungere il numero ideale di elettroni atomi di idrogeno e atomi di ossigeno liberi e miscelati?


Il legame in una molecola pluriatomica

• Come viene denominato il legame che porta alla formazione delle molecole?

• Quali sono le differenze essenziali tra questo legame e il legame ionico?

• Come si può raffigurare una molecola pluriatomicaspecificando il tipo di legame tra gli atomi che la compongono?


La reattività di un materiale molecolare

• Perché fluoro e cloro sono più reattivi dell’ossigeno e l’ossigeno è più reattivo dell’azoto?

• Perché idrogeno e ossigeno reagiscono solo se si fornisce loro la scintilla (energia di attivazione)?

• Quali eventi comporta la reazione di un materiale molecolare?


La volatilità di un materiale molecolare

• Come si spiega la maggior volatilità dei materiali molecolari rispetto ai sali?

• Cosa comporta e cosa non comporta l’evaporazione o la sublimazione di un materiale molecolare?

• Come si spiegano condensazione e liquefazione di un aeriforme molecolare?


Le interazioni molecolari

• Come varia il punto di ebollizione dei materiali puri semplici della colonna 17?

• Vale la stessa cosa per gli elementi della colonna 18?• Quale può essere la causa della tendenza riconosciuta?• Prevedi il punto di ebollizione dei materiali puri semplici

con numero atomico 117 e 118 (non ancora scoperti)


Le interazioni molecolari

• Come si può spiegare la differenza tra il punto di ebollizione dell’idrogeno (H2), del cloro (Cl2) e del cloruro di idrogeno (HCl)?

• Quale differenza si può ipotizzare tra un legame Cl-Cl, un legame H-H e un legame H-Cl?


Le interazioni molecolariCome si possono spiegare l’andamento dei punti di ebollizione del diagramma?


Una nuova proprietà degli elementi: il coefficiente di elettronegatività

Da Google: Electronegativity Table


Una nuova proprietà degli elementi: il coefficiente di elettronegatività


Il legame covalente tra elementi con diversa elettronegatività: aspetti da chiarire

• Conseguenze sul legame di una differenza di elettronegatività

• Conseguenze sulla molecola della presenza di un legame tra elementi con diversa elettronegatività

• Conseguenze sulla molecola della presenza di più legami tra elementi con diversa elettronegatività

• Geometria molecolare e polarità molecolare


Da cosa dipende la forma spaziale di una molecola?

Quali possibili strutture e geometrie molecolari sono possibili con più di 2 atomi?

• H2O, H2S, CO2

• NH3, PH3

• CH4, SiH4

• P2O5

• H2SO4


La struttura molecolare: come si legano gli atomi tra di loro?

• Il numero di legami dipende dagli elettroni disponibili e da quelli necessari

• Da cosa dipende la necessità di elettroni?

• Da cosa dipende la disponibilità di elettroni?


Struttura elettronica dell’atomo e elettronidisponibili: le tappe del modello

• Faraday: dimostrazione della natura elettrica dell’atomo (scarica nei gas rarefatti e fascio catodico). L’atomo contiene cariche elettriche.

• Kirchhoff e Bunsen: spettri di emissione• Thomson: misura del rapporto carica/massa

dell’elettrone• Millikan: misura della carica dell’elettrone• Rutherford: scoperta del nucleo atomico• Bohr: struttura elettronica a livelli energetici


Riferimenti



Il “duro” per eccellenza: il diamante

Come si possono legare fra di loro gli atomi di carbonio?

Che strutture si possono creare?Che caratteristiche fisiche e chimiche ne derivano?Con quali altri elementi si possono creare strutture simili? Perché?


Stati allotropici del carbonio

struttura caratteristicheStato allotropico


La classe dei “duri”: diamante e simili

SiO2 (quarzo),< 3.5OssidoSi

BP, >1.7FosfuriP

Si3N4, > 1.5NitruriN

Carburi

Classe di composti

SiC, B4C>1C

EsempiElettronegativitàdel legante n.m.

Elemento principale


Riferimenti



I “duri” artificiali: resine termoindurenti

Scafi, sci, F1, giubbotti antiproiettili

Poliammide(fenilendiammina

-cloruro ditereftaloile)

Kevlar

Colle, materiali compositiDi-epossidiResine epossidiche (Araldyte,..)

