la chimica di rippa - secondo biennio.pdf

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Realizzazione editoriale: Adattamento della terza edizione di Mario Rippa, Fondamenti di chimica e stesura dei capitoli 9, 11, 12 e 15: Matteo Reggiani Rilettura critica: Stefano Piazzini Progetto grafico: Chialab, Bologna Disegni: Andrea Pizzirani

Copertina: Progetto grafico e realizzazione: Chialab, Bologna Immagine di copertina: iStockphoto

Prima edizione: marzo 2012

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III

Fondamenti di chimica:un riepilogo del primo biennio0.1 La chimica e la struttura dellatomo .................................................................................. CH/10.2 Le leggi ponderali della chimica ........................................................................................... CH/30.3 Sistema periodico e classificazione degli elementi .................................................. CH/50.4 La mole .................................................................................................................................................. CH/60.5 Lo stato aeriforme .......................................................................................................................... CH/70.6 Lo stato liquido ............................................................................................................................... CH/90.7 Lo stato solido e i passaggi di stato ............................................................................... CH/100.8 Le soluzioni ..................................................................................................................................... CH/11

C APITOLO 0

INDICE La chimica di Rippa - primo biennio

indice

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Mario Rippa LA CHIMICA DI RIPPA Italo Bovolenta Editore 2012 Dalla struttura degli atomi e delle molecole alla chimica della vita

IV

INDICE La chimica di Rippa - secondo biennio

La struttura dellatomo9.1 Latomo come sistema planetario ......................................................................................... CH/139.2 La radiazione elettromagnetica .......................................................................................... CH/149.3 I quanti di energia ...................................................................................................................... CH/15

|PER SAPERNE DI PI| > Lo spettro del corpo nero e la catastrofe ultravioletta ...................................................................................................................................... CH/17

9.4 Latomo di Bohr ............................................................................................................................. CH/17|PER SAPERNE DI PI| > I fuochi dartificio ........................................................................... CH/20

9.5 Le energie di ionizzazione ........................................................................................................ CH/209.6 Lelettrone-onda ............................................................................................................................ CH/219.7 Il concetto di orbitale .............................................................................................................. CH/239.8 I numeri quantici ......................................................................................................................... CH/249.9 Gli orbitali s, p, d, f ................................................................................................................... CH/279.10 Lenergia degli orbitali .............................................................................................................. CH/299.11 Lordine di riempimento degli orbitali e la configurazione

elettronica totale ......................................................................................................................... CH/30

Struttura elettronica e propriet periodiche10.1 Periodicit delle propriet degli elementi ....................................................................... CH/3710.2 Sistema periodico e configurazione elettronica degli elementi ..................... CH/3710.3 Configurazione elettronica esterna .................................................................................. CH/4010.4 Configurazione elettronica e propriet degli elementi.......................................... CH/4110.5 Volume atomico e raggio atomico .................................................................................... CH/4210.6 Energia di ionizzazione e affinit elettronica ........................................................... CH/4410.7 Il carattere metallico ................................................................................................................. CH/4410.8 Elettronegativit .......................................................................................................................... CH/45

C APITOLO 9

C APITOLO 10

DIDATTIC A ATTIVA

DIDATTIC A ATTIVA

ANIMAZIONE

Tavola periodica interattivad

FIGURE PARLANTI (10.8 - 10.11)I

LABORATORIO SEMPLICE

Tavola periodica e numeri quantici


Elettronegativit

APPROFONDIMENTO

Raggio atomico e salinitdelloceano

A

ANIMAZIONE

Energia di ionizzazione e livelli energeticid



Spettroscopia chimica

ATTIVIT

Effetto fotoelettrico

SCHEDA DI LABORATORIO

Analisi alla fiamma e spettroscopiab

APPROFONDIMENTO

Lo spettro del SoleA

APPROFONDIMENTO

Il modello elettronico a gusciA

ATTIVIT

Luci al neon e altre lampade a scarica

ANIMAZIONE

La struttura elettronica degli elementidAPPROFONDIMENTO

Configurazione elettronica totale degli elementiA


VINDICE La chimica di Rippa - secondo biennio

Legame chimico11.1 I legami chimici ........................................................................................................................... CH/5111.2 La configurazione stabile a bassa energia e la regola dellottetto ............ CH/5211.3 Il legame ionico ......................................................................................................................... CH/5311.4 Il legame covalente omopolare ........................................................................................ CH/54

|PER SAPERNE DI PI| > Linus Pauling, uno scienziato rivoluzionario ........... CH/5711.5 Il legame covalente eteropolare ...................................................................................... CH/5711.6 Il legame covalente dativo ................................................................................................. CH/59

|PER SAPERNE DI PI| > Regole per ricavare le strutture di Lewis delle molecole ............................................................................................................................... CH/60

11.7 Il legame metallico .................................................................................................................. CH/6111.8 Legame chimico e posizione degli elementi nel Sistema periodico .......... CH/6111.9 I legami chimici secondari .................................................................................................. CH/6311.10 Le interazioni di Van der Waals ........................................................................................ CH/6311.11 Il legame idrogeno ................................................................................................................... CH/6411.12 Il legame ione-dipolo ............................................................................................................. CH/6511.13 Energia e lunghezza di legame ......................................................................................... CH/66

|PER SAPERNE DI PI| > Van der Waals e larte di arrampicarsi sugli specchi .. CH/68

Forma delle molecole e propriet delle sostanze12.1 Angolo di legame e forma delle molecole ..................................................................... CH/7312.2 Il modello VSEPR ........................................................................................................................ CH/7312.3 Teoria degli orbitali ibridi .................................................................................................... CH/7712.4 Forma e polarit delle molecole ....................................................................................... CH/7912.5 Polarit e miscibilit ............................................................................................................... CH/8112.6 La formazione delle soluzioni ............................................................................................ CH/8212.7 Soluzioni di un solido in un liquido................................................................................ CH/83

C APITOLO 11

C APITOLO 12DIDATTIC A ATTIVA

DIDATTIC A ATTIVA

APPROFONDIMENTO

Laccumulo e la carenza delle vitamine negli organismiA


Forma delle molecole ed elettricit

ATTIVIT

Forma delle molecole

FIGURE PARLANTI (12.2 - 12.4 - 12.11 - 12.12)I


Conducibilit elettrica delle sostanze

APPROFONDIMENTO

Dal modello VSEPR al modello VSEDA

APPROFONDIMENTO

Lenergia di legame e la degradazionedei minerali

A

ATTIVIT

Polarit delle molecole

FIGURE PARLANTI (11.2 - 11.10 - 11.17)I


I legami chimici

APPROFONDIMENTO

La teoria degli orbitali molecolariA


Decomposizione di una sostanza pura con il caloreb

ANIMAZIONE

Il legame ionico e il legame metallicod

ANIMAZIONE

Il legame covalented


VI


Nomi e formule dei composti chimici13.1 La formula di un composto .................................................................................................... CH/8813.2 Valenza e numero di ossidazione ..................................................................................... CH/8813.3 Calcolo del numero di ossidazione ................................................................................. CH/9013.4 Numero di ossidazione e formule .................................................................................... CH/9313.5 Nomenclatura chimica ............................................................................................................ CH/94

|PER SAPERNE DI PI| > Il nome dei sali ............................................................................... CH/9413.6 Il nome delle sostanze allo stato elementare ......................................................... CH/9513.7 Il nome degli ossidi ................................................................................................................. CH/9613.8 Il nome degli idracidi e degli idruri .............................................................................. CH/9713.9 Il nome dei perossidi .............................................................................................................. CH/98

|PER SAPERNE DI PI| > I perossidi: un ossigeno di troppo ....................................... CH/9913.10 Il nome dei sali binari ............................................................................................................ CH/9913.11 Il nome degli idrossidi ........................................................................................................ CH/10013.12 Il nome degli ossoacidi ...................................................................................................... CH/10113.13 Il nome dei radicali acidi .................................................................................................. CH/10313.14 Il nome degli ioni positivi ................................................................................................ CH/10413.15 Il nome dei sali ternari ....................................................................................................... CH/105

