Corso di Chimica 2004-2005

1. Corso di Chimica 2004-2005 Luigi Cerruti luigi.cerruti@unito.it Lezioni 5-6 Corso di Chimica Lezioni 5-6

2. Comunicazione di servizioInterattività fra allievi e docente: allenamento per l'esame • Ogni sabato per tutta la durata del corso saranno messi rete esercizi di allenamento per l'esame, all'indirizzo: • http://www.minerva.unito.it • Gli esercizi saranno di due tipi: numerici e domande con risposte aperte • Gli esercizi numerici saranno corretti in aula durante la settimana successiva • Le risposte alle domande aperte vanno inviate al seguente indirizzo: • lcerruti00@yahoo.it • Le risposte saranno rispedite al mittente opportunamente corrette • Ovviamente il docente non terrà in nessun conto gli eventuali errori • Anzi, il docente sarà grato all'allievo che avrà così segnalato qualche difficoltà nel meccanismo insegnamento/apprendimento Corso di Chimica Lezioni 5-6

3. Comunicazione di servizioInterattività fra allievi e docente: comprensione dei contenuti • La comprensione della chimica richiede un modo di pensare abbastanza diverso da quello usuale per un fisico • Dubbi e perplessità possono sorgere in ogni momento dedicato allo studio o a rivedere gli appunti • Si possono mandare domande su punti specifici di quanto detto a lezione al seguente indirizzo: • lcerruti00@yahoo.it • Le risposte saranno rispedite al mittente opportunamente corrette • Presumendo che i dubbi non siano 'individuali' le risposte saranno spedite anche a tutti gli studenti che avranno mandato un mail all'indirizzo citato Corso di Chimica Lezioni 5-6

4. La definizione di mole La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12. Le entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle. La mole è una delle sette unità di misura fondamentali Corso di Chimica Lezioni 5-6

5. La definizione di mole La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12. Le entità elementari devono essere specificate e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc, ovvero gruppi specificati di tali particelle. Si tenga conto che raggruppamenti atomici importantissimi come l'idrossile OH, il carbossile COOH, il solfonile SO3Hè non sono nè atomi, nè molecole nè ioni. Corso di Chimica Lezioni 5-6

6. La quantità di sostanza come grandezza fisica "Il metro è la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di un secondo". vs. "La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12" Corso di Chimica Lezioni 5-6

7. La quantità di sostanza come grandezza fisica "Il metro è la lunghezza del cammino percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di un secondo". vs. "La mole è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio 12" Corso di Chimica Lezioni 5-6

8. La quantità di sostanza come grandezza fisica Come la lunghezza di un cammino corrisponde ad una distanza fra due punti, e cioè ad una specifica grandezza fisica, con relativa unità di misura [ m ] così la quantità di sostanza di un sistema corrisponde ad una particolare capacità di reagire della sostanza, e cioè ad una specifica grandezza fisica, con relativa unità di misura [ mol ] Corso di Chimica Lezioni 5-6

9. La quantità di sostanza e le altre grandezze fisicheOssia: perché la chimica è difficile • Per accordo internazionale sette grandezze fisiche sono considerate dimensionalmente indipendenti: • grandezza fisica simbolo • lunghezza l • massa m • tempo t • corrente elettrica I • temperatura T • quantità di sostanza n • intensità luminosa Iv Corso di Chimica Lezioni 5-6

10. La quantità di sostanza e le altre grandezze fisicheOssia: perché la chimica è difficile • Discipline diverse mettono successivamente in gioco le diverse grandezze fisiche: • grandezze fisiche disciplina • l geometria • l, m cinematica • l, m, t meccanica • l, m, t, I elettricità e magnetismo • l, m, t, I, T termodinamica • l, m, t, I, T, n chimica Corso di Chimica Lezioni 5-6

11. Moli di elementi e di composti Nella fila di bicchieri davanti: una mole di Cu, Pb, Hg, Fe Nella fila di bicchieri dietro: una mole di zucchero, acqua, S8, S, NaCl La formula dello zucchero è C12H22O11 La massa molare dello zucchero è 342 g mol-1 Corso di Chimica Lezioni 5-6

12. La rete di reazioni che collega le sostanze semplici e composte C + O2 CO2 (1) H2 + ½ O2 H2O (2) C + ½ O2 CO (3) C + H2O  CO + H2 (4) CO + 2 H2 CH3OH (5) Corso di Chimica Lezioni 5-6

13. La rete di reazioni che collega le sostanze semplici e composte C + O2 CO2 (1) combustione del carbonio H2 + ½ O2 H2O (2) combustione dell'idrogeno C + ½ O2 CO (3) combustione parziale del carbonio C + H2O  CO + H2 (4) produzione del 'gas d'acqua' CO + 2 H2 CH3OH (5) reazione di Fischer-Tropsch Corso di Chimica Lezioni 5-6

14. La reazione di Fischer-Tropsch CO + 2 H2 CH3OH(1) 2 CO + 4 H2 C2H4 + 2 H2O (2) n CO + 2n H2 H-(CH2)n-OH + (n-1) H2O (1') n CO + 2n H2 (CH2)n + nH2O(2') Corso di Chimica Lezioni 5-6

15. La costante di Avogadro La costante di Avogadro vale: NA = 6,022 x 1023 mol-1 Osservazioni importanti: • Essendo una costante con dimensione mol-1 in nessun caso può essere confusa con un 'numero' • La costante di Avogadro dipende dalla definizione di mole e non viceversa • La costante di Avogadro indica il numero di entità microscopiche contenute in una mole • E' opportuno ricordare che la quantità di sostanza è una proprietà di un sistema di particelle microscopiche Corso di Chimica Lezioni 5-6