Polifenoli-formaldeide

Classe, Componenti

Prese elettriche, cruscotti, bocce, telefoni

Bachelite

ApplicazioniMateriali


La classe dei “plastici”: polimeri termoplastici

Polistirene

Plexiglas

Nylon

Teflon

PET

PE

ApplicazioniComponentiMateriali


La classe degli “elastici”: gomma naturale e elastomeri artificiali

Gomme artificiali

Gomma vulcanizzata

Gomma di caucciù

ApplicazioniComponentiMateriali


Legame chimico e caratteristiche fisiche

metallico

covalente

covalente

Reticolo ionico

Struttura

Metallo-non metallo

ionico

EsempipartecipantiLegame


Legame chimico e classi di materiali

Proprietà

Composizione

Denominazione (strutturale)

Denominazione (operativa)

MetallicoCovalenteCovalente (reticolo)

Covalente-V. d. Waals

IonicoLegame



Conducibilità elettrica (s), Cond. termica,Duttilità,

malleabilità

Non cristallino (rammollimento,

no Pto.fus.)

Isolante el. + term.,

Termoplastico termoindurente o

elastico,

bassa densità

Durezza elevata,

Fragilità,Isolante,

Pto fus/eb. altissimo

Pto fus/eb basso

Isolante (s)

Elettrolita (l, acq.),

Pto fus/eb elevato

Proprietà

MNMNM, C-M, O-M

NM-NMM-NMComposizione

MetalliciMacromolecolario polimerici

Covalentireticolati

MolecolariIoniciDenominazione (strutturale)

MetalliciAmorfiAdamantiniVolatiliSaliniDenominazione (operativa)

MetallicoCovalente

(amorfi)

Covalente (reticolo)

Covalente-V. d. Waals

IonicoLegame



Esempi

Denominazione (strutturale)

Denominazione (operativa)


Covalente-Van der Waals

IonicoLegame



Fe,

Cu,Ti,

Vetro,

PE,PET,Poliesteri,

poliammidi,Gomme,

Teflon,

Resine sintetiche

Diamante,

Carburo di silicio,

Ceramiche,Sinterizzati

H2O,

Etanolo,Acetone,

HCl (g)

NaCl,

KBr,CaCO3

NaOH,

CuO

Esempi

MetalliciMacromolecolari, polimeri

Covalenti reticolati

MolecolariIoniciDenominazione (strutturale)

MetalliciAmorfiAdamantiniVolatiliSaliniDenominazione (operativa)


Covalente-Van derWaals

IonicoLegame


Combinazioni di materiali e nuove caratteristiche: i materiali compositi

Materiale di rinforzoMateriale base (matrice)

Materialinecessari

Caratteristiche


Materiali volatili, ionici e a reticolo covalente: la formula chimica e la molecola

Polinucleare(l’intero cristallo è una molecola

contenente nuclei dei due elementi)

NaClCloruro di sodio

Polinucleare(l’intero cristallo è una molecolacontenente nuclei dello stesso

elemento)

CGrafite

Binucleare(ottenuta da due atomi, costituita da

due nuclei)

Cl2Cloro

Monoatomica o mononucleare(costituita da un solo atomo)

NeNeon

MolecolaStrutturaFormulaMateriale


Riferimenti

• Lezioni: unità 13;• Esercizi: unità 13;• Libro di testo: cerca nei capitoli 13 e 23.


Il legame C-C è stabile: il carbonio è campione del mondo!

• Qual è la conseguenza della stabilità dei legami C-C in presenza di altri non metalli (H, O, N)?

• Esistono composti C4H10: quali possibili strutture si possono creare?

• Esistono composti C2H6O: quali possibili strutture si possono creare?

• Esiste una limitazione nel numero di atomi C che si possono legare in catena?