C APITOLO 13

DIDATTIC A ATTIVA

FIGURA PARLANTE (13.3 - 13.5 - 13.9 - 13.13)I


Valenza e numero di ossidazione

APPROFONDIMENTO

Il nome dei mineraliA


VII


Propriet delle soluzioni14.1 Dissociazione elettrolitica .................................................................................................. CH/11014.2 Ionizzazione in soluzione .................................................................................................. CH/11114.3 Elettroliti forti ed elettroliti deboli ............................................................................ CH/112

|PER SAPERNE DI PI| > Svante Arrhenius e la dissociazione elettrolitica .... CH/11314.4 Propriet delle soluzioni .................................................................................................... CH/11414.5 Abbassamento della pressione di vapore ................................................................. CH/11514.6 Innalzamento della temperatura di ebollizione .................................................. CH/11614.7 Abbassamento della temperatura di solidificazione ......................................... CH/11814.8 Osmosi ........................................................................................................................................... CH/12114.9 Pressione osmotica ................................................................................................................ CH/122

|PER SAPERNE DI PI| > Losmosi inversa .......................................................................... CH/12414.10 Calcolo della pressione osmotica .................................................................................. CH/124

C APITOLO 14

DIDATTIC A ATTIVA

APPROFONDIMENTO

Il passaggio di sostanze attraverso la membrana plasmatica

A

ANIMAZIONE

Losmosi nelle celluled


Propriet colligative

ANIMAZIONE

Dissociazione ionica, dissoluzionemolecolare e reazione di ionizzazioned

ATTIVIT

Soluzioni di zucchero e sale



Osmosi nelluovo

Reazioni chimiche15.1 Classificazione delle reazioni chimiche .................................................................... CH/12915.2 Stechiometria delle reazioni chimiche ...................................................................... CH/13215.3 Il reagente limitante ............................................................................................................ CH/13415.4 Stechiometria delle reazioni in soluzione ............................................................... CH/13515.5 La resa di reazione ................................................................................................................. CH/137

C APITOLO 15

ATTIVIT

Reagenti e prodotti

FIGURA PARLANTE (15.12)I


Le reazioni chimiche

DIDATTIC A ATTIVA

APPROFONDIMENTO

Azoto: il fattore limitantedegli ecosistemiA


VIII


Energia e velocitdelle reazioni chimiche16.1 Energia di legame ed energia chimica .................................................................... CH/14116.2 Primo principio della termodinamica e sistemi chimici .............................. CH/14216.3 Entalpia e calore di reazione ........................................................................................ CH/14416.4 Entalpia standard di formazione ................................................................................. CH/14616.5 Reazioni di combustione e calore .............................................................................. CH/147

|PER SAPERNE DI PI| > Lidrogeno, un combustibile alternativo ................ CH/14816.6 La legge di Hess .................................................................................................................... CH/14916.7 Calore di reazione e vita .................................................................................................. CH/15016.8 Spontaneit delle reazioni chimiche ed entropia ............................................ CH/151

|PER SAPERNE DI PI| > Il calorimetro .......................................................................... CH/15416.9 Velocit delle reazioni chimiche ................................................................................. CH/15416.10 Velocit e concentrazione dei reagenti .................................................................. CH/15516.11 Teoria degli urti e fattore sterico ............................................................................... CH/15716.12 Lenergia di attivazione .................................................................................................... CH/15816.13 Velocit e temperatura ..................................................................................................... CH/15916.14 Velocit e suddivisione dei reagenti ........................................................................ CH/16016.15 Velocit e catalizzatori ..................................................................................................... CH/161

C APITOLO 16

DIDATTIC A ATTIVA



Entalpia, entropia, energia libera

ATTIVIT

Reazioni e velocit di reazione


Influenza della concentrazione dei reagenti sulla velocit di una reazioneb


Influenza della temperatura sulla velocit di una reazioneb


Influenza della suddivisione dei reagenti sulla velocit di una reazioneb


Influenza di un catalizzatore sulla velocit di una reazioneb

APPROFONDIMENTO

Gli enzimi: catalizzatori biologiciA

APPROFONDIMENTO

Il potere calorifico dei combustibiliA


IX


Lequilibrio chimico17.1 Reversibilit delle reazioni chimiche ......................................................................... CH/16717.2 Lequilibrio chimico ............................................................................................................. CH/16917.3 Dinamicit dellequilibrio chimico ............................................................................. CH/17017.4 La legge di azione di massa .......................................................................................... CH/17117.5 La costante di equilibrio ................................................................................................. CH/17217.6 Reazioni di equilibrio in fase gassosa .................................................................... CH/17417.7 Quoziente di reazione ........................................................................................................ CH/17517.8 Equilibri eterogenei ............................................................................................................ CH/17717.9 Il principio dellequilibrio mobile .............................................................................. CH/177

|PER SAPERNE DI PI| > Equilibri dei gas nel sangue ............................................... CH/17917.10 Effetto della pressione sullequilibro chimico .................................................... CH/18017.11 Effetto della temperatura sullequilibrio chimico ............................................ CH/18217.12 Il prodotto di solubilit e leffetto dello ione in comune .......................... CH/183

|PER SAPERNE DI PI| > Le grotte, le stalattiti e lequilibrio del carbonato di calcio ....................................................................................................... CH/186

17.13 Solubilit e precipitazione ............................................................................................. CH/187

C APITOLO 17

DIDATTIC A ATTIVA

ATTIVIT

Lo stato di equilibrio


Lequilibrio chimico

FIGURE PARLANTI (17.3 - 17.6 - 17.7 - 17.10 - 17.12)I

APPROFONDIMENTO

Il processo Haber-Bosch:come sfruttare lequilibrio mobile

A

APPROFONDIMENTO

Il solfato di bario e lintestinoai raggi X

A


XINDICE La chimica di Rippa - secondo biennio

Acidi e basi18.1 Propriet degli acidi e delle basi ............................................................................... CH/19318.2 Acidi e basi secondo Brnsted-Lowry ..................................................................... CH/19518.3 Coppie coniugate acido-base ........................................................................................ CH/19618.4 Acidi e basi secondo Lewis ............................................................................................ CH/19818.5 La ionizzazione e il prodotto ionico dellacqua ................................................ CH/19918.6 Soluzioni acide, basiche e neutre .............................................................................. CH/20018.7 Il pH ............................................................................................................................................. CH/201

|PER SAPERNE DI PI| > Il pH della pelle .................................................................... CH/20318.8 Elettronegativit e comportamento acido, basico o anfotero ................. CH/20418.9 Costante di dissociazione e forza di acidi e basi ............................................. CH/20518.10 Calcolo del pH delle soluzioni ...................................................................................... CH/20718.11 Elettronegativit e forza di acidi e basi ................................................................ CH/20918.12 Reazioni acido-base ............................................................................................................ CH/21018.13 Lidrolisi salina ....................................................................................................................... CH/21118.14 Le soluzioni tampone ........................................................................................................ CH/213

|PER SAPERNE DI PI| > Tamponi di pH nel sangue .............................................. CH/21518.15 Gli indicatori di pH ............................................................................................................. CH/21618.16 La titolazione acido-base ................................................................................................ CH/21718.17 Equivalente chimico e normalit ................................................................................ CH/219

C APITOLO 18

DIDATTIC A ATTIVA


ATTIVIT

Scala del pH

ATTIVIT

Soluzioni acide e basiche

APPROFONDIMENTO

Le piogge acideA


Forza degli acidib


Titolazione acido-baseb


Acidi, basi e indicatori


XI


Elettrochimica19.1 Elettricit e chimica ............................................................................................................. CH/22819.2 Le reazioni redox .................................................................................................................. CH/228

|PER SAPERNE DI PI| > Luigi Galvani e lelettricit delle rane .......................... CH/22919.3 Le semireazioni redox ........................................................................................................ CH/23119.4 Bilanciamento delle reazioni redox ........................................................................... CH/23219.5 Le pile elettriche .................................................................................................................. CH/234

|PER SAPERNE DI PI| > Alessandro Volta: non solo pile ........................................ CH/23619.6 Il potenziale di riduzione ................................................................................................ CH/236

|PER SAPERNE DI PI| > Reazioni di ossidoriduzione e corrosione ................... CH/23819.7 Reazioni tra semielementi .............................................................................................. CH/23919.8 La pila Daniell ........................................................................................................................ CH/23919.9 Forza elettromotrice di una pila ................................................................................. CH/24219.10 Le pile a secco ....................................................................................................................... CH/24319.11 Gli accumulatori .................................................................................................................... CH/24419.12 Conduttori di prima e seconda classe ..................................................................... CH/24419.13 La conducibilit elettrica delle soluzioni .............................................................. CH/24519.14 Lelettrolisi ................................................................................................................................ CH/24619.15 Elettrolisi e potenziale di riduzione ......................................................................... CH/24819.16 Applicazioni industriali dellelettrolisi .................................................................... CH/24819.17 Prima legge di Faraday ..................................................................................................... CH/249

|PER SAPERNE DI PI| > Faraday: una vita per la scienza ....................................... CH/25019.18 Seconda legge di Faraday ................................................................................................ CH/250

