Riassunto \"Chimica - John Kotz - Edises\" PDF

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Sintesi dettagliata del libro "Chimica" di John Kotz...

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I CONCETTI ALLA BASE DELLA CHIMICA La chimica e i suoi metodi La chimica, che si occupa delle trasformazioni della materia, un tempo si occupava delle trasformazioni da una sostanza naturale ad un’altra, ora, invece, studia le trasformazioni di una singola sostanza pura, naturale o artificiale, in un’altra, a livello atomico e molecolare. La chimica, nella società moderna, è utile per la comprensione delle discipline scientifiche, come la biologia, e, inoltre, gioca un ruolo fondamentale nell’economia dei paesi sviluppati. L’importanza della chimica nelle scienze biologiche L’analisi e la caratterizzazione delle molecole prodotte nelle reazioni chimiche è importante per comprendere la natura e il comportamento dei sistemi biologici; inoltre, le proprietà chimico-fisiche delle molecole studiate dipendono dalla disposizione relativa nello spazio degli atomi della molecola vincolati dai legami covalenti (struttura molecolare). Grazie alla chimica, i biologi, possono studiare e comprendere l’organizzazione dei sistemi molecolari determinati dalle interazioni molecolari. Tappe dei chimici per la ricerca scientifica Gli scienziati per risolvere i problemi che gli vengono posti seguono diverse tappe. Innanzitutto effettuano dei test preliminari da cui riusciranno a formulare un’ipotesi, ossia un tentativo utile a spiegare o prevedere qualcosa basandosi su osservazioni sperimentali. Successivamente effettuano degli esperimenti, in cui raccolgono informazioni qualitative (osservazioni non numeriche come il colore) e quantitative (dati numerici come la massa). Dopo numerosi esperimenti ed essersi assicurati che i risultati siano riproducibili, si possono riassumere le informazioni sotto forma di regola generale o conclusione. Dopo numerosi esperimenti, svolti da diversi scienziati, l’ipotesi originale, se esatta, può diventare legge, cioè una concisa affermazione o una formula matematica che esprime un comportamento o una relazione che è stata osservata in natura senza contraddizioni. Una volta formulata la legge si può enunciare una teoria, ossia quel principio unificante, ripetutamente verificato, che spiega un insieme di fatti e leggi basato su di essi. Obiettivi, dubbi ed integrità della scienza Le scienze, e quindi anche la chimica, si pongono come obiettivo quello di verificare le supposizioni fatte per poter prevedere cosa può accadere in determinate circostanze, per poter controllare il risultato delle reazioni chimiche o di un processo. Alcune volte, nella ricerca scientifica, gli esperimenti possono contenere un certo livello di incertezza, contenere dati spuri o contraddittori, i risultati possono essere inconcludenti; in questi casi, per aiutare lo scienziato a mantenere la sua integrità, sono emersi alcuni semplici principi:  i risultati sperimentali dovrebbero essere riproducibili e riportati nella letteratura scientifica in modo dettagliato, così da poter essere usati o riprodotti da altri;  le conclusioni dovrebbero essere ragionevoli e obiettive;  si dovrebbe rendere merito al lavoro degli altri. Le discipline chimiche Storicamente la chimica era suddivisa in diverse discipline:  organica, studia i composti contenente gli elementi carbonio (C) e idrogeno (H), storicamente i composti estratti da organismi viventi;  inorganica, studia tutto ciò che non rientra nella chimica organica

chimica-fisica, studia i sistemi chimici (sia organici che inorganici) applicando delle metodologie (sia sperimentali che teoriche) tipiche della disciplina fisica (formalismo matematico e rigore scientifico). Molte discipline moderne, come la Chimica Supramolecolare, che studia la chimica dei complessi molecolari, è a cavallo tra le discipline storiche. 