Petrolio come miscuglio di materiali molecolari

• Origine del petrolio• Caratteristiche fisiche del petrolio• Composizione chimica del petrolio• Storia dell’utilizzo del petrolio• Estrazione del petrolio• Raffinazione del petrolio• Frazioni del petrolio e loro impiego


Il petrolio come materiale

• Caratteristiche: liquido nero oleoso, viscoso e infiammabile

• Composizione: – Costituito in massima parte da idrocarburi (composti

dell‘idrogeno e del carbonio) gassosi, liquidi e solidi.– Costituenti secondari sono composti solforati, azotati

e ossigenati • Localizzazione: nel sottosuolo e nei fondali marini a

profondità variabile • Origine: da materia organica vegetale o animale. • Estrazione: da pozzi o piattaforme in “campi petroliferi”.• Resa normale dei pozzi: 30-40%; ca. 60-70% degli

idrocarburi resta in profondità per mancanza di pressione naturale che consente la risalita spontanea.


Teoria tettonica

�Moti convettivi sul magma fuso di placche di 100 km di spessore medio

�Movimenti dei fluidi:recupero maggiore del petrolio

�Formazione di facces: variazione dei tipi di sedimenti

�Si trova in luoghi dove non ci sono stati grandi variazioni geologiche:- Italia- Stati Uniti- Siberia- Urali- Mare del Nord- Medio Oriente- …


Petrolio: formazione

�Decomposizione di organismi animali (plancton)

�Decomposizione di organismi vegetali

�Formazione in condizioni particolari:- assenza di ossigeno

- T ∼ 150 °C- p ∼ 900 bar


Petrolio: la formazione del giacimento


Petrolio: l’estrazione


Geologia degli strati profondi

• L’unico metodo efficace è la perforazione di un pozzo (in un area che è stata ritenuta favorevole).


Petrolio: il giacimento


La prospezione petrolifera

• Ricerca di depositi di idrocarburi naturali presenti nel suolo


Storia del petrolio


• primo pozzo petrolifero: Pennsylvania, 27 agosto 1859

• inizio secolo scorso: diffusione accanto a forme tradizionali di fonti energetiche (carbone, energia idroelettrica); prevalentemente in Nord America

• dal 1930: grandi attivazioni di giacimenti del Golfo Persico e dell’Iran; grazie al suo basso costo, la sua reperibilità, dura a lungo.

Storia del petrolio


• Fino al 1930 circa il carbone è principale fonte energetica.

• Anni ’70: petrolio > del 50 % di consumi mondiali di energia.

• 1973: prima crisi petrolifera; presa di coscienza che il petrolio non è una risorsa illimitata.

• 1979: seconda crisi petrolifera e riduzione delle forniture.

• Oggi: Il petrolio rimane la risorsa energetica piùdiffusa e conveniente

Storia del petrolio


Industria del petrolio

• Industria sorta nel XIX secolo negli USA e Russia

• 1964 � USA: 1400 milioni di tonnellate in tutto il mondo di petrolio grezzo

• Stati Uniti � 35% capacità mondiale • Italia � inizio raffinazione nel 1927


Petrolio: le riserve

• Petrolio = risorsa disponibile in quantitàlimitate.

• Si stima l‘esaurimento di risorse petroliferenel giro di 100 anni al ritmo di sfruttamentoe di ritrovamento odierno.


Glossario geologico

• Roccia madre del petrolio: deriva dal consolidamento di sedimenti deposti in ambienti particolari, si tratta di fanghi argillosi o calcari accumulati in ambienti tranquilli e con limitata circolazione delle acque marine.

• Rocce serbatoio: sono soprattutto rocce sedimentarie; sono le rocce che contengono il petrolio.


• Trappola: ogni conformazione delle rocce serbatoio e delle rocce di copertura che consente la formazione di un accumulo di idrocarburi.

• Migrazione primaria dalla roccia madre alla roccia serbatoio: avviene per opera dell’acqua che trasporta le particelle di petrolio.

• Migrazione secondaria: traslazione degli idrocarburi dentro la roccia serbatoio fino ad arrivare ad una trappola.