C APITOLO 19

DIDATTIC A ATTIVA


Elettrolisi dellacqua


Le pile


Conducibilit elettrica dei liquidib


Costruzione di alcune pileb

APPROFONDIMENTO

Reazioni di ossidoriduzione e viventiA

FIGURE PARLANTI (19.3 - 19.6 - 19.12)I


XII


Chimica inorganica20.1 La chimica inorganica ....................................................................................................... CH/25720.2 Preparazione degli elementi dai loro composti ................................................. CH/25720.3 Gli elementi del gruppo 1 ............................................................................................... CH/25920.4 Gli elementi del gruppo 2 ............................................................................................... CH/26020.5 Gli elementi metallici del gruppo 13 ....................................................................... CH/26220.6 Gli elementi metallici del gruppo 14 ....................................................................... CH/26320.7 Gli elementi di transizione e i composti di coordinazione ........................ CH/26420.8 Il ferro ......................................................................................................................................... CH/26620.9 Altri elementi di transizione ......................................................................................... CH/26820.10 Il non-metallo del gruppo 13: il boro ..................................................................... CH/26920.11 Non-metalli del gruppo 14: il carbonio ................................................................. CH/27020.12 Non-metalli del gruppo 14: silicio e germanio .................................................. CH/27220.13 Gli elementi del gruppo 15 ............................................................................................ CH/27320.14 Lazoto e i suoi composti ................................................................................................ CH/27420.15 Il fosforo e i suoi composti ........................................................................................... CH/27520.16 Arsenico, antimonio e bismuto ................................................................................... CH/276

|PER SAPERNE DI PI| > Napoleone e lavvelenamento da arsenico ........... CH/27620.17 Gli elementi del gruppo 16 ............................................................................................ CH/27720.18 Lossigeno .................................................................................................................................. CH/27720.19 Lo zolfo e i suoi composti .............................................................................................. CH/27820.20 Un non-metallo senza gruppo: lidrogeno ............................................................ CH/28020.21 Gli elementi del gruppo 17 ............................................................................................ CH/28220.22 Il cloro e i suoi composti ................................................................................................ CH/28220.23 Fluoro, bromo, iodio e loro composti ...................................................................... CH/283

|PER SAPERNE DI PI| > Lo iodio nel corpo ................................................................ CH/28320.24 Gli elementi del gruppo 18 ............................................................................................ CH/284

C APITOLO 20

DIDATTIC A ATTIVA


APPROFONDIMENTO

Il buco dellozonoA

APPROFONDIMENTO

Idrogeno: il combustibile delle stelleA


Decomposizione dellacquaper elettrolisib


XIII


Radioattivit e reazioni nucleari21.1 La scoperta della radioattivit ....................................................................................... CH/28821.2 Lera atomica ............................................................................................................................. CH/28921.3 Il nucleo dellatomo e il difetto di massa ................................................................. CH/290

|PER SAPERNE DI PI| > Albert Einstein ........................................................................... CH/29221.4 Nuclei stabili e nuclei instabili ...................................................................................... CH/29221.5 Le radiazioni emesse dai radioisotopi ........................................................................ CH/29321.6 Il decadimento radioattivo .............................................................................................. CH/29421.7 Il tempo di dimezzamento ................................................................................................ CH/29621.8 Le trasmutazioni nucleari .................................................................................................. CH/29821.9 La fissione nucleare .............................................................................................................. CH/29921.10 La fusione nucleare ............................................................................................................... CH/30021.11 Confronto tra reazioni chimiche e reazioni nucleari .......................................... CH/302

C APITOLO 21

DIDATTIC A ATTIVA

ATTIVIT

Decadimento

ATTIVIT

Decadimento

ATTIVIT

Fissione nucleare

APPROFONDIMENTO

Altri tipi di decadimento radioattivo:cattura elettronica ed emissione dipositroni

A


APPROFONDIMENTO

Lenergia nucleareA


Il ghiaccio pesante


XIV


Le propriet dei composti organici22.1 La chimica del carbonio ..................................................................................................... CH/30622.2 Le propriet dellatomo di carbonio ............................................................................ CH/30722.3 Lisomeria nei composti organici .................................................................................. CH/308

|PER SAPERNE DI PI| > La chiralit ................................................................................... CH/31122.4 La forza dei legami nei composti organici ............................................................... CH/31222.5 I gruppi funzionali ................................................................................................................ CH/312

|PER SAPERNE DI PI| > Le creme autoabbronzanti .................................................. CH/31322.6 La reattivit del carbonio .................................................................................................. CH/31522.7 La reattivit dei doppi legami ........................................................................................ CH/31622.8 Atomi elettrofili e nucleofili e reazioni organiche .............................................. CH/31622.9 Propriet fisiche dei composti organici .................................................................... CH/31722.10 Nomenclatura dei composti organici .......................................................................... CH/318

C APITOLO 22

DIDATTIC A ATTIVA

APPROFONDIMENTO

Lattivit ottica e la scoperta dellachiralitA

FIGURA PARLANTE (22.9)I


Propriet ottica delle molecole


XV


Classificazione dei composti organici23.1 Gli idrocarburi ......................................................................................................................... CH/32423.2 Alcani ........................................................................................................................................... CH/32423.3 Alcheni ........................................................................................................................................ CH/32623.4 Alchini ......................................................................................................................................... CH/32823.5 Cicloalcani ................................................................................................................................ CH/32923.6 Idrocarburi aromatici ......................................................................................................... CH/33023.7 Le reazioni di polimerizzazione ................................................................................... CH/332

|PER SAPERNE DI PI| > Giulio Natta e il polipropilene ..................................... CH/33323.8 Le materie plastiche ........................................................................................................... CH/333

|PER SAPERNE DI PI| > Il Pacific Trash Vortex ......................................................... CH/33523.9 Composti monofunzionali e polifunzionali .......................................................... CH/33623.10 Gli alogenuri alchilici e arilici ...................................................................................... CH/33623.11 Gli alcoli ..................................................................................................................................... CH/33723.12 Gli alcoli pi importanti .................................................................................................. CH/33823.13 I fenoli ........................................................................................................................................ CH/34023.14 I tioalcoli .................................................................................................................................. CH/34023.15 Gli eteri ....................................................................................................................................... CH/34123.16 Le aldeidi ................................................................................................................................... CH/34123.17 I chetoni .................................................................................................................................... CH/34223.18 Gli acidi carbossilici ........................................................................................................... CH/34323.19 Gli acidi carbossilici pi importanti ......................................................................... CH/34423.20 Gli acidi grassi ........................................................................................................................ CH/34523.21 Gli esteri .................................................................................................................................... CH/34623.22 I saponi ...................................................................................................................................... CH/34723.23 Le ammine ................................................................................................................................ CH/34723.24 I composti eterociclici ...................................................................................................... CH/348

C APITOLO 23

DIDATTIC A ATTIVA

APPROFONDIMENTO

I feromoniA

APPROFONDIMENTO

Il petrolio e i suoi derivatiA

APPROFONDIMENTO

Etanolo come biocarburanteA

APPROFONDIMENTO

Il bioaccumulo di DDT nelle catene alimentari

A



Reazione di esterificazioneb


XVI


La chimica della vita24.1 La biochimica ........................................................................................................................... CH/35524.2 Carboidrati ................................................................................................................................. CH/356

|PER SAPERNE DI PI| > Louis Pasteur, il chimico che trasform la medicina ................................................................................................................................ CH/356

