Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia

CORSO INTEGRATO DI CHIMICA Anno Accademico 2006 - 2007

Lezione 1

La Chimica studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia

La chimica è una scienza sperimentale. Inizia con la legge sulla invarianza delle masse nelle reazioni chimiche di LAVOISIER (1743-94) .

Ha carattere pratico.

Rappresenta la materia a livello atomico e molecolare.

animazione: la sostanza cambia

animazione: la sostanza è fatta di atomi

Legge di conservazione delle masse

Durante una trasformazione chimica ordinaria non vi è guadagno né perdita apprezzabile di massa

Antoine Laurent Lavoiser(1743-1793)

Reazione chimica

• Il vulcano dicromato di ammonio illustra cosa succede in una reazione chimica. Quando della carta imbevuta di alcool è posta nel dicromato di ammonio ed accesa con una fiammifero, l’alta temperatura fa iniziare la reazione del dicromato di ammonio. Il materiale scuro che si forma indica un cambiamento chimico. La reazione mentre procede genera più calore ed il materiale scuro si forma più rapidamente. Si vedono fiamme e scintille. Il solido arancione si è trasformato in uno scuro grigio-verde e la temperatura è cambiata. Queste sono caratteristiche di una reazione chimica: una sostanza con una serie di proprietà si è trasformata in una o più sostanze nuove con un cambiamento di temperatura.

(NH4)2Cr2O7 ---> N2 + 4H2O + Cr2O3

Gli elementi nell’antichità:Il quartetto di Aristotele

FuocoCaldo Secco

Aria Terra

Umido FreddoAcqua

Il mondo può essere spiegato con 4 elementi che mescolandosi in diverse proporzioni formano le diverse proprietà della materia, come i colori.

Le qualità caldo, secco, freddo e umido sono la chiave per le trasformazioni.

Questa impostazione è rimasta sostanzialmente inalterata fino a Lavoisier

Metallurgia e gli elementi• Oro e rame si trovano in forma pura in natura,

mentre gli altri sono ottenuti dal riscaldamento di minerali con carbone

• I sette metalli erano considerate terre di diversa purezza. La purezza assoluta era nella pietra filosofale.

• Paracelso (circa 1500): lo zolfo, mercurio e sale formano tutto quello che sta nei 4 elementi

• Becher (1635-82): terra fluida, terra pinguis, terra lapidea.

• Boyle (1627-91) amico di Newton. Sceptical chymist

Lavoisier- Ossigeno

• L’aria è composta da due fluidi elastici con qualità diverse ed opposte: aria mefitica e respirabile. Formano una miscela

• L’acqua non è una sostanza semplice. E’ composta da ossigeno e idrogeno !!!!

• Due dei 4 elementi aristotelici non sono più tali!!!!

Le arie sono diverse

• Un’aria fissa è liberata dai carbonati, ed è simile a quella del nostro respiro (CO2). E’ mefitica.

• 4/5 dell’aria è mefitica, 1/5 è buona.

• L’aria buona (vitale) è prodotta dalla calce di mercurio

Gli elementi

• Gli elementi sono sostanze che non possono essere più scomposti (chimicamente)

• Lovoisier ne elencò 33. E denominò: • ossi-geno genera gli acidi (ossidi)

• Idro-geno genera l’acqua

• A-zoto toglie la vita (nitro-geno nitrati)

• Ora sono circa 100, molti di più di quelli attesi…..• La tabella periodica aiuta a ridurre il numero dei

principi che regolano la reattività chimica

Flogisto e calorico

• Il flogisto viene prodotto dalla combustione.

• L’ossigeno spiega la combustione.

• Il calorico era visto come un elemento.

• Fuoco calore energia

Elementi disposti in ordine crescente di massa atomica

La tabella

In cinese…

Teoria atomica della materia

•La materia e’ costituita da atomi

•Gli atomi di un elemento sono diversi da quelli di un altro elemento

•Gli atomi si combinano secondo rapporti definiti per formare composti

•La combinazione degli atomi in un composto puo’ cambiare solo quando avviene una reazione chimica

•Una reazione chimica cambia il rapporto con cui gli atomi si combinano, ma non altera la natura degli atomi

Atomi

Gli atomi sono costituiti da particelle subatomiche dette elettroni, protoni e neutroni.

Protoni e neutroni formano un minuscolo, denso corpo centrale detto nucleo dell’atomo.

Gli elettroni si trovano distribuiti nello spazio intorno al nucleo.

Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa

Protone (p) +1.6021773 x 10-19 C +1 1.6726 x 10-24 g 1.0073

Elettrone (e) -1.6021773 x 10-19 C -1 9.109390 x 10-28 g 0.0005486

Neutrone (n) 0 0 1.6749 x 10-24 g 1.0087

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

spazio

Sostanze pure e miscugliSostanze pure e miscugliUn miscuglio o miscela: un insieme di

differenti sostanze, presenta una combinazione delle proprietà fisiche dei suoi componenti. Può essere eterogenea o omogenea.