Classificazione della materia

Gli stati di aggregazione della materia e la teoria cinetica molecolare Lo stato di aggregazione, cioè se una sostanza è un solido, un liquido o un gas, è una proprietà facilmente osservabile.  Un solido possiede una forma propria e un volume definito che varia di poco al variare della temperatura e della pressione.  Un liquido ha un volume fisso ma, essendo fluido, la forma è determinata dal recipiente che lo contiene.  I gas, anch’essi fluidi, non hanno un volume fisso ma esso varia con la dimensione del contenitore, inoltre varia col variare della temperatura e della pressione. Normalmente i passaggi di stato sono accompagnati da variazioni di volume, minimo nella fusione (tranne per l’acqua il cui volume aumenta passando dallo stato liquido a quello solido), e notevolmente maggiore nell’evaporazione. In accordo con la teoria cinetica molecolare tutta la materia è formata da particelle estremamente piccole in continuo movimento:  nei solidi le particelle, impaccate strettamente fra loro, solitamente in ordine regolare, vibrano intorno alla posizione di equilibrio;  gli atomi o le molecole di un liquido sono disposti a caso poiché le particelle non sono legate ad una posizione specifica e possono muoversi liberamente;  in condizioni normali le particelle di gas sono distanti tra loro, non sono vincolate ad una posizione, possono muoversi, in modo estremamente rapido, a caso, collidendo fra loro e con le pareti del recipiente così da occuparne l’intero volume.

L’aumento della temperatura fa aumentare la velocità delle particelle. L’energia cinetica, ossia l’energia associata al movimento delle particelle, fa si che siano vinte le forze di attrazione tra le particelle. La materia a livello macroscopico e particellare Le osservazioni e le manipolazioni di solito avvengono nel mondo macroscopico della chimica, un mondo osservabile direttamente. Il livello degli atomi, delle molecole e degli ioni è un mondo che non si può osservare direttamente detto microscopico o particellare. Le sostanze pure Una sostanza è detta pura quando ha una combinazione costante degli elementi chimici di cui è composta, essa presenta un insieme di proprietà fisiche che la caratterizzano e ne permettono il riconoscimento, inoltre non può essere separata in due o più sostanze diverse a temperatura ambiente attraverso tecniche fisiche. Miscele omogenee ed eterogenee Una miscela in cui s’individua una struttura non uniforme della materia è chiamata miscela eterogenea, miscela in cui le proprietà di una regione sono differenti da quelle di un’altra. Una miscela omogenea, detta anche soluzione, è formata da due o più sostanze nella stessa fase, cioè nessun ingrandimento potrebbe rivelare differenti proprietà in differenti regioni della miscela. Quando gli elementi di una miscela vengono separati si dice che sono stati purificati. Elementi ed atomi Le sostanze contenenti un solo atomo sono classificate come elementi. Fin ora si conoscono 117 elementi, di cui 90 naturali, tutti riportati nella tavola periodica. L’atomo è la particella più piccola di un elemento che conservi la proprietà chimiche caratteristiche dell’elemento stesso. Storia dell’atomo Democrito, filosofo greco, introdusse il concetto di atomo, letteralmente “non tangibile”. Dalton, padre della teoria atomica moderna, nel 1808, formulò la teoria delle proporzioni multiple: se due elementi si combinano tra loro per dare composti diversi, i rapporti delle masse dei vari composti sono tra loro relazionati da numeri interi. Questa teoria assieme alle teorie di Lavoisier del 1789, legge della conservazione delle masse (Nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma), e di Proust del 1799, legge delle proporzioni definite (Quando due o più elementi reagiscono, per formare un determinato composto, si combinano sempre secondo proporzioni in massa definite e costanti) portarono Dalton a formulare i principi della teoria atomica:  la materia ha una natura discontinua ed è costituita da particelle microscopiche non ulteriormente divisibili (atomi);  gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro;  gli atomi di un elemento sono diversi da quelli di qualsiasi altro elemento; gli atomi dei vari elementi possono essere distinti gli uni dagli altri dai rispettivi pesi relativi;  gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro in rapporti di numeri interi e generalmente piccoli dando così origine a composti; un determinato composto ha sempre lo stesso numero e tipo di atomi;  gli atomi non possono essere né creati né distrutti nei processi chimici e gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi; una reazione chimica modifiche semplicemente il modo in cui gli atomi sono raggruppati insieme