24.3 Monosaccaridi .......................................................................................................................... CH/35724.4 Disaccaridi e polisaccaridi ................................................................................................ CH/35924.5 Lipidi ............................................................................................................................................. CH/36224.6 Lipidi semplici ......................................................................................................................... CH/36424.7 Lipidi complessi ...................................................................................................................... CH/36424.8 Amminoacidi ............................................................................................................................. CH/36724.9 Peptidi .......................................................................................................................................... CH/369

|PER SAPERNE DI PI| > Amminoacidi e sport .............................................................. CH/37024.10 Proteine ....................................................................................................................................... CH/37024.11 Classificazione e struttura delle proteine ................................................................ CH/37124.12 Proteine ed enzimi ................................................................................................................ CH/37424.13 Basi azotate, nucleosidi e nucleotidi ......................................................................... CH/37524.14 Acidi nucleici ............................................................................................................................ CH/377

|PER SAPERNE DI PI| > La doppia elica: Crick & Watson ....................................... CH/379

Indice analitico (CHIMICA capitoli 9-14) ........................................................................... ia/1

Indice analitico (CHIMICA capitoli 15-24) ........................................................................ ia/9

C APITOLO 24

DIDATTIC A ATTIVA

FIGURE PARLANTI (24.8 - 24.9 - 24.36 - 24.37)ISCHEDA DI LABORATORIO

Curva di solidificazione dellacido stearicob

ANIMAZIONE

Polisaccaridi e lipidid

APPROFONDIMENTO

Le biotecnologieA

Referenze fotograficheLEditore porr rimedio, in caso di segnalazione, alle involontarie omissioni o errori nei riferimenti.

p. 1a, 20, 37, 68, 73, 89, 110, 129, 141, 167a, 179, 193a, 203b, 228ab, 243, 244, 257a, 260, 289, 324, 328, 339, 355, 366b, 371a, iStockphotop. 10, 18, 22, 82ab, 123, 129, 130, 131, 137, 167abc, 183a, 185, 187a, 215. 217, 218, 230, 239, 245, 246, 261a, 263, 271, 272ab, 274, 275, 283ab, 291, 301ab, 315, 342, 372a, 379,

SPL/Londonp. 13, 337a, gettyimagesp. 16, da La riscoperta dellEgitto nel secolo XIX. I primi fotografi, Studioforma, Torino 1981p. 81, 119b, 155a, 214, 238, MILKO MARCHETTIp. 99, 183bc, CLAUDIO PETTINARIp. 113, ANDREA PIZZIRANIp. 257b, 268, da R. HOCHLEITNER, Fotoatlante dei Minerali e rocce, Zanichelli, Bologna 1984p. 337b, da Laria e la vita. Una realt dinamica, a cura di Francesco Soletti, Marsilio, Venezia 1991p. 364, da BRUM, MCKANE, KARP, Biologia, Zanichelli, Bologna, 1996p. 370, Yuzuru Sunada


CH/1

0.1 La chimica e la struttura dellatomo

N ella parte del testo relativa al primo biennio, lo studio della chimica ciha introdotto alla conoscenza delle propriet della materia che ci cir-conda. Il percorso che ora ci accingiamo a riprendere ci permetter di svela-re i segreti delle sostanze naturali, cos da capire anche come stato possi-bile per i chimici ideare e progettare nuovi materiali, quelli che ogni giornofanno fare un passo avanti alla tecnologia in tutti i campi. Prima di affronta-re questa nuova sfida mettiamo per bene a fuoco gli argomenti gi trattati.Nel capitolo riprenderemo e consolideremo i nodi centrali delle conoscenzedi chimica gi acquisite.

La chimica la scienza che studia la materia e le sue trasformazioni.

Le trasformazioni in cui la materia coinvolta possono essere trasforma-zioni fisiche, se varia solo lo stato fisico ed energetico della materia, o tra-sformazioni chimiche, se si ottengono nuove sostanze e si ha una variazio-ne della composizione della materia (figura 0.1). La materia pu essere clas-sificata, secondo la sua composizione, in miscugli e sostanze pure.

I miscugli sono sistemi formati da pi di un componente e hanno compo-sizione variabile. I miscugli possono essere separati nei loro componentitramite trasformazioni fisiche. I miscugli vengono a loro volta divisi in mi-scugli omogenei o soluzioni, quando la composizione e le propriet intensi-ve sono le stesse in ogni parte del sistema, e in miscugli eterogenei, se lacomposizione e le propriet variano da una parte allaltra del sistema.

Le sostanze pure sono sostanze formate da un solo componente e hannoquindi composizione costante. Le sostanze pure vengono classificate in ele-menti, se non possono essere scisse in sostanze pi semplici, e in composti,se sono formate da due o pi elementi. I composti possono essere scissi neglielementi che li costituiscono tramite trasformazioni chimiche (figura 0.2).

Un fiammifero che brucia un esempio di tra-sformazione chimica. Le sostanze che si trovano sulla capoc-chia, i reagenti, si trasformano rapidamente in altre sostanze, iprodotti.

FIGURA 0.1

Fondamenti di chimica:un riepilogo del primo biennio C APITOLO 0

Classificazione della materia in base alla suacomposizione. In natura la materia si trova prevalentemen-te sotto forma di miscugli. Gli oceani e le rocce sono mi-scugli, rispettivamente, omogenei ed eterogenei.

FIGURA 0.2

si presenta in natura sotto forma di

MATERIA

MISCUGLI

COMPOSTI

possono essere possono essere

ETEROGENEIOMOGENEI ELEMENTI

SOSTANZE PURE

Mario Rippa LA CHIMICA DI RIPPA - Vol.1 Italo Bovolenta Editore 2012 Dalla struttura degli atomi e delle molecole alle propriet delle sostanze

CH/2

CAPITOLO 0 Fondamenti di chimica: un riepilogo del primo biennio

NellOttocento si appur che la materia costituita da parti piccolissime,gli atomi.

Latomo la pi piccola parte di un elemento che conserva le proprietchimiche dellelemento stesso.

Un elemento costituito da atomi dello stesso tipo, con le medesime pro-priet chimiche. La prima ipotesi atomica basata su risultati sperimentali sideve allinglese John Dalton e si articola su quattro punti:

la materia costituita da atomi, particelle di materia indivisibili e indistruttibili;

un elemento chimico formato da atomi tutti uguali tra loro; elementi diversi sono formati da atomi diversi per volume, massa

e propriet; atomi diversi possono unirsi tra loro per formare i composti chimici.

Nei composti gli atomi sono tenuti insieme da forze, i legami chimici.Lunione di due o pi atomi produce le molecole.

La molecola la pi piccola parte di un composto che conserva tutte le propriet chimiche del composto stesso.

Nelle reazioni chimiche si formano nuove sostanze per effetto di una ri-combinazione degli atomi tra di loro.

Latomo formato da particelle pi piccole, le particelle subatomiche:

lelettrone una particella con carica elettrica negativa (figura 0.3 A);

il protone una particella con carica elettrica positiva e massa circa duemila volte pi grande di quella dellelettrone (figura 0.3 B);

il neutrone una particella priva di carica elettrica e con massa circauguale a quella del protone (figura 0.3 C).

Gli atomi sono costituiti da particelle suba-tomiche diverse per massa e carica elettrica: gli elettroni(A); i protoni (B) e i neutroni (C).

FIGURA 0.3

Rappresentazione Simbolo

nMassa

(unit di massa atomica)

1,008665 u

Carica(unit atomica di carica)

0

Rappresentazione Simbolo

eMassa


1/1836 u5,4858 10 4 u


1

Rappresentazione

+

Simbolo

p+Massa


1,007276 u


+1

nC

A

B

Normalmente in un atomo il numero di protoni uguale al numero dielettroni, per cui latomo elettricamente neutro.

Gli ioni sono atomi, o gruppi di atomi, dotati di cariche elettriche positiveo negative in quanto hanno ceduto o acquistato elettroni.

Gli atomi, o i gruppi di atomi, con carica positiva sono chiamati cationi,mentre quelli con carica negativa sono gli anioni.


CH/3


Il numero di massa A di un atomo si ottienesommando il numero di neutroni al numero atomico.

FIGURA 0.4

Nel 1911 Rutherford dimostr che latomo costituito da una partecentrale, chiamata nucleo, in cui concentrata quasi tutta la massa, e dauna parte periferica, molto pi grande e quasi vuota, dove si trovano glielettroni. Il raggio di un atomo circa 10000 volte pi grande del raggiodel suo nucleo. Latomo praticamente quasi vuoto. Questo modello detto atomo nucleare.