Occorre provare sperimentalmente se i suoi componenti possono essere separati in base alle loro differenti proprietà fisiche.

Le sostanze componenti possono essere Elementi: tutti i suoi atomi sono dello stesso tipo. Composti: gli atomi sono di almeno due tipi

Composti e molecoleComposti e molecole.. Se è un composto è costituita dagli atomi degli

elementi specifici legati tra loro in rapporti definiti (come l'acqua, il cloruro di sodio).

• Le proprietà di un composto sono differenti da quelle dei suoi elementi costitutivi

•  legge della composizione costante: un composto ha sempre la stessa composizione, qualsiasi ne sia la fonte

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

Separazione delle sostanze da un miscuglioSeparazione delle sostanze da un miscuglio

residuo

MISCUGLIO SOSTANZAMISCUGLIO SOSTANZA ELEMENTIELEMENTI

ACQUA

CLORURO DI SODIO

elettrolisi

elettrolisi

IDROGENO

OSSIGENO

SODIO

CLORO

Soluzione di NaCl

CompostiCompostiUn composto molecolare è formato da molecole.

Un composto ionico è formato da ioni.

 Molecole e composti molecolari

• una molecola è un gruppo definito e distinto di atomi legati assieme.

• una formula molecolare indica il numero di atomi di ciascun elemento presente in una molecola.

esempiacqua H2O

ammoniaca NH3

etanolo C2H5OH

glucosio C6H1206

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

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

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

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

Le formule delle sostanze

FORMULA IONICA: i composti possono essere costituiti da atomi o gruppi di atomi con una carica elettrica risultante. L’insieme di questi gruppi in un composto deve essere tale che la carica risultante totale sia nulla. E’ il caso dei composti salini

H8O4N2S (NH4)2SO4

2(NH4)+, (SO4)2-

Le formule delle sostanze

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

CO2, CH4, C2H6O, HNO3

CH3CH2OH, H+, NO3-

Massa atomica relativa degli atomi

La massa di un atomo è troppo piccola rispetto all’unità di misure del kg.

Viene quindi definita in rapporto a quella di un atomo di riferimento.

Per convenzione la massa del 12C è stata definita come esattamente = a 12.

1/12 della sua massa è l’unità di riferimento = u.m.a.Particella (simbolo) Carica assoluta Carica relativa Massa assoluta Massa relativa

Protone (p) +1.6021773 x 10-19 C +1 1.6726 x 10-24 g 1.0073

Elettrone (e) -1.6021773 x 10-19 C -1 9.109390 x 10-28 g 0.0005486

Neutrone (n) 0 0 1.6749 x 10-24 g 1.0087

Peso atomico

Si definisce peso atomico di un elemento la massa relativa e media di quell'elemento

rispetto ad 1/12 della massa di un nuclide di 12C.Il peso atomico dell'idrogeno è:

1,008

Quello dell’ossigeno è:

15,99

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

1. I2: 126.9x2= 253.8

2. H2SO4: (1.008 x 2) + 32.064 + (15.999 x 4) = 98.076

Peso Molecolare

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

ioni

1. NaCl: 22.9898 + 35.453 = 58.443

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

Peso formula

Peso atomico, peso molecolare, peso

formula sono in realtà

delle masse

La moleLe grandezze fondamentali e le unita' di misura nel

Sistema Internazionale (SI) 

 

Grandezza fondamentale

Unita’ Simbolo

lunghezza metro m

massa kilogrammo Kg

tempo secondo s

corrente elettrica ampere A

temperatura kelvin K

intensita’ luminosa candela cd

quantita’ di sostanza

mole mol

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

devono essere specificate.

La mole

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

di 12C.

N = 6,0221367(36) ×1023

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

misura mol-1 ed è chiamata costante di Avogadro. 

N = 6,0221367(36) ×1023 mol-1

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

Una mole di H2O è la quantità di sostanza che contiene N atomi di H2O

La mole

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

Es: 2H2 + O2 2H2O

E’ un multiplo della massa molecolare; numericamente è uguale alla massa

molecolare, ma è espressa in grammi

1 mol di CaSO4 = 136 g

Mole e massa molareUna mole di sostanza diverse ha peso diverso !

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

m (g)

P.M. (g/mole)n (moli) =

MOLE Quantità espressa in grammi pari alla massa della

sostanza (atomo o molecola) espressa in unità di massa atomica.

Es. NaCl (cloruro di sodio) P.A. Na : 22.99 d P.A. Cl : 35.45 d

P.M. NaCl : 58.44 d 1 mole di NaCl 58.44 g

Una mole di una qualsiasi sostanza contiene lo stesso numero diparticelle , detto numero di Avogadro : N = 6.023 x 1023

Il numero di moli contenuto in una nota massa di una sostanzapuò essere calcolato dalla seguente relazione :

Problema : dati 233.76 g di NaCl n ? numero di molecole ?