Esperimenti condotti con l'elettroscopio da Benjamin Franklin attorno al 1750 portarono alla dimostrazione della complementarità delle cariche positive e negative e alla loro associazione con la materia. Nel 1897 Thomson riuscì a misurare il rapporto carica/massa dell'elettrone Millikan con il suo famoso esperimento delle gocce d'olio determinò successivamente la carica dell'elettrone. Le particelle con carica opposta a quella dell'elettrone furono in seguito chiamate da Rutherford protoni. Solo nel 1932, molti anni dopo la scoperta del protone, James Chadwich caratterizzo la particella fondamentale senza carica elettrica chiamata neutrone. Composti e molecole Una sostanza pura, composta da due o più elementi differenti tenuti insieme da un legame chimico, viene denominata composto chimico. Quando gli elementi diventano parte di un composto, le loro proprietà originarie sono sostituite da quelle del composto; infatti i composti presentano caratteristiche radicalmente differenti da quelle degli elementi che li compongono, ed hanno una ben definita composizione percentuale degli elementi da cui sono formati. Alcuni composti sono formati da ioni, che sono atomi, o gruppi di atomi, dotati di carica elettrica. Altri sono formati da molecole, piccole unità che conservano la composizione e le caratteristiche chimiche del composto. La composizione di un qualsiasi composto di un qualsiasi composto è rappresentata dalla sua formula chimica. Proprietà fisiche e chimiche Le proprietà fisiche sono proprietà che possono essere osservate e misurate senza variare la composizione della sostanza. La densità, cioè il rapporto fra la massa di un oggetto e il suo volume, è un’utile proprietà per identificare le sostanze; la sua unità di misura nel SI è kg/m3. Le proprietà chimiche indicano se, e a volte come, una sostanza subisce una trasformazione chimica quando viene a contatto con un’altra. Le trasformazioni fisiche e chimiche Le trasformazioni fisiche sono delle variazioni delle proprietà fisiche, in queste trasformazioni l’identità di una sostanza viene conservata, nonostante sia cambiato il suo stato fisico, la dimensione e la forma dei suoi pezzi. Queste trasformazioni non portano alle formazioni di una nuova sostanza, infatti le specie presenti prima e dopo sono sempre le stesse. Nelle trasformazioni chimiche una o più sostanze (i reagenti) vengono trasformate in altre sostanze (i prodotti). La rappresentazione usando le formule chimiche è chiamata equazione chimica, in cui i reagenti si trovano a sinistra e a destra i prodotti. Una proprietà chimica indica se, e a volte come, una sostanza subisce una trasformazione chimica quando viene a contatto con un’altra.