Le particelle che si trovano nel nucleo sono chiamate nucleoni. Il numerototale di protoni e neutroni presenti in un atomo il numero di massa A. Ilnumero di protoni si chiama numero atomico Z (figura 0.4).

Un elemento chimico formato da atomi con lo stesso numero di proto-ni, cio con lo stesso numero atomico. Ogni elemento rappresentato conun simbolo chimico.

Tutti gli atomi di uno stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni,ma possono avere un numero di neutroni diverso. Atomi che hanno lo stes-so numero di protoni, ma differente numero di neutroni sono detti isotopi.

La formula chimica di una molecola indica la sua composizione quali-tativa e quantitativa, utilizzando i simboli chimici degli elementi che nefanno parte. La formula molecolare indica in quale rapporto sono gli ato-mi che costituiscono una singola molecola.

0.2 Le leggi ponderali della chimica

T ra la fine del Settecento e gli inizi dellOttocento nacque la chimica mo-derna, basata sulla misura della quantit delle sostanze che si combina-no, e si posero le fondamenta per il suo sviluppo.

Nel 1775 Antoine Lavoisier con i suoi esperimenti osserv che:

in una reazione chimica che avvenga in un sistema chiuso la massa dellesostanze reagenti uguale alla massa dei prodotti di reazione.

Questa enunciazione corrisponde a ci che oggi conosciuta come leggedi Lavoisier o legge della conservazione della massa.

La legge delle proporzioni definite, formulata da Joseph-Louis Proust nel1799, afferma che:

quando due o pi elementi si combinano tra loro per dare un composto,lo fanno secondo rapporti in peso determinati e costanti.

Secondo la legge di Proust la composizione percentuale in peso di uncomposto costante.

La legge delle proporzioni multiple, enunciata da John Dalton nel 1803,afferma che:

quando due elementi si combinano per dare pi composti, una stessaquantit di un elemento si combina con quantit multiple dellaltro. Lequantit multiple stanno tra loro come numeri piccoli e interi.

+

+

+

+

Z

79

9

8

=

=

=

=

A

197

19

16

Elemento Numero neutroni

Au (oro)F (fluoro)O (ossigeno)

118

10

8

Fe5626

A numero di massa

Z numero atomico

Simbolo chimico

CH4

simbolo chimicodellelemento

1 atomodi carbonio

4 atomidi idrogeno

indice

Formula molecolare del metano

Le caratteristiche chimiche degli isotopi sono identiche.


CH/4


Le masse degli atomi sono state determinate come pesi atomici relativiutilizzando i rapporti ponderali.

Lunit di misura della massa degli atomi e delle particelle subatomiche lunit di massa atomica (simbolo u), che corrisponde alla dodicesimaparte della massa di un atomo di carbonio 12C.

1 u = 1,66 10 24 g

In natura un elemento sempre presente in una miscela di isotopi. Ilpeso atomico (P.A.) di un elemento il peso medio di un atomo dellele-mento, espresso in unit di massa atomica, e dipende dalle percentuali rela-tive con cui i vari isotopi sono presenti in natura e dalla loro massa.

Il peso molecolare (P.M.) di un composto uguale alla somma dei pesiatomici degli atomi che lo formano (figura 0.5).

==

+ +

C6H12O6

== 180 u

(6 12) (12 1) (6 16)P.M.Il peso molecolare del glucosio C6H12O6 siottiene sommando i pesi atomici di tutti gli atomi che co-stituiscono la molecola.

FIGURA 0.5

In una reazione chimica si rompono e si for-mano legami chimici, per cui si hanno nuove combinazionitra gli stessi atomi. Dai reagenti si passa ai prodotti.

FIGURA 0.6

Reagenti Prodotti

2H2(gas) + O2(gas) 2H2O(gas)

+

+

Fe O

+ OO

Fe O

Fe O

Fe O

OO

Fe

O

Fe

OO

Fe

O

Fe

4FeO O2 2Fe2O3+

(B) Equazione bilanciata

Atomi di ferro = 4

Atomi di ossigeno = 6

Atomi di ferro = 4


(A) Equazione non bilanciata

O2 Fe2O3+

+ OOOO

Fe

O

FeAtomi di ferro = 1


Atomi di ferro = 2


FeO

Fe O

(A), lequazione non rispetta la legge di La-voisier. (B), il bilanciamento si ottiene scrivendo appro-priati coefficienti stechiometrici davanti le formule.

FIGURA 0.7

Le reazioni chimiche sono trasformazioni in cui si formano nuove so-stanze. Le sostanze di partenza sono dette reagenti e quelle che si formanoprodotti. Le reazioni chimiche sono rappresentate tramite le equazioni chi-miche (figura 0.6).

Unequazione chimica deve essere bilanciata per rispettare la legge del-la conservazione della massa. Il bilanciamento di unequazione chimica sirealizza aggiungendo opportuni coefficienti stechiometrici (figura 0.7).


CH/5


0.3 Sistema periodico e classificazione degli elementi

Seguendo le formule dei composti che gli ele-menti formano con lidrogeno, Mendeleev colloc nella stessacolonna gli elementi con comportamento simile. Procedendo inquesto modo rimasero posizioni libere.

FIGURA 0.8

Il Sistema periodico moderno ordina gli ele-menti chimici per numero atomico crescente. composto da 18gruppi e 7 periodi.

FIGURA 0.9

Li7

LiH

H1

Be9,4

BeH2

B11

BH3

C12

CH4

N14

NH3

O16

H2O

F19HF

Na23

NaH

K39KH

Ca40

CaH2

Mg24

MgH2

Al27,3AlH3

?

Si28

SiH4

Ti48

TiH4

P31

PH3

S32H2S

Cl35,5HClI l Sistema periodico racchiude e ordina tutti gli elementi chimici noti. A partire dal diciannovesimo secolo gli scienziati cercarono di organiz-

zare gli elementi chimici in base alle loro somiglianze. Nel 1869 il chimicorusso Dmitrij Mendeleev ordin e classific gli elementi nella Tavola perio-dica. Mendeleev osserv che, disponendo gli elementi in ordine di pesoatomico crescente, alcune propriet chimiche variavano in modo periodicoe si ripetevano ogni otto elementi (figura 0.8).

La legge periodica di Mendeleev afferma che:

le propriet degli elementi variano in modo periodico in funzione delpeso atomico.

Utilizzando la legge periodica, Mendeleev predisse lesistenza e alcunepropriet di elementi ai suoi tempi ancora sconosciuti.

Il Sistema periodico moderno ordina gli elementi in ordine crescente dinumero atomico. Gli elementi risultano disposti in periodi (righe orizzonta-li) e gruppi (colonne verticali). Il periodo e il gruppo in cui si trova un ele-mento costituiscono le sue coordinate chimiche. A ogni coppia di coordi-nate chimiche corrisponde un unico elemento (figura 0.9).

Gli elementi chimici con propriet simili fanno parte della stessa fami-glia chimica. Importanti famiglie chimiche sono: i metalli alcalini (gruppo1), i metalli alcalino-terrosi (gruppo 2), gli alogeni (gruppo 17), i gas nobili(gruppo 18) e gli elementi di transizione.


CH/6


La linea rossa spezzata divide i metalli (asinistra) dai non-metalli (a destra). Gli elementi vicini allalinea hanno caratteristiche intermedie e sono chiamatisemimetalli.

FIGURA 0.10

Il rame un metallo estremamente duttile emalleabile, tanto che viene facilmente ridotto in fili e infogli sottilissimi.

FIGURA 0.11

La massa di una mole varia da elemento aelemento in modo proporzionale alla massa di ogni singoloatomo.

FIGURA 0.12

Gli elementi chimici vengono classificati in metalli, non-metalli e semi-metalli (figura 0.10).

I metalli costituiscono la maggior parte degli elementi del Sistema perio-dico e possiedono alcune caratteristiche comuni: si trovano allo stato solido(tranne il mercurio), sono buoni conduttori, sono duttili, malleabili e lucen-ti (figura 0.11).

I non-metalli sono invece isolanti e friabili, mentre i semimetalli sono se-miconduttori.