233.76

58.44= 4n = ; numero di molecole : 4 x N = 24 x1023 = 2.4 x1024 Risposta :

Formula minima e formula veraFormula minima e formula veraComposti sconosciuti Analisi qualitativaComposti sconosciuti Analisi qualitativa

= Ca, S, O

Formula minimaFormula minima

0.73 0.73 2.94 Ca ------ = 1 S ------ = 1 O ------ 4 0.73 0.73 0.73

CaSO4

Formula veraFormula vera

Ca S O 40 + 32 + (16 x 4) = 136

136 / 136 = 1 , la formula MINIMA coincide con quella VERA

Ca = 29,41%S = 23.52%O = (resto) 47.07%

% Ca 29,41 g/100g = = 0,73 mol/100g 40 g/mol 40 g/mol

% S 23,52 g/100g = = 0,73 mol/100g 32 g/mol 32 g/mol

% O 47,07 g/100g = = 2,94 mol/100g 16 g/mol 16 g/mol

Analisi quantitativaAnalisi quantitativa

Determinazione MMDeterminazione MM

Massa Molecolare determinatasperimentalmente: 136 g/mol

La nomenclatura chimicaLa nomenclatura chimicaI composti possono essere indicati con nomi

comuni oppure con nomi sistematiciAlcuni composti sono fatti da cationi ed anioni

(ionici), altri non si separano in cariche elettriche (covalenti)

Nomenclatura dei composti ionici. – anione - catione. (cloruro di sodio, carbonato di calcio)

 Nomenclatura di composti molecolari. • come se il composto fosse ionico. • Un composto binario:

– cloruro d'idrogeno HCI– solfuro d'idrogeno H2S

Composti ioniciComposti ioniciUnità formula e peso formula. Un composto ionico è

rappresentato da una formula chimica che indica il numero relativo di atomi di ciascun elemento nel composto.

• Nel cloruro di sodio: NaCl.

• Nel carbonato di sodio: Na2CO3

• Nel solfato d'ammonio (NH4)2SO4.

• Un'unità formula è un gruppo di ioni che coincide con la formula del composto.

I cationiCationi: ione Sodio (Na+), ione potassio (K+)

Alcuni elementi formano sempre ioni della stessa carica.

Elemento Carica-ionica caratteristica

Gruppo I (Li, Na, K,.. ) +1

Gruppo Il (Be, Mg, Ca,..) +2

Zinco e Cadmio +2

Alluminio +3

  Cu+ : ione rame(I) Cu2+ : ione rame(II).   Alternativamente

  Cr2+: ione cromoso (II) Cr3+: ione cromico (III)

Nomenclatura degli anioniNomenclatura degli anioni..

Per gli anioni monoatomici si aggiunge il suffisso

-uro alla radice del nome dell'elemento:

Elemento Ione

Fluoro fluoruro F-

Cloro cloruro CI-

Azoto azoturo N3-

ossianioni

Gli ossianioni contengono almeno un atomo di ossigeno.

aggiungere il suffisso -ato alla radice dell'elemento. 

Elemento Ossoanione

Carbonio Ione carbonato CO32-

Zolfo Ione solfato SO42-

Cloro Ione clorato C1O3-

 

Ossianioni IISe ci sono ioni con minor numero di atomi di ossigeno essi

assumono il suffisso -ito  Elemento Ossoanione

Azoto Ione nitrato NO3-

Ione nitrito NO2-

Zolfo Ione solfato SO42-

Ione Solfito SO32

massimo contenuto di ossigeno ione perclorato ClO4-

ione clorato ClO3

-

ione clorito ClO2-

minimo contenuto di ossigenoione ipoclorito ClO-

privo di ossigeno ione cloruroCl-

AcidiF, Cl, Br, I sono alogeni.

Gli “alogenuri d'idrogeno” - HF, HC1, HBr, HI

sono denominati acido ………….. -idrico

.

  Elemento Ione Acido

Bromo Ione bromuro Br- Acido bromidrico HBr

Iodio Ione ioduro I- Acido iodidrico HI

 

Ossiacidi

Gli ossiacidi,

 ione perclorato C1O4- acido perclorico HClO4

ione clorato C1O3- acido clorico HClO3

ione clorito C1O2- acido cloroso HClO2

ione ipoclorito CIO- acido ipocloroso   HCIO

ione cloruro Cl- acido cloridrico HCI

Basi

• Idrossido di sodio NaOH

• Idrossido di potassio KOH

• Idrossido di ammonio (NH4)OH

• Idrossido di calcio Ca(OH)2

• Idrossido di magnesio ?????

domande

• HIO nome ?

• Acido solforico formula ?

• H3PO4 nome?

• FeCl2, AlBr3, CaS, Mn2O3, PbCl3,

Riassunto

• Gli elementi sono tanti e sono il codice della chimica.

• Le sostanze si trasformano• Le sostanze sono fatte di atomi, che sono molto

piccoli • Le sostanze pure (composti) sono descritte con

formule chimiche e con una terminologia specifica.

• L’unità di misura delle sostanze in chimica è la mole (= 6.02 x 1023 particelle)

La tabella