Le unità di misura Per registrare e riportare le misure, la comunità scientifica ha scelto di utilizzare una versione modificata del sistema metrico decimale, detta Sistema Internazionale (SI). Le scale per misurare la temperatura Nella pratica scientifica vengono comunemente utilizzate due diverse scale per misurare la temperatura: la scala Celsius e quella Kelvin. La scala Celsius è utilizzata per le misure in laboratorio, ma quando si devono svolgere dei calcoli che implicano l’utilizzo di dati di temperatura, è oppurtuno utilizzare la scala Kelvin. La scala di temperatura Celsius La scala Celsius viene definita assegnando il valore 0 al punto di congelamento dell’acqua pura (0°C) e 100 al suo punto di ebollizione (100°C). La scala di temperatura Kelvin William Thomson, noto come Lord Kelvin, suggerì per primo la scala di temperatura Kelvin, questa scala usa per unità la stessa dimensione di quella della scala Celsius, ma assegna lo zero alla temperatura più bassa, noto come zero assoluto, corrispondente a – 273,15° C. T(K) = (1K/1°C) ( T°C + 273.15 °C) Lunghezza, volume e massa L’unità di misura della lunghezza è il metro. Per il volume, il litro, è l’unità di misura conveniente per l’uso di laboratorio, come il millimetro. Il millimetro è intercambiabile con il centimetro cubico come il litro lo è con il decimetro cubico. La massa di un corpo rappresenta la misura fondamentale della quantità di materia, la sua unità nel SI di massa è il chilogrammo (kg). Le misure: precisione, accuratezza, errore sperimentale e deviazione standard. La precisione di una misura indica quanto sono in accordo fra di loro diverse determinazioni della stessa quantità. L’accuratezza rappresenta l’accordo che c’è fra la misura e il valore accettato per quella quantità. In laboratorio, l’accuratezza di una misura è spesso espressa mediante l’errore percentuale, mentre la precisione mediante la deviazione standard. L’errore sperimentale Errore = valore determinato sperimentalmente – valore accettato Errore percentuale = (errore nella misura/valore accettato) x 100 La deviazione standard Le misure possono essere sbagliate sostanzialmente per due ragioni: possono esserci errori “sistematici”, causati dalla strumentazione mal funzionante o dall’uomo, come la lettura non corretta dei dati, oppure errori “casuali”, dovuti a cause sconosciute e che non possono essere controllate dall’operatore. La deviazione standard per una serie di misure è uguale alla radice quadrata della somma dei quadrati delle differenze fra ogni misura e il valore medio, diviso il numero delle misure meno uno.

La matematica e la chimica

La notazione esponenziale o scientifica Tutti i dati raccolti sono in unità metriche; alcuni dati sono espressi con la notazione fissa, mentre altri sono espressi in notazione scientifica, usata soprattutto per i numeri molto grandi o molto piccoli, il numero viene espresso in una forma compatta e coerente, che semplifica i calcoli, in cui il numero è espresso come prodotto di due numeri: N x 10n in cui n è positivo se il numero è maggiore a 1 e negativo se inferiore.  Per sommare e sottrarre numeri in notazione scientifica serve convertirli prima nella stessa potenza di 10.  Per fare il prodotto di numeri espressi in notazione scientifica, la parte fissa viene moltiplicata nella maniera consueta, mentre gli esponenti vengono sommati algebricamente.  Per dividere numeri espressi in notazione scientifica la parte fissa viene divisa nel modo consueto e gli esponenti vengono sottratti algebricamente.  Per fare le potenze di numeri espressi in notazione scientifica si eleva a potenza un numero espresso in notazione esponenziale, si esegue la potenza della parte in notazione fissa, mentre l’esponente viene moltiplicato per il numero che indica la potenza.  Per fare le radici di numeri espressi in notazione scientifica il numero deve essere prima trasformato in modo che l’esponente sia esattamente divisibile per l’indice della radice. Le cifre significative Le cifre significative sono le cifre esattamente osservate con lo strumento di misura, in questo numero l’ultima cifra sulla destra è considerata non precisa.  Gli zeri compresi fra due cifre significative sono significativi.  Lo zero alla destra di una cifra significativa e alla destra di una cifra decimale è significativo.  Gli zeri che hanno funzione posizionale non sono significativi: a) numeri decimali con zeri che compaiono prima delle cifre significative; b) numeri in cui vi siano zeri finali, cioè gli zeri in cui è aggiunto un punto sulla destra. Come usare le cifre significative nei calcoli  Nelle addizioni e sottrazioni il numero delle cifre decimali nel risultato è uguale al numero delle cifre decimali nel numero con il minor numero di cifre decimali dopo la virgola.  Nelle moltiplicazioni o nelle divisioni, il numero delle cifre significative nel risultato è deciso dalla quantità con il minor numero di cifre significative.  Quando si arrotonda un numero, l’ultima cifra da conservare viene aumentata di 1 solo se la cifra seguente è 5 o maggiore. È importante ricordare che il risultato non può essere più preciso del meno preciso dei dati usati per calcolarlo, inoltre arrotondare a metà del calcolo può introdurre degli errori. La risoluzione dei problemi mediante l’analisi dimensionale Le dimensioni o le unità di misura vengono usate per svolgere i calcoli relativi ai problemi nel metodo noto come analisi dimensionali. Un fattore di conversione esprime l’equivalenza di una misura in due diverse unità. I grafici Spesso vengono usati dei grafici per analizzare i dati sperimentali e ottenere un’equazione matematica, quale y = mx + b. in questa equazione y è di solito detta variabile dipendente; il suo valore è determinato dai valori di x, m e b; x è la variabile indipendente ed m la pendenza della retta. Il parametro b è l’intercetta della retta, cioè il valore di y quando x = 0.