0.4 La mole

L a mole lunit di misura del Sistema Internazionale della quantit disostanza. La mole (simbolo mol) definita come la quantit di sostanza pura che

contiene un numero di unit elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni)esattamente uguale al numero di atomi contenuti in 12 g di carbonio 12C.

Una mole di una qualunque sostanza contiene 6,022 1023 unit elemen-tari (figura 0.12).

Il numero di unit elementari contenute in una mole di sostanza dettocostante di Avogadro o semplicemente numero di Avogadro (NA):

NA = 6,022 1023 particelle / mol

Il numero di particelle Np contenute in una data quantit di sostanza n,espressa in moli, uguale a:

numero di particelle (Np) = n (mol) NA (particelle / mol)

Il numero di moli corrispondente a un dato numero di particelle uguale a:

Non capiscoperch ti lamenti:

Una MOLE per unonon fa male a

nessuno!

La mole definita in modo tale per cui la massa in grammi di una moledi una sostanza numericamente uguale al peso atomico o molecolare del-la sostanza stessa ed detta massa molare. Il suo simbolo M e la suaunit di misura grammi/mole (g/mol) (figura 0.13).

Il numero di moli presenti in una certa massa di sostanza uguale a:

n (mol) =Np

NA

n (mol) =m (g)

M (g/mol)


CH/8


Nelle sostanze aeriformi le particelle si muo-vono liberamente in tutte le direzioni.

FIGURA 0.14

Nei gas le particelle sono libere di muoversi, non risentono di forze di at-trazione e occupano perci tutto lo spazio disponibile (figura 0.14).

Il volume di un gas lo spazio a disposizione delle sue particelle e la suapressione la forza che le sue particelle esercitano sulla superficie del reci-piente in cui contenuto.

Le propriet dei gas sono interpretate tramite il modello del gas ideale operfetto, il quale prevede che:

ogni particella in movimento caotico; le particelle sono libere di muoversi in modo indipendente le une dalle

altre; il volume delle particelle praticamente nullo.

I gas reali sono i gas che esistono in natura. Un gas reale che si trova abassa pressione e alta temperatura pu essere considerato un gas ideale.

Le trasformazioni dei gas sono le modificazioni che riguardano i loro va-lori di temperatura, pressione e volume.

La pressione e il volume di un gas sono direttamente proporzionali al suonumero di particelle e quindi al numero di moli di gas.

Queste leggi sono espresse dalle relazioni:

p/n = k

V/n = k

La legge isoterma di Boyle riguarda le trasformazioni a temperatura co-stante e afferma che il volume del gas inversamente proporzionale allasua pressione (figura 0.15). La legge espressa dalla relazione:

p V = k

La legge isocora di Gay-Lussac riguarda le trasformazioni a volume co-stante e afferma che per ogni variazione di 1 grado di temperatura la pres-sione varia di 1/273 della pressione esercitata a 0 C (figura 0.16). La legge espressa dalla formula:

pt = p0 [1 + t/273]

La legge isobara di Charles riguarda le trasformazioni a pressione costan-te e afferma che per ogni variazione di 1 grado di temperatura il volume va-ria di 1/273 del volume occupato a 0 C. La legge espressa dalla formula:

Vt = V0 [1 + t/273]

Anche il grafico di una trasformazione isobara una retta non passantedallorigine degli assi.

In base alle leggi dei gas si pu risalire alla minima temperatura possibile,lo zero assoluto, che corrisponde a 273 C. Nella scala Kelvin, o della tem-peratura assoluta, lo zero (0 K) equivale a 273 C. Per ottenere la tempera-tura in kelvin occorre sommare 273 alla temperatura in gradi centigradi.

Esprimendo la temperatura in valori della scala della temperatura assolu-ta T, la legge isocora e la legge isobara sono cos modificate:

p / T = k (legge isocora)

V / T = k (legge isobara)

Il principio di Avogadro riguarda le trasformazioni a temperatura e pres-sione costante e afferma che volumi uguali di gas diversi contengono lostesso numero di particelle. In altre parole il volume di un gas direttamen-te proporzionale al numero di moli di gas. Una mole di qualsiasi gas allecondizioni normali (0 C; 1 atm) occupa 22,4 litri. Il volume di una mole digas alle condizioni normali chiamato volume molare (L/mol).

Riunendo le leggi dei gas si ottiene unequazione che correla la pressione,la temperatura, il volume e il numero di moli di un gas tramite la costanteuniversale dei gas R. Tale equazione prende il nome di equazione di statodei gas perfetti:

p V = n R T

Il valore di R uguale a 8,31 J/(mol K) oppure 0,0821 atm L / (mol K).

Pres

sio

ne

p

Volume V0

t = costante

isoterma

Il grafico relativo a una trasformazione iso-terma un ramo di iperbole equilatera.

FIGURA 0.15

Il grafico relativo a una trasformazione iso-cora una retta non passante per lorigine degli assi.

FIGURA 0.16

0

isoco

ra

Temperatura t

Pres

sio

ne

p

V = costante


CH/10


0.7 Lo stato solido e i passaggi di stato

N ello stato solido le particelle sono fortemente unite tra di loro tramiteforze e occupano posizione fisse (figura 0.19). Di conseguenza i solidihanno volume e forma propria e sono incomprimibili. Nello stato solido leparticelle possono muoversi esclusivamente con moti vibrazionali e noncon moti rotazionali e traslazionali come nei liquidi e negli aeriformi.

I solidi possono essere solidi cristallini o solidi amorfi. I solidi cristallinisono costituiti da cristalli, strutture caratterizzate dal massimo ordine e daforme poliedriche tipiche, con le particelle che occupano posizioni fisse eregolari (figura 0.20). La disposizione ordinata delle particelle di un solidocristallino determina il reticolo cristallino.

Al contrario nei solidi amorfi, che si formano a seguito di un raffredda-mento veloce di un liquido, le particelle hanno una disposizione spazialenon regolare.

Propriet importanti dei solidi sono: la malleabilit; la duttilit e la du-rezza, misurata con la scala di Mohs.

La temperatura o punto di fusione la temperatura alla quale un solidosi trasforma in liquido nel passaggio di stato chiamato fusione. Questa tem-

peratura coincide con la temperatura opunto di solidificazione, che segna il pas-saggio dallo stato liquido a quello solidonel processo di solidificazione. Il passag-gio diretto dallo stato solido allo stato ae-riforme si chiama sublimazione, il passag-gio inverso brinamento.

La curva di riscaldamento di una so-stanza solida riporta la variazione di tem-peratura che si osserva riscaldando unasostanza pura (figura 0.21). Si osserva chedurante i passaggi di stato la temperaturarimane costante. Questo fenomeno chia-

mato stasi termica. La lunghezza dei tratti rettilinei della curva dipende dalcalore specifico e dal calore latente della sostanza.

Il calore specifico di una sostanza la quantit di calore che bisognafornire a un grammo di sostanza per aumentare la temperatura di ungrado centigrado.

Il calore latente il calore che occorre fornire a un grammo di sostanzaalla temperatura del passaggio di stato per far avvenire il passaggio.

La distillazione il processo che permette di separare i componenti di unmiscuglio liquido, sfruttando il loro diverso punto di ebollizione e conden-sando separatamente i vapori. Qualora le temperature di ebollizione deicomponenti del miscuglio siano molto vicine tra di loro, per rendere possi-bile la separazione si sfrutta la distillazione frazionata. Al distillatore vieneaggiunta una colonna di rettifica, che permette di condensare i vapori menovolatili e separare i componenti della miscela.

Alcune sostanze formano i cristalli liquidi, la cui condizione pu essereconsiderata uno stato intermedio tra lo stato solido e lo stato liquido. Lemolecole dei composti che formano cristalli liquidi possono variare la pro-pria struttura a seconda delle condizioni di pressione e temperatura o perlazione di campi elettrici e assumere una struttura ordinata, come nei soli-di, o una struttura pi disordinata, simile a quella dei liquidi.

I polimeri sono macromolecole ottenute dallunione in catena di moleco-le pi piccole. Esistono polimeri naturali, come i polisaccaridi e le protei-ne, e polimeri sintetici, come il polietilene e il PVC.

Le forze di attrazione presenti tra le parti-celle conferiscono alle unit di base dei solidi una disposi-zione regolare e ordinata.

FIGURA 0.19

I cristalli si formano quando un liquido raf-fredda lentamente o una soluzione concentrata viene lascia-ta cristallizzare: le particelle hanno il tempo sufficiente performare strutture ordinate.

