CHIMICA GENERALE 1



SOFTWARE
 
Molview è una applicazione web per visualizzare e modificare molecole
Biotopics è un sito per la visualizzazione 3D di biomolecole
Rasmol  è un programmino per la visualizzazione di molecole da scaricare sul PC
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TEORIA PARTICELLARE E STATI DELLA MATERIA
 
Perché le sostanze sono presenti in forma solida liquida e gassosa? Perché esistono tante varietà di sostanze? Proviamo a comprenderlo.
 
Guarda i video

Come possiamo spiegare i fenomeni osservati? Guarda le risorse seguenti poi leggi la teoria
 
La teoria particellare della materia è una rappresentazione della realtà microscopica.
La materia è definita genericamente come qualsiasi oggetto che abbia massa e che occupi spazio, è la sostanza di cui sono composti gli oggetti fisici (escludendo l'energia). 
La materia è costituita da particelle che si aggregano (si uniscono) tra loro.
A seconda del TIPO di particella si formano diversi tipi di materia chiamati sostanze (acqua, ferro, vetro etc.).
A seconda del MODO in cui le particelle si uniscono si formano gli stati solido, liquido e gassoso.
A livello macroscopico (cioè visibile ad occhio nudo) la materia si può suddividere in tre stati, solido, liquido e gassoso.
A livello microscopico
(non visibile ad occhio nudo) i tre stati si differenziano dal modo in cui le particelle si muovono e dal modo in cui sono legate tra loro.  
Lo stato solido Le particelle sono strettamente legate, sono vicine e possono solo vibrare. 
Il solido a livello macroscopico ha volume proprio (cioè costante, non può essere compresso) perché le particelle sono vicinissime tra loro e non possono essere avvicinate ulteriormente. Ha forma propria (cioè costante, non cambia forma) perché le particelle sono strettamente legate e si muovono tutte insieme. 
Stato liquido Le particelle possono vibrare e ruotare le une sulle altre.
Il liquido ha volume proprio (non può essere compresso) perché le particelle sono vicinissime tra loro e non possono essere avvicinate ulteriormente. Non ha forma propria (si adatta al contenitore) perché le particelle possono scorrere le une sulle altre.
Stato gassoso Le particelle sono libere, cioè non legate, e possono vibrare, ruotare e traslare (ovvero muoversi nelle 3 dimensioni dello spazio).
Il gas non ha né forma né volume propri, occupa tutto il volume del recipiente, quindi può essere compresso perché le particelle si possono avvicinare oppure si può espandere perché le particelle si possono allontanare tra loro.

Approfondimento
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TRASFORMAZIONI FISICHE
 
Perché d'inverno se alitiamo sul vetro si formano le goccioline d'acqua?
Perché si formano le nubi o la brina sull'erba quando fa freddo? 
Cosa significa a livello microscopico bollire ed evaporare?
 
Guarda il video

Come possiamo spiegare i fenomeni osservati? Guarda le risorse seguenti poi leggi la teoria

Le trasformazioni fisiche sono trasformazioni durante le quali cambia lo stato di aggregazione della materia (cioè come le particelle si aggregano, ovvero uniscono, tra loro) ma non cambia la natura delle sostanze.
Durante i passaggi di stato di aggregazione della materia, gli stati solido, liquido e gassoso si interconvertono tra loro.
I passaggi di stato sono i seguenti:
da solido a liquido: fusione, da liquido a gas: evaporazione ed ebollizione, da solido a gas: sublimazione, da gas a liquido: condensazione, da liquido a solido: solidificazione, da gas a solido: brinamento.
Curva di riscaldamento delle sostanze pure. Durante il riscaldamento di una sostanza pura, ad esempio l'acqua, se forniamo calore in modo continuo, la temperatura tende a salire come ci aspetteremmo ma ci sono momenti in cui questo aumento si interrompe, ovvero durante il passaggio di stato.
Stati termica e calore latente di fusione. Il calore fornito durante il passaggio di stato, detto calore latente di fusione, serve a rompere i legami tra le particelle e quindi non causa un aumento del movimento delle particelle (stasi termica, la temperatura non aumenta).
Le proprietà fisiche delle sostanze sono ad es. il colore, la temperatura di fusione ed ebollizione, la solubilità, la densità, la conducibilità al calore o la corrente e sono caratteristiche differenti per ogni tipo di sostanza diversa e sono costanti.