16. Massa atomica relativa (mar) E' il rapporto tra la massa di un atomo di un elemento naturale (spesso una miscela di isotopi ) e la dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12. Il suo valore per ogni elemento “risulta facendo la media tra i valori massimo e minimo, trovati sperimentalmente e di dimostrata alta precisione, su tutti i materiali normali noti” (Definizione della IUPAC , International Union of Pure and Applied Chemistry) La massa atomica relativa è detta anche peso atomico, in ogni caso questa grandezza è adimensionale. Corso di Chimica Lezioni 5-6

17. Massa atomica relativaIl caso del fosforo Il fosforo è un elemento mononuclidico, è cioè costituito esclusivamente dal nuclide 31P. La massa atomica relativa del fosforo è 30,973 76. Ciò significa che la massa di un atomo di fosforo-31 è 30,973 76 volte maggiore della dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12. Corso di Chimica Lezioni 5-6

18. Massa atomica relativaIl caso del silicio Il silicio è un elemento polinuclidico costituito in maggioranza (92,21 %) dall’isotopo 28Si (27,976 93 amu) ma contenente il 4,70 % dell’isotopo 29Si (28,976 49 amu) e il 3,09 % dell’isotopo 30Si (29,97376 amu). La massa atomica relativa del silicio è 28,086. Ciò significa che la massa di un atomo di silicio naturale(media tra quelle dei tre isotopi) è 28,086 volte maggiore della dodicesima parte della massa dell’atomo di carbonio 12. Corso di Chimica Lezioni 5-6

19. Condizioni standard per i gas • E' utile definire le condizioni standard di uno stato di riferimento per i gas. • Si è assunta come temperatura standard 0 °C • Si è assunta come pressione standard 1 atm • Si ricordi che 0 °C corrispondono a 273,15 K Corso di Chimica Lezioni 5-6

20. Condizioni standard per i gasUn avviso preliminare • E' necessario tener conto che le condizioni standard di uno stato di riferimento per i gas sono diverse dalle condizioni standard adottate in termodinamica • In termodinamica la temperatura standard è 25 °C • In termodinamica la pressione standard è sempre 1 atm • Si ricordi che 25 °C corrispondono a 298,15 K Corso di Chimica Lezioni 5-6

21. Le grandezze molari • Si definiscono molari tutte le grandezze riferite ad una mole di sostanza. Due esempi importanti sono i seguenti: • massa molare: è la massa di una mole di sostanza, ed è espressa in g mol-1 • volume molare: è il volume di una mole di sostanza, ed è espresso in cm3 mol-1 • Nel caso dei gas il volume molare è espresso in L mol-1, e a TPS vale 22,4 L mol-1 T Corso di Chimica Lezioni 5-6

22. Masse molari degli elementi • Il rame Cu ha m.a.r. 63,546 • La massa di una mole di Cu è 63,54 g • La massa molare del Cu 63,54 g mol-1 • Domanda: quante moli di rame sono contenute in un campione del metallo che pesa 15,30 g? • Risposta: 15,30 g / 63,54 g mol-1 = 0,24 mol Corso di Chimica Lezioni 5-6

23. Masse molari degli elementi • L'ossigeno ha m.a.r. 15,9994 • La massa di una mole di O è 15,99 g • La massa molare dell'ossigeno atomico è 15,99 g mol-1 • Domanda: quante moli di ossigeno O2 sono contenute in un campione del gas che nelle condizioni normali ha un volume di 12,45 L? • Risposta: 12,45 L / 22,4 L mol-1 = 0,56 mol • Attenzione: 0,56 mol di O2 corrispondono a 1,12 mol di O Corso di Chimica Lezioni 5-6

24. Diversi tipi di formula per i composti • Per un composto molecolare la formula di riferimento è data dalla formula molecolare acqua  H2O • L'analisi chimica elementare permette di valutare il tipo di atomi che partecipano al composto e il loro numero relativo. Questo dato è espresso mediante la formula minima • La formula di struttura di una sostanza indica le relazioni topologiche fra gli atomi che costituiscono la molecola • Nel caso di sostanze ioniche, in cui non esistono molecole con composizione corrispondente a quella della sostanza in esame, ci si riferisce spesso alla formula minima, ad es. NaCl Corso di Chimica Lezioni 5-6

25. Due formule di struttura Acido salicilico Fastac Corso di Chimica Lezioni 5-6

26. Formule e massa molare relativa Data una formula di qualsiasi tipo possiamo calcolare la massa molare relativa sommando le masse molari relative degli elementi indicati nella formula, moltiplicate per il numero di atomi dell'elemento presenti nella formula. Dato il gruppo COOH, la massa molare relativa è 12 + 16 x 2 + 1 = 45 Data la formula NaCl, la massa molare relativa è 23 + 35,45 = 58,45 Ci si può riferire ai 'pesi atomici' e al 'peso formula', avendo ben presente che si tratta di numeri adimensionali Corso di Chimica Lezioni 5-6

27. Il rapporto fra quantità di sostanza in moli e massa in grammi Corso di Chimica Lezioni 5-6

28. La formula minima • La formula minimadi un composto chimico rappresenta soltanto i rapporti numerici esistenti tra gli atomi nel composto; può coincidere con la vera formula o essere un suo sottomultiplo. • Molti composti diversi possono avere la stessa formula minima, così CH2O è la formula minima, della formaldeide, dell'acido acetico, e del glucosio. • La formula minima di un composto chimico è ottenuta sperimentalmente mediante l'analisi elementare Corso di Chimica Lezioni 5-6

29. Eguale formula minima, diversa formula molecolare • Sia data la formula minima CH2O • Nella formaldeide la formula molecolare è CH2O • Nell'acido acetico la formula molecolare è C2H4O2 • Nel glucosio la formula molecolare è C6H12O6 Corso di Chimica Lezioni 5-6