FIGURA 0.20


CH/11


Durante i passaggi di stato la temperaturarimane costante, in quanto lenergia viene utilizzata dal si-stema per vincere le forze intermolecolari che uniscono leparticelle negli stati condensati della materia.

FIGURA 0.21

Il solfato di rame sciolto in acqua una so-luzione, il granito e il sangue sono miscugli eterogenei.

FIGURA 0.22

Calore delsolido

Calorelatente

di fusione

Caloredel liquido

Calorelatente di

vaporizzazione

Caloredel vapore

Caloredel gas

Calore fornito

Temperaturacritica

Temperaturadi ebollizione

Temperaturadi fusione

Temperatura diliquefazione o dicondensazione

Temperaturadi solidificazione

A

B C

DE

F

G

Tem

per

atu

ra

Gas

Vapore

Liquido

Solido

fusione evaporazione / ebollizionesolido liquido aeriforme

solidificazionesolido liquido aeriformeliquefazione / condensazione

P A S S A G G I D I S T A T O

0.8 Le soluzioni

I miscugli si dividono in miscugli eterogenei e in miscugli omogenei o so-luzioni (figura 0.22). Nei miscugli eterogenei la materia presente in sta-ti omogenei diversi, le fasi. Le propriet intensive sono diverse nelle diffe-renti parti del sistema. In un miscuglio eterogeneo sempre possibile di-stinguere e separare i componenti. Nelle soluzioni i componenti sono com-pletamente mescolati fra loro, per cui vi la presenza di ununica fase.

Una soluzione un sistema formato da pi componenti che presenta lestesse propriet intensive in ogni parte.

Le soluzioni possono essere liquide, solide o gassose. La legge di Daltonafferma che:

la pressione esercitata dalle soluzioni gassose uguale alla somma dellepressioni parziali esercitate dai singoli componenti.

A B C


CH/12


Concentrazione

Percentuale peso/peso

Percentuale peso/volume

Percentuale volume/volume

Parti per milione

Molarit

Simbolo

%P/P

%P/V

%V/V

ppm

M

Soluto

g

g

cm3 = mL

mg

mol

Soluzione

100 g

100 cm3 = 100 mL

100 cm3 = 100 mL

1 dm3 = 1 L

1 dm3 = 1 L

Relazione matematica

(gsoluto / gsoluzione) 100

(gsoluto / cm3soluzione) 100

(cm3soluto / cm3soluzione) 100

mgsoluto / dm3soluzione

molsoluto / Lsoluzione

La concentrazione di una soluzione pu esse-re espressa in diversi modi a seconda della convenienza.

TABELLA 0.2

Lentropia la misura del grado di disordine di un sistema. Tutti i sistemitendono spontaneamente ad aumentare la loro entropia. Quando si formauna soluzione, lentropia aumenta in quanto si passa da un sistema ordina-to, la sostanza che si scioglie, a uno disordinato, la soluzione.

Una soluzione costituita dal solvente e dai soluti.

Il solvente di una soluzione il componente pi abbondante, mentre i soluti sono i componenti presenti in minore quantit.

Una sostanza che si scioglie facilmente in un solvente detta solubile,mentre se non si scioglie viene definita insolubile. Anche le sostanze solu-bili non possono essere miscelate in qualunque rapporto con il solvente.Una soluzione detta satura, se contiene la massima quantit possibile disoluto e si venuto a formare il corpo di fondo.

La solubilit la quantit massima di soluto che pu sciogliersi in unadata quantit di solvente a una certa temperatura.

La solubilit dipende dalla natura chimica del soluto e dalla temperaturadella soluzione. In genere, nel caso dei soluti solidi la solubilit aumentacon la temperatura, mentre la solubilit dei gas nei liquidi diminuisce.

La solubilit di un gas in un liquido dipende anche dalla pressione delgas. La legge di Henry afferma che:

la quantit di gas che si scioglie in un liquido direttamente proporzio-nale alla pressione esercitata dal gas.

La concentrazione di una soluzione esprime le quantit relative di solutoe solvente presenti.

La concentrazione di una soluzione pu essere indicata in diversi modi,in quanto si possono esprimere le quantit di soluto e soluzione in terminidi volume, di massa o di numero di moli (tabella 0.2).

Se le dimensioni delle particelle dei soluti sono superiori a 1 nm, il mi-scuglio non pi una soluzione, ma una dispersione. Le dispersioni colloi-dali, o colloidi, si formano quando le particelle disperse hanno dimensionicomprese tra 1 e 1000 nanometri. I colloidi possono essere consideraticome casi intermedi tra miscugli eterogenei e soluzioni e si classificano inbase agli stati di aggregazione della fase dispersa e del mezzo disperdente.Sono colloidi gli aerosol, le schiume e le emulsioni. Se le particelle hannodimensioni superiori ai 1000 nm si parla di sospensioni.

Con le caratteristiche delle soluzioni si conclude la trattazione degli argo-menti che nel primo biennio hanno introdotto lo studio della chimica. Orasi apre la porta alla esplorazione di nuovi territori. Entreremo nello spazioinfinitamente piccolo delle particelle subatomiche e scopriremo le straordi-narie architetture create dagli elettroni. Impareremo a scrivere formule e aprevedere quali legami tengono uniti gli atomi. Alla fine saremo pi vicinia scoprire i segreti della materia.


CH/13

9.1 Latomo come sistema planetario

L a teoria atomica di Dalton, che affermava lindivisibilit degli atomi, fumessa in discussione tra la fine del XIX e linizio del XX secolo. Gliesperimenti di alcuni scienziati, fra cui quello di Thomson con il tubo araggi catodici, permisero di dimostrare che latomo formato da particellepi piccole: i protoni, gli elettroni e i neutroni (cfr. 0.1).

Successivamente, gli scienziati ottennero importanti informazioni sullastruttura dellatomo, cio sul modo in cui le particelle subatomiche sono di-sposte al suo interno (tabella 9.1).

In particolare nel 1911 il fisico Ernest Rutherford, basandosi sui risulta-ti dellesperimento che porta il suo nome, elabor il modello nuclearedellatomo. Secondo questo modello, latomo costituito prevalentemen-te da spazio vuoto, al cui interno si muovono rapidamente gli elettroni, eda un piccolo nucleo denso e positivo, dove si trovano i protoni e i neu-troni (cfr. 0.1).

Rutherford ipotizz per latomo una struttura planetaria, in cui il nucleorappresentava il Sole e gli elettroni si comportavano come i pianeti. Glielettroni ruotavano attorno al nucleo a grande velocit lungo traiettorie cir-colari. La velocit dellelettrone doveva essere tale che la forza centrifugagenerata dalla rotazione bilanciasse in ogni istante la forza di attrazioneelettrostatica del nucleo positivo (figura 9.1).

Tra la fine del diciannovesimo e linizio delventesimo secolo numerose scoperte permisero di fare luce sul-la struttura dellatomo.

TABELLA 9.1

La struttura dellatomo C APITOLO9

Anno

1897

Scoperta

J.J. Thomson identifica gli elettroni

1904 J.J. Thomson propone il modello atomico a panettone

1911 E. Rutherford elabora il modello atomiconucleare

1914Viene dimostrata sperimentalmente lesistenzadei protoni. H. Moseley determina la carica deinuclei degli atomi e definisce il numero atomico

1932 J. Chadwick scopre i neutroni

Lelettrone attratto dal nucleo da una forzaelettrostatica. Questa forza, secondo lipotesi di Rutherford, uguale e contraria alla forza centrifuga, che agisce sullelet-trone in conseguenza del suo moto circolare. Questo equili-brio di forze analogo a quello esistente nel sistema solarefra Sole e pianeti.

FIGURA 9.1

La forza centrifuga quella forza che spinge versolesterno un corpo che ruota intorno a un punto.


CH/14

CAPITOLO 9 La struttura dellatomo

Questa ipotesi per non poteva essere accettata in quanto, a differenzadei pianeti, gli elettroni sono corpi elettricamente carichi in movimento.Sotto lazione del campo elettrico dellatomo, gli elettroni avrebbero dovutoperdere energia e sarebbero alla fine caduti nel nucleo (figura 9.2). Il model-lo non riusciva perci a spiegare il comportamento degli elettroni, sia perquanto riguardava il tipo di movimento sia per la loro traiettoria.