Glossario geologico


I requisiti per un accumulo di idrocarburi

a) presenza di rocce madri b) presenza di rocce serbatoio con permeabilità

sufficiente a permettere la migrazione degli idrocarburi

c) strutture geomorfologiche che possono aver favorito la formazione di un deposito (trappole)


Il processo di estrazione del petrolio

• Risalita spontanea (pressione interna del giacimento

• Pompaggio• Pompaggio forzato

(immissione di vapore e di acqua)

• Lavaggio (immissione forzata di acqua e tensioattivi)


L’estrazione del petrolio dai fondali: navi ancorate


Lo sfruttamento di un giacimento


L’estrazione del petrolio dai fondali:piattaforme fisse


Il petrolio in Norvegia: Statoil


L’estrazione del petrolio dai fondali


Raffinazione del petrolio


Processi fondamentali: trattamento preliminare e topping

• Trattamenti preliminari del grezzo: desalificazione e deacquificazione

• Separazione fisica del grezzo in diversi gruppi costituenti: distillazione normale e sotto vuoto

• Modifica della struttura chimica del materialecracking, reforming e alchilazione

• Raffinazione dei prodotti (eliminazione delle impurità): desolforazione, raffinazione

• Miscelazione di diversi materiali per migliorare la qualità (blending)


La raffinazione del petrolio


Petrolio: frazioni e prodotti derivatiPetrolio grezzo

Idrocarburi gassosi Distillati leggeri Distillati intermedi Residui Fanghi di raffinazione

Distillati leggeribenzine

Nerofumo gas combustibile acetilene

Alcoli, esteriiChetoni, polimeri

Gas liquefattiEtere di petrolio

Aldeidi (resine)Acido acetico

Gomma sinteticaNero di acetilene

nafte Oli raffinati

Oli leggeri

Oli minerali

Cherosene raffinato

gasolio

Distillati pesanti

Oli per assorbimento Oli tecnici

Oli bianchiOli emulsionanti

Oli dielettrici

Paraffina solida

CereIsolanti

Acidi grassi

Oli lubrificanti bitumi coke

Bitumi fluidiBitumi ossidat

Leganti, flussanti

Asfalti isolanti

Acidi solfoniciAcido solforico

Detrsivi sinteticifertilizzanti


La raffinazione del petrolio: i processi

Da EST Mondadori


Petrolio: prodotti di trasformazione


Immagazzinamento del petrolio grezzo e del gas naturale

1) Serbatoi esterni 2) Depositi sotterranei

(i serbatoi più comuni sono di forma cilindrica o sferica)


Immagazzinamento sotterraneo di idrocarburi


Il futuro del petrolio

• Ripresa di campi abbandonati e recupero totale del giacimento

• Perfezionamento della prospezione e scoperta di nuovi giacimenti

• Tecniche estrattive per altri tipi di giacimenti (fondali marini, ..)

• Produzione di idrocarburi da carbone


La formazione chimica del petrolio


La composizione chimica del petrolio

� Il petrolio è una miscela di idrocarburi liquidi, solidi e gassosi (centinaia di composti diversi), di idrocarburi solforati, ossigenati e azotati

� Idrocarburi = composti chimici tra idrogeno e carbonio, rappresentano la gran parte del petrolio

� Idrocarburi solforati, ossigenati e azotati= composti di idrogeno e carbonio con piccole percentuali di zolfo e/o di azoti e/o di ossigeno

� Questa composizione si è creata per il 60% del petrolio tra 120 e 80 milioni di anni fa.


Petrolio come fonte di idrocarburi

Idrocarburi: le classi principali

Anelli benzeniciCicliCatene aperte

Idrocarburiaromatici

Idrocarburialiciclici

Idrocarburialifatici

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3


Idrocarburi alifaticiCatene lineari e ramificate (libro di testo pag 659)

Formula generale

CnH2n+2

C1 = metano CH4C2 = etano C2H6C3 = propano C3H8C4 = butano C4H10C5 = pentan0 C5H12C6 = esano C6H14C7 = eptano C7H16C8 = ottano C8H18

2-metil-esanoC7H16

Butano o n-butanoC4H10

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3


Idrocarburi alifatici saturi e insaturi

2-pentino C5H8

Insaturi

Legami CΞC (tripli)Alchini

2-pentene C5H10

Insaturi

Legami C=C (doppi)Alcheni

pentano C5H12

Saturi

Legami C-C (semplici)AlcaniCH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3


Idrocarburi aliciclici

Insaturi

Legami C=C (doppi)