Approfondimento
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GRANDEZZE FISICHE

Perché sul livello del mare l'acqua bolle a 100°C mentre in montagna a temperatura minore? Perché se aspiriamo l'aria da una bottiglia di plastica, implode?

Guarda i video seguenti poi leggi la teoria
 
Nelle scienze noi studiamo i sistemi.
Un sistema è una porzione di materia, un corpo o un fenomeno, oggetto del nostro studio.
L'ambiente è tutto ciò che circonda il sistema e con cui il sistema può scambiare materia ed energia.
Il sistema più l'ambiente viene definito universo.
I Sistemi si suddividono in aperti, chiusi e isolati, in base alla loro capacità di scambiare materia ed energia con l'ambiente.
Sistemi Aperti scambiano energia e materia con l'ambiente (es gli esseri umani mangiano e possono disperdere energia sotto forma di calore).
Sistemi Chiusi scambiano energia ma non materia con l'ambiente (ad esempio un termosifone).
Sistemi Isolati non scambiano né energia, né materia. In natura sistemi isolati perfetti non esistono ma qualcosa di simile può essere un thermos o la borsa termica per mantenere costante la temperatura dei cibi.
Una grandezza è una proprietà (caratteristica) di un corpo o un fenomeno che può essere misurata.
Misurare significa confrontare la grandezza con l'opportuna unità di misura.
L'unità di misura è una grandezza assunta come campione e termine di confronto per la misurazione di tutte le grandezze della stessa specie. 
Grandezze Estensive dipendono dall'estensione dei corpi, ad esempio la massa è una grandezza che aumenta con l'aumentare delle dimensioni di un corpo, se dividiamo in due parti un corpo la massa si divide, anche il calore è estensiva.
Grandezze Intensive non dipendono dall'estensione di un corpo, ad esempio se dividiamo in due parti un corpo di 20°C, ognuna delle parti avrà comunque 20°C, quindi la Temperatura è intensiva.
 
Il volume è la misura dello spazio occupato da un corpo.

La densità di una sostanza è il rapporto tra la massa e il volume di tale sostanza.

Il Calore è una forma di energia (la cui unità di misura è il Joule, J) che si trasferisce da corpi a temperatura maggiore verso corpi a temperatura minore. Ovvero se mettete a contatto due corpi, uno a 70 gradi e uno a 30, il calore fluirà dal corpo a 70 verso quello a 30 gradi. Oppure una tazzina di caffè bollente rilascerà calore verso l'esterno, ovvero l'aria circostante che ha una temperatura minore oppure la vostra mano se la state toccando. Questo flusso di calore prosegue finché i due corpi hanno raggiunto un equilibrio termico, ovvero saranno alla stessa temperatura.
 
La Temperatura è la misura dello stato di agitazione termica di un corpo, ovvero dell'energia cinetica media delle sue particelle (media perché ci saranno particelle che si muovono di più e altre meno). Per cui quando forniamo energia ad un corpo sotto forma di calore, aumenta l'energia cinetica media delle sue particelle (ovvero si muovono di più).
Qual è la relazione tra calore e temperatura? Se forniamo calore ad un corpo, di conseguenza aumenta l'agitazione delle sue particelle e di conseguenza possiamo misurare un aumento della sua temperatura.
 
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ELEMENTI, COMPOSTI E FORMULE CHIMICHE
 