9.2 La radiazione elettromagnetica

I problemi posti dal modello planetario di Rutherford furono superati gra-zie agli studi sulla emissione di luce da parte delle sostanze. La luce stata per lungo tempo oggetto della ricerca scientifica, che cercava di defi-nirne la reale natura. Verso la met del Seicento lo scienziato inglese IsaacNewton (1642-1727) ipotizz che la luce fosse formata da minuscole parti-celle. Alla fine di quello stesso secolo il fisico olandese Christiaan Huygens(1629-1695) propose un modello alternativo a quello corpuscolare, ipotiz-zando per la luce una natura ondulatoria. Nel corso dellOttocento, grazieagli studi del fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) sullinterfe-renza della luce e sullelettromagnetismo, la teoria ondulatoria prevalse suquella corpuscolare.

La luce va considerata come una particolare forma di onda elettromagne-tica, che si genera dalloscillazione su piani perpendicolari di un campoelettrico e di un campo magnetico (figura 9.3).

I parametri che permettono di caratterizzare unonda sono:

la frequenza (); indica il numero di oscillazioni che unonda compie nel-lunit di tempo; si misura in s 1, che equivale alla misura in hertz (Hz);

la lunghezza donda (); rappresenta la distanza tra due massimi dellon-da e si misura in metri, anche se nel caso della luce lunit di misura piadeguata il nanometro (nm);

lampiezza (A); corrisponde alla massima altezza della cresta dellondarispetto alla base;

il periodo (T); corrisponde allintervallo di tempo in cui avviene unoscil-lazione completa dellonda;

la velocit di propagazione; uguale al rapporto tra la lunghezza dondae il suo periodo; nel vuoto la velocit di propagazione di unonda lumi-nosa assume un valore costante (c), che uguale a 3 10 8 m/s.

In base alla definizione di velocit di propagazione per la luce si ha:

Secondo le leggi dellelettromagnetismo,una particella carica in moto circolare libera energia emet-tendo radiazioni. Di conseguenza, un elettrone che si muo-ve come un pianeta attorno al Sole deve diminuire la suavelocit e finisce per cadere sul nucleo seguendo unatraiettoria a spirale.

FIGURA 9.2

Generalmente londa elettromagnetica vienerappresentata mostrando esclusivamente la componenteelettrica. Secondo il modello ondulatorio, in un piano car-tesiano, che riporta in ordinata lampiezza dellonda e inascissa la sua direzione di propagazione, la luce pu essererappresentata da una curva sinusoidale.

FIGURA 9.3

c

=

1

T =

T

c =

Questa relazione significa che tutte le onde elettromagnetiche si propaga-no in un mezzo con la stessa velocit, ma si differenziano per la frequenzadi oscillazione e quindi anche per la lunghezza donda.

Linsieme di tutte le frequenze che le onde elettromagnetiche possono as-sumere costituisce lo spettro elettromagnetico (figura 9.4). Con il termineluce si intende la parte visibile dello spettro elettromagnetico, che si esten-de tra lultravioletto e i raggi infrarossi.

per cui sostituendo nella (1) si ha:

c = e di conseguenza:

A sua volta la frequenza uguale a:

I fenomeni che vengono spiegati utilizzando il mo-dello ondulatorio sono: rifrazione, diffrazione e inter-ferenza.

Per indicare la frequenza si usa la lettera greca ,che si legge ni. La lunghezza donda indicata dallalettera greca , che si legge lambda.

(1)

(2)

Nucleo+

Elettrone

Inte

nsit

Tempo

Lunghezza donda

Ampiezza


CH/15


Lo spettro elettromagnetico include, oltrealla luce visibile, i raggi , i raggi X, i raggi ultravioletti einfrarossi, le microonde e le onde radio. La luce visibilecorrisponde a una fascia molto ristretta dello spettro elet-tromagnetico.

FIGURA 9.4

1. Utilizzando la figura 9.4, determina in quale zona spettrale si trova una radiazio-ne con lunghezza donda di 100 nm. Calcola inoltre la frequenza della radiazione.

In figura 9.4 le lunghezze donda sono espresse in metri, per cui occorre trasformareil valore 100 nm da nanometri a metri:

1 nm = 1109 m, per cui 100 nm = 1,0010 7 m

Una radiazione con lunghezza donda dellordine di 107 m corrisponde alla zonadellultravioletto dello spettro elettromagnetico.

La frequenza di una radiazione inversamente proporzionale alla sua lunghezzadonda. Poich tutte le radiazioni si propagano nel vuoto alla velocit della luce, percalcolare la frequenza occorre dividere la velocit della luce per la lunghezza dondadella radiazione:

3 10 8 m s 1/ 1,00 107 m = 3,00 1015 s1

1. Calcola la lunghezza donda di una radiazionela cui frequenza 4 1018 Hz. In quale zonadello spettro elettromagnetico si trova?

PROVA DA SOLOPROVIAMO INSIEME

9.3 I quanti di energia

V erso la fine dellOttocento vennero scoperti alcuni fenomeni, per i qualile leggi della fisica classica non erano in grado di fornire nessuna spie-gazione e interpretazione. Il problema principale era la cosiddetta catastro-fe dellultravioletto, termine con cui venne indicato limprevisto comporta-mento delle radiazioni emesse da un corpo nero (vedi PER SAPERNE DI PI).

Nel 1900 il fisico tedesco Max Planck (1858-1947) propose la teoria quan-tistica, che interpret perfettamente lemissione del corpo nero, rivoluzio-nando il pensiero scientifico ed i concetti basilari della fisica.

La teoria quantistica postula che nei processi fisici lenergianon pu essere trasferita in modo continuo, cio in quantit piccole a piacere, ma in quantit ben definite, dette quanti.

Il concetto di quanto di energia non semplice e immediato. Facciamoun esempio esplicativo. Per salire un gradino alto 10 cm dobbiamo solle-vare il piede di unaltezza per lo meno pari allaltezza del gradino. Se nonfacciamo questo lavoro, se non consumiamo questa energia, non saliremomai. Possiamo provare anche mille volte di seguito a sollevare il piede di 9cm, ma non riusciremo a salire. La minima quantit di energia, che corri-sponde allaltezza del gradino, ci che possiamo chiamare quanto di ener-gia (figura 9.5).

Il corpo nero un corpo che emette radiazioni inseguito al suo riscaldamento.

La fisica classica la fisica anteriore al 1900.

Onde radio Onde TV Microonde Infrarosso Ultravioletto Raggi X Raggi

Frequenza

Lunghezza donda

10 102 104 106 108 1010 1012 1014

metri

s1

3108 31010 31012 31016 31018 31020 31022

cresce

cresce

Rosso Arancio Giallo Verde Azzurro Indaco Violetto

700 nm 400 nm

Vis

ibile


CH/16


Lenergia E di ogni quanto proporzionale alla frequenza della radiazione:

E = h

dove h una costante, chiamata costante di Planck, che vale 6,63 10 34 J s.Pertanto, nelle interazioni tra radiazioni e materia, per esempio quando laluce colpisce gli atomi, lenergia viene scambiata (assorbita o emessa) perquantit multiple di un quanto h. Nel 1922 Arthur Holly Compton (1892-1962) coni il termine fotone per indicare un quanto di luce.

La teoria di Planck allinizio non fu accolta con entusiasmo dalla comu-nit scientifica. Nel 1905, per, Albert Einstein (1879-1955) la utilizz pro-ficuamente per interpretare e spiegare leffetto fotoelettrico, cio lemissio-ne di elettroni da parte di alcuni metalli quando vengono colpiti da oppor-tune radiazioni. Albert Einstein vinse il premio Nobel nel 1921 proprio peri suoi studi sulleffetto fotoelettrico.

Quello che si osserva sperimentalmente nelleffetto fotoelettrico, e chenon pu essere spiegato ammettendo una natura solamente ondulatoria del-le radiazioni, che:

lemissione di elettroni avviene solo se la frequenza della radiazione su-periore a un certo valore 0, chiamato soglia fotoelettrica;

lenergia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della ra-diazione incidente sul metallo e non dalla sua intensit (figura 9.6);

il numero di elettroni e

la chimica di rippa - secondo biennio.pdf

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