1 o più anelli

Saturi

Legami C-C (semplici)

1 o più anelli

1,3-cicloesadieneCicloalcheni

cicloesano

metil-3-etil-ciclopentano

ciclopentil-cicloesil-metano

o metil(-ciclopentil)-cicloesano

Cicloalcani

CH3

CH3


Idrocarburi aromatici

Naftalene C10H8

Antracene C14H10

Anelliaromatici fusi

Policicliciaromatici

Sostituzionedi 1 H con una catena

alchilica

Insaturo

Legami C-C (semplici) e legami C=C

(doppi) alternati

1,2-dimetil-benzeneAlchilbenzeni

Benzene, C6H6

Anelloaromatico

CH3

CH3


Processi di modifica degli idrocarburi

Cracking: rottura delle catene lunghe per ottenerecatene corte tipiche delle benzine

– Aumento della frazione leggera– Impiego di catalizzatori

Reforming: produzione di catene ramificate (possibiledurante il processo di cracking con adatti catalizzatori)– Aumento del numero di ottani della benzina (parametro per la qualità) o del numero di cetano del gasolio


Il cracking catalitico: da olio paraffinico a benzina mediante ferro


Il cracking catalitico: la verifica analitica(gascromatografia)


Composti con eteroatomi in catene e anelli

• Composti solforati (S)• Composti azotati (N)• Composti ossigenati (O)• Composti alogenati (F, Cl. Br, I)• Composti fosforilati (P)• Composti organometallici (metalli)


Gruppi funzionali (sostituenti di H) e classi di composti organici

• C-OH alcoli

• C=O aldeidi

chetoni

CH3

O

CH3

CH3

O

CH3

OH


Gruppi funzionali (sostituenti di H) e classi di composti organici

• R-COOH acidi

• C-O-C eteri

• R-COOR esteri

(R = C o catena di atomi C)

R OH

O

R O

O

R

RO

R


Gruppi funzionali e classi di composti organici

• R-NH2, R-NHR, R3-N

ammine

• R-CONH2, R-CONHR, R-CONR2

ammidi

CH3

NH2

CH3 NH

CH3

CH3 N

CH3

CH3

CH3

NH CH3

OCH3

N CH3

O

CH3

CH3

NH2

O


La conferma dei gruppi funzionali: spettroscopia infrarossa (IR)


Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di massa (MS)


Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di risonanza magnetica

nucleare (NMR)n-propano n-propanolo o 1-propanolo


Ulteriore conferma dell’identità molecolare: spettroscopia di risonanza magnetica

nucleare (NMR)


Reazioni degli alcani: sostituzione radicalica


Reazioni degli alcheni: addizione elettrofila


Reazioni di alcoli e alogenuri alchilici:sostituzione nucleofila


Reazioni degli aromatici: sostituzione aromatica elettrofila


Reazioni di acidi, alcoli e ammine: attacco nucleofilo al carbonio carbonilico

O

O

R H OR H

O+

H

R'O

H

OH

OR'

R OH

OH

OR'

R O+

H

H

O+

OR'

R

H

O

O

R R'

H+ H+

Analogamente con R’-NH2 invece di R’-OH


Isomeria strutturale e spaziale

• Isomeria strutturale– Diversa concatenazione degli atomi nella molecola– Diverso “scheletro” carbonioso e/o diversi gruppi

funzionali – Proprietà fisiche e chimiche diverse

• Isomeria spaziale (stereoisomeria)– Isomeria cis/trans o geometrica (doppi legami o cicli)– Isomeria di conformazione (rotazione di gruppi)– Isomeria di configurazione (atomi C asimmetrici o

chirali)


Isomeria di struttura

La diversa concatenazione dei legami genera strutture diverse:

- stessa formula molecolare- diversa formula di struttura- composti con proprietà fisiche e chimiche diverse


Isomeri di struttura

Cl

ClCl

Cl

OHO

n-pentano 2-metil-butano

1,2-dicloro-benzene 1,3-dicloro-benzene

1-propanolo metil-etil-etere


Isomeria geometrica

Un legame doppio C=C oppure un ciclo generano due diverse possibilità di disporre i leganti sui due atomi C contigui:disposizione CIS se stanno dalla stessa parte, disposizione TRANS se si ritrovano opposte:composti con proprietà fisiche e chimiche diverse.