GLI ATOMI, LE MOLECOLE E GLI IONI

La struttura atomica: i protoni, gli elettroni e i neuroni Intorno al 1900 grazie a degli esperimenti eseguiti in Inghilterra da Sir Thomson e Rutherford definirono un modello dell’atomo evidenziando che tutti gli atomi sono formati da tre tipi di particelle subatomiche: i protoni, dotati di carica positiva, i neuroni, privi di carica elettrica, e gli elettroni, dotati di carica negativa che in valore assoluto è uguale a quella del protone. Il modello prevede che le particelle di massa maggiore, i protoni e i neuroni, si trovino in un nucleo molto piccolo che contiene tutte le cariche positive e praticamente tutta la massa dell’atomo. Gli elettroni circondano il nucleo e occupano la maggior parte del volume dell’atomo. Le proprietà chimiche degli elementi e delle molecole dipendono in gran parte degli elettroni. Il numero atomico e la massa atomica Il numero atomico Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno lo stesso numero di protoni nel nucleo. Il numero di protoni in un elemento rappresenta il numero atomico, il cui simbolo è Z. Il numero intero in cima alla casella di ogni elemento nella tavola periodica il suo numero atomico. Il numero atomico e l’unità di massa atomica Le masse delle particelle atomiche fondamentali sono spesso espresse in unità di massa atomica (u). un’unità di massa atomica, 1 u, è un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio con sei protoni e sei neutroni. La somma del numero dei protoni più quello dei neutroni viene chiamata numero di massa ed è indicata col simbolo A. A = numero di massa = numero dei protoni = numero dei neutroni A ZX simbolo dell’elemento Gli isotopi Gli atomi con lo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa sono chiamati isotopi. Tutti gli atomi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni, per avere masse differenti, gli isotopi devono avere un differente numero di protoni. Si fa riferimento ad un particolare isotopo indicando il suo numero di massa. Tutti gli atomi di idrogeno hanno un solo protone; quando questa è l’unica particella nucleare, l’isotopo è chiamato prozio, o semplicemente “idrogeno”. L’isotopo dell’idrogeno con un neutrone, è chiamato deuterio, o “idrogeno pesante”. Il nucleo dell’isotopo radioattivo dell’idrogeno-3 o trizio, contiene un protone e due neutroni. L’abbondanza isotopica Abbondanza percentuale = (numero di atomi di un dato isotopo/numero totale degli atomi di tutti gli isotopi di quell’elemento) x 100 Determinazione della massa atomica e dell’abbondanza percentuale Le masse degli isotopi e le loro abbondanze percentuali si determinano sperimentalmente usando uno spettrometro di massa. Un campione gassoso di un elemento viene introdotto nella camera dello spettrometro in cui è stato fatto il vuoto e le molecole o gli atomi del campioni vengono convertiti in particelle cariche (ioni). Un fascio di questi ioni viene sottoposto ad un campo magnetico, che provoca la deviazione del fascio di particelle ionizzate. L’entità della deviazione è inversamente proporzionale alla massa della particella. Una volta separati in funzione della loro massa, gli ioni vengono rivelati dal detector al termine della camera.