Cosa sono gli elementi e i composti? Scopriamolo nel breve video introduttivo.
Un elemento è una sostanza semplice che non può essere scomposta in altre sostanze.
Essi vengono classificati nella tavola periodica degli elementi.
Gli elementi rinvenuti sulla Terra sono 98 (dall'idrogeno al californio) e, a oggi, ne sono stati sintetizzati artificialmente altri 20, quindi in totale sono noti 118 elementi. 
Simboli degli elementi. Gli elementi sono rappresentati da simboli nella tavola periodica.
Esempi di elementi e loro simboli (da imparare a memoria): H (Idrogeno), O (ossigeno), C (Carbonio), N (Azoto), Fe (Ferro), Na (Sodio), Cl (Cloro), Ca (Calcio), P (Fosforo), Mg (Magnesio).
Un atomo è la più piccola particella di un elemento di cui conserva le proprietà chimiche.
Le proprietà chimiche delle sostanze sono uguali a quelle degli atomi di cui sono fatte e dipendono dalla capacità di reagire (svolgere trasformazioni chimiche) con altre sostanze.
Le proprietà fisiche delle sostanze le abbiamo studiate in precedenza (temperatura di fusione, di ebollizione etc.) e dipendono dalle interazioni dell'insieme degli atomi e sono diverse dalle proprietà fisiche dei singoli atomi.
Le proprietà fisiche dei singoli atomi sono la loro massa e le dimensioni.
Un composto è una sostanza formata da più elementi diversi tra loro, uniti da legami chimici, in modo tale che le proprietà (fisiche e chimiche) del composto sono completamente nuove rispetto alle proprietà dei singoli elementi di cui è formato. Sono legati in modo che non possono più essere separati tramite processi fisici, come accadeva nei miscugli, ma solo tramite processi chimici (reazioni chimiche).
Quindi un composto NON è un miscuglio di elementi MA elementi legati in modo da formare una nuova sostanza.
Esempi di composti:  acqua (formata da idrogeno e ossigeno), anidride carbonica (un gas formato da carbonio e ossigeno), il metano (un gas formato da carbonio e idrogeno), zucchero (formato da carbonio, idrogeno, ossigeno), il sale (formato da sodio e cloro), l'ossido di ferro detto anche ruggine (formato da ferro e ossigeno).
Una molecola è la più piccola particella di un composto di cui conserva le proprietà chimiche e la composizione (non ne conserva le proprietà fisiche, perché queste derivano dall'unione e interazione di tante molecole).
Una formula chimica è la rappresentazione simbolica di una molecola. 
La formula bruta offre indicazioni sulla composizione di una molecola, ovvero il tipo e il numero di atomi degli elementi che la compongono.
La formula di struttura indica non solo il tipo e il numero di atomi degli elementi ma anche come sono legati tra loro (ovvero la connettività) e la loro disposizione nello spazio.
 
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REAZIONI (TRASFORMAZIONI) CHIMICHE

Le reazioni chimiche sono trasformazioni durante le quali cambiano le caratteristiche chimiche delle sostanze coinvolte, che non mantengono la loro natura (la specie chimica varia). Le reazioni chimiche vengono rappresentate attraverso equazioni chimiche.
Le equazioni chimiche sono rappresentazioni testuali nelle quali a sinistra si scrivono i
reagenti, seguiti da una freccia che indica la direzione della reazione,
e a destra si scrivono i prodotti.
Esempio la scrittura reagenti --> prodotti indica che le sostanze inizialmente presenti, dette reagenti, si trasformano nelle nuove sostanze chiamate prodotti. Quindi col tempo i reagenti scompaiono e si formano i prodotti.
Ferro + ossigeno --> ruggine
Metano + ossigeno --> anidride carbonica + acqua 
Durante una reazione chimica si rompono i legami tra gli atomi che costituiscono le sostanze reagenti, gli atomi si ricombinano a formare nuovi legami tra loro e si formano nuove sostanze. I reagenti vengono consumati e scompaiono, mentre i prodotti si formano.
Differenza tra trasformazioni chimiche e fisiche. Durante le trasformazioni fisiche cambia solo lo stato di aggregazione della materia delle sostanze (da solido a liquido a gas e viceversa) ma non le sostanze (es. l'acqua che da liquida diviene ghiaccio è sempre acqua). Durante le trasformazioni chimiche cambiano le sostanze e si forma qualcosa di nuovo (es. dall'aceto e il bicarbonato si forma anidride carbonica che prima non c'era).
Come possiamo riconoscere le trasformazioni chimiche?  una reazione chimica generalmente (non sempre) produce fenomeni osservabili, come ad esempio la produzione di gas, il cambiamento di colore, la formazione di sostanze che precipitano sul fondo di una provetta, la produzione di una fiamma (durante la combustione), la formazione di ossidi ad es. la ruggine del ferro etc. Ma più correttamente dobbiamo affermare che durante una reazione chimica vi è la formazione di nuove sostanze, i prodotti, a partire da sostanze dette reagenti.
Le proprietà chimiche delle sostanze indicano la capacità di una sostanza di reagire con altre sostanze. Ad esempio il ferro con l'ossigeno forma la ruggine, l'acciaio inossidabile no. L'aceto e il bicarbonato formano anidride carbonica, il potassio in acqua reagisce violentemente e si forma addirittura una fiamma e piccole esplosioni.

Approfondimento
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SOSTANZE PURE E MISCUGLI

Cos'hanno in comune l'acqua di mare e l'aria che ci circonda? Perché la nutella dopo molto tempo forma uno strato di olio in superficie?

Guarda i video seguenti poi leggi la teoria
Video introduttivo miscugli, soluzioni e metodi di separazione
 
Attenzione!
Nel video "Miscugli, soluzioni e metodi di separazione" c'è un errore, uno dei miscugli definito omogeneo in realtà non lo è. Non ti dico quale però, prova a scovarlo da solo svolgendo le tue ricerche.
 
Una sostanza pura è costituita da una sola specie chimica, ovvero le sue particelle sono dello stesso tipo, ovvero tutte identiche (tutte costituite dallo stesso elemento, oppure dallo stesso composto). 
Un miscuglio (o miscela) è l'unione di più sostanze pure e quindi è formato da particelle di tipo diverso.
Un miscuglio omogeneo formato da sostanze mescolate in modo uniforme e non più distinguibili. Ha proprietà chimico-fisiche identiche in ogni suo punto (densità, punto di fusione e di ebollizione, colore, sapore) e sono pertanto formati da una sola fase.
I miscugli omogenei possono esistere in tutti e tre gli stati di aggregazione.
Le Soluzioni sono miscugli omogenei nei quali è presente un componente in maggiore quantità, il solvente, che scioglie il componente in minore quantità, il soluto.
Un miscuglio eterogeneo è formato da sostanze mescolate in modo non uniforme, e le sostanze sono visibili ad occhio nudo o tramite un microscopio ottico. Ha proprietà chimico-fisiche diverse nei vari punti (densità, punto di fusione e di ebollizione, colore, sapore) e sono pertanto formati da due o più fasi. Solo solidi e liquidi possono formare miscugli eterogenei poiché i gas si mescolano sempre in modo uniforme.
Tipi di miscugli eterogenei: 
i miscugli di solidi (esempio: zolfo e ferro)
i miscugli di liquidi (esempio: acqua e olio)
i miscugli di solidi in liquidi (esempio: terra e acqua)
i miscugli di solidi in gas (esempio: lo smog cioè delle minuscole particelle di fuliggine nell’aria)
i miscugli di gas in liquidi (esempio: le bollicine nell’acqua gassata)
Esempi di miscugli eterogenei:  
Le emulsioni sono miscugli eterogenei tra due o più liquidi immiscibili che vengono agitati vigorosamente si disperdono l'uno nell'altro. 
La nebbia formata da goccioline d'acqua disperse e sospese nell'aria.
Il fumo particelle di solido disperse in un gas.
La schiuma formata da gas disperso in un liquido.
L'emulsionante è una sostanza che viene utilizzata per stabilizzare le emulsioni ed evitare che si riformino le fasi. Viene utilizzato ad es. nelle creme cosmetiche e negli alimenti. 
Mettiti alla prova
 
Attenzione! Relazioni tra elementi e composti e sostanze pure e miscugli.
Una sostanza pura può essere formata da un elemento (ad esempio il ferro), oppure da un composto (ad esempio l'acqua oppure il sale oppure l'ossido di ferro).
Un miscuglio può essere formato da elementi mescolati tra loro ad esempio l'acciaio è una lega, ovvero un miscuglio dell'elemento ferro e l'elemento carbonio, oppure se mescoliamo due gas come l'elemento ossigeno e l'elemento idrogeno formiamo un miscuglio di gas.
Un miscuglio può anche essere formato da un insieme di composti. ad esempio acqua mescolata col sale, oppure lo zucchero sciolto nell'acqua, oppure due gas come anidride carbonica e il metano.
 
La separazione delle sostanze nei miscugli può avvenire attraverso trasformazioni fisiche, ovvero trasformazioni che non cambiano le caratteristiche chimiche delle sostanze coinvolte (cioè le particelle non cambiano, non si formano nuove sostanze) ma cambiano soltanto lo stato di aggregazione o in generale, sfruttano le diverse proprietà fisiche delle sostanze. Ad esempio se prendiamo un miscuglio omogeneo, ovvero una soluzione di acqua e sale e le vogliamo separare, dobbiamo usare un metodo fisico. Dopo la separazione avremo acqua pura da una parte e sale dall'altra, e le due sostanze hanno mantenuto le loro caratteristiche individuali.  
Metodi di separazione e principi su cui si basano
Filtrazione dimensione delle particelle
Cristallizzazione evaporazione delle sostanze, trasformazioni fisiche
Decantazione densità delle sostanze, attraverso la gravità
Centrifugazione densità delle sostanze, accelera il processo di decantazione attraverso la forza centrifuga
Distillazione punto di ebollizione
Cromatografia ed estrazione affinità