In luogo dei prefissi CIS e TRANS si usano pure i prefissi E (entgegen, contrapposti = TRANS) e Z (zusammen, insieme = CIS).


Isomeri geometrici

H

Cl

Cl

H

H

Cl

H

Cl

cis-1,2-dicloro-etene trans-1,2-dicloro-etene

OH

OHH

HH

OHH

OH

cis-1,3-esandiolo trans-1,3-esandiolo


Isomeri geometrici


Isomeria di conformazione

La rotazione attorno ad un legame semplice C-C produce forme diverse per la stessa molecola (la rotazione non è possibile attorno ad un legame doppio C=C o attorno ad un ciclo).Non si generano molecole diverse ma diverse forme spaziali per la stessa molecola. Si tratta sempre dello stesso composto!La conformazione assunta dalla molecola dipende dalla temperatura, principalmente a causa di repulsioni tra gruppi presenti nella molecola stessa.


Isomeria di configurazione

Un atomo di carbonio che porta quattro leganti diversi genera un centro di asimmetria (chiralità):

- si generano molecole diverse, speculari tra di loro:- composti con comportamento chimico diverso di fronte a

reagenti pure chirali- diversa direzione di rotazione della luce polarizzata


Isomeri di configurazione

L’atomo di carbonio centrale è legato a quattro leganti diversi: rappresenta un centro di asimmetria detto anche carbonio chirale.


Enantiomeri e diastereomeri

La molecola di acido tartarico: i due atomi C-2 e C-3 sono asimmetrici e danno le configurazioni R e S, mentre la molecola è simmetrica:esistono quindi due enantiomeri otticamente attivi (R-R e S-S) e un diastereomero otticamente inattivo (R-S).

Pure la miscela 1:1 dei due enantiomeri è otticamente inattiva (miscelaracemica o racemato).


Configurazione assoluta:isomeri enantiomerici R e S

La denominazione R/S segue la regola di Prelog, Ingold e Cahn:si osserva lungo l’asse del legame C-H (C-atomo con massa atomica (MA)minore); si verifica in che direzione occorre ruotare per andare dal legante

con MA maggiore a quello con MA minore (ordine decrescente); se si ruota in senso orario = R, se in senso antiorario = S.


Isomeri di configurazione

Cristalli di acido tartarico: i cristalli degli enantiomerisono speculari


Riferimenti

• Lezioni: unità 14;• Esercizi: unità 14; libro di testo capitoli 5,

17 e 18;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5, 17 e 18.


Equilibrio chimico: le condizioni

• Condizioni:– Stabilità dei parametri T e p– Sistema di reazione chiuso (nessun apporto e

nessuna fuga di materia (reagenti e/o prodotti)

• Particolarità:– Presenza contemporanea di reagenti e prodotti– Proprietà macroscopiche costanti (concentrazione di

reagenti e prodotti, proprietà fisiche misurabili)– Attività miscroscopica

Vedi videate 30 e 31 l’equilibrio della reazione di sintesi dell’ammoniaca


Equilibrio chimico: la costante di equilibrio

Legge di azione di massa:

aA + bB cC + dD

[ ] [ ][ ] [ ] )(

*

*TK

BA

DCba

dc

=

Si tratta di una legge ottenuta attraverso le misurazioni sui sistemi in equilibrio.La costante K tipica per ogni processo in equilibrio ad una data temperatura si dice Costante di Equilibrio (Keq).


I generi più diffusi di equilibrio chimico

– Equilibrio nell’acqua con acidi e basi (equilibrio acido-base)

– Equilibrio di ossido-riduzione (redox)

– Equilibrio di solubilità (equilibrio ionico)


Equilibrio chimico nell’acquaL’acqua pura è un debole conduttore di corrente elettrica: contiene ioni!Questi ioni possono essere solo ioni H+ e OH- prodotti dalla reazione tra molecole d’acqua:

H2O + H2O H+ + OH-

Dalle misure di conducibilità in H2O pura a 25°C:[H+] = 10-7 M; [OH-] = 10-7 M

←→

[ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] Weqeq KOHKOHHK

OH

OHH ===⇒= −−+−+

14222

2

10***


Equilibrio chimico nell’acqua

Definizioni:

[ ] [ ] 1410* −−+ == OHHKW

[ ][ ]−

+

−=−=

OHpOH

HpH

log

log

14=+ pOHpH


Equilibrio chimico nell’acqua

A 25 °C nell’acqua pura:

[ ] [ ] 1410* −−+ == OHHKW

[ ][ ] 710loglog

710loglog7

7

=−=−==−=−=

−−

−+

MOHpOH

MHpH


Equilibrio chimico nell’acqua con acidi e basi

Gli acidi producono in acqua ioni H+ (H3O+)

Le basi producono in acqua ioni OH-

HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)acido base coniugata

Le basi producono in acqua ioni OH-

B + H2O HB + OH- (aq)base acido coniugato


Equilibrio chimico nell’acqua con acidi

HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)acido base coniugata

All’equilibrio: [ ] [ ][ ] [ ]OHHA

AOHKeq

2

3

*

* −+

=

[H2O] ≅ costante (55 M) per soluzioni diluite

[ ] [ ][ ]HA

AOHKacido

−+

= *3

I valori di Kacido (KA) sono tabellati (25°C): vedi libro di testo Append ice 2.4


Equilibrio chimico nell’acqua con acidi forti: calcolo del pH

HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)→←

[ ] [ ][ ]HA

AOHK A

−+

= *3

Un acido forte disciolto in concentrazione [HA]0 dissocia in misura praticamente completa (KA = ∝)

All’equilibrio: [A-] ≅ [HA]0 ≅ [H3O+]

[ ] [ ] [ ][ ]0

03

log HApH

HAAOH

−=≅≅ −+


Equilibrio chimico nell’acqua con acidi deboli: calcolo del pH

HA + H2O A- (aq) + H3O+ (aq)←→

[ ] [ ][ ]HA

AOHK A

−+

= *3

Un acido debole disciolto in concentrazione [HA]0 dissocia in misura limitata, normalmente trascurabile

All’equilibrio [HA] ≅ [HA]0

[ ] [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]

03

3

03

*

**

HAKOH

AOH

HAKAOH

A

A

=

≅

=

+

−+

−+


Equilibrio chimico nell’acqua con basi

B + H2O HB + OH- (aq)base acido coniugato

←→

[ ] [ ][ ] [ ]OHB

OHHBKeq

2*

* −+

=All’equilibrio:

[H2O] ≅ costante (55 M) per soluzioni diluite

[ ] [ ][ ]B

OHHBKbase

−+

= *

I valori di Kbase (KB) sono tabellati (25°C) : vedi libro di testo Appen dice 2.4


Equilibrio chimico nell’acqua con basi forti: calcolo del pH

B + H2O HB+ (aq) + OH- (aq)→←

[ ] [ ][ ]B

OHHBKB

−+

= *

Un acido forte disciolto in concentrazione [B]0 dissocia in misura praticamente completa (KB = ∝), [B] ≅ 0

All’equilibrio: [OH-] ≅ [B]0 ≅ [OH-]

[ ] [ ] [ ][ ]

pOHpH

BpOH

BHBOH

−=−=

≅≅ +−

14

log 0

0


Equilibrio chimico nell’acqua con basi deboli: calcolo del pH

B + H2O HB+ (aq) + OH- (aq)←→

[ ] [ ][ ]B

OHHBKB

−+

= *

Una base debole disciolta in concentrazione [B]0 dissocia in misura limitata, normalmente trascurabile

All’equilibrio [B] ≅ [B]0

[ ] [ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ]

0

0

*

**

BKOH

HBOH

BKOHHB

B

B

=

≅

=

−

+−

−+


Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico (aspirina)

Analisi HPLC: -profilo bianco: soluzione di aspirina in acqua; si osservano due picchi corrispondenti all’acido e alla base coniugata (ione acetilsalicilato); la forma acida è presente in concentrazione maggiore (area del picco maggiore); l’acido è poco dissociato!

-profilo verde: soluzione di aspirina con acetato di sodio; si nota un solo picco corrispondente alla base coniugata; l’equilibrio si è spostato verso la forma basica (la forma acida ha reagito praticamente a completezza).


Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico + acetato di sodio

L’acido acetilsalicilico è un acido debole e dissocia debolmente in base coniugata (ione acetilsalicilato) e H3O+

Lo ione acetato è una base e reagisce con H3O+

OH

O

OH

O

O

OH

+ H2O + H3O+

Acido acetilsalicilico Acetilsalicilato

O

O

OH

O

+ H3O+ + H2O

Acetato Acido acetico


Equilibrio chimico nell’acqua con acido acetilsalicilico + acetato di sodio

Se la concentrazione di H3O+ viene abbassata l’acido acetilsalicilico è indotto a dissociare: si trasforma praticamente a completezza in acetilsalicilato

Si può dare una spiegazione al fenomeno anche attraverso una reazione diretta tra acido acetilsalicilico e ione acetato

OH

O

OH

O

O

OH+ H2O + H3O+

Acido acetilsalicilico Acetilsalicilato

OH

O

OH

O

O

OH

O

O

+ H2O+

Acido acetilsalicilico AcetilsalicilatoAcetato


Riferimenti

• Lezioni: unità 13;• Esercizi: Libro di testo, capitoli 5, 12 e 16;• Libro di testo: cerca nei capitoli 5, 12 e 16.


Equilibrio di solubilità nell’acqua con composti ionici

A+aB-

b(s) aA+ (aq) + bB- (aq)

[ ] [ ][ ]

[ ][ ] [ ] [ ]ba

PSeq

ba

eq

BAKABK

teAB

AB

BAK

−+

−+

==⇒

=

=

**

tancos

;*

I valori di KPS (prodotto di soloubilità) sono tabellati: libro di testo pag. 464,Wikipedia, Handbook of Chemistry and Phisics, …..

Come ogni costante di equilibrio KPS dipende dalla temperatura!


Equilibrio nell’acqua con composti ionici: calcoli di solubilità e di concentrazione

Da KPS si calcolano la solubilità e la concentrazione degli ioni nella soluzione satura.Es: solubilità di Ca(OH)2 a 25°C:

Ca(OH)2(s) Ca2+(aq) + 2OH-(aq)

KPS = 6.5*10-6 = [Ca2+]*[OH-]2

Calcolo della solubilità (S) del composto e delle concentrazioni ioniche all’equilibrio: S = [Ca2+]; [OH-] = 2*[Ca2+] (dalla stechiometria del processo!)

[ ][ ] MOH

MCa

MK

S

KSSS

PS

PS

2

22

23

32

10*4.2

10*2.1

10*2.14

4)2(*

−−

−+

−

==

==

==


Riferimenti

• Lezioni: unità 14;• Esercizi: Libro di testo, capitoli 6 e 20.• Libro di testo: cerca nei capitoli 6 e 20 ;


Equilibri di ossido-riduzione

Reazione generale

aArid + bBox aAox + bBrid

Nel caso delle celle galvaniche (pile) è possibile calcolare il potenziale elettrochimico in condizioni standard (T=25°C, conc entrazioni ioniche = 1 M, pgas= 1 bar) attraverso i potenziali standard di riduzione: libro di testo, Appendice 2.5Es:

Cu2+(aq) + Zn(s) Zn2+(aq) + Cu(s)

E°= 0,34 V + (-(-0,76 V)) = 1,1 VFintanto che E > 0 la reazione avviene procede nel senso corrispondente.

Le concentrazioni ioniche evolvono fino a che E=0

situazione di equilibrio (pila scarica)

[ ] [ ][ ] [ ]b

oxa

rid

brid

aox

eqBA

BAK

*

*=


Equilibri di ossido-riduzione nelle pile: calcolo di Keq

Reazione generaleaArid + bBox aAox + bBrid

Equazione di Nernst (condizioni non standard):

n = numero di elettroni scambiati

All’equilibrio: E = 0,

[ ] [ ][ ] [ ]b

oxa

rid

brid

aox

eqBA

BAK

*

*=

eqKn

EE log*0592.0−°=

0592.0

*

10nE

eqK°

=

corso di chimica di base - index out of range | francesco ... · liceo lugano 2. corso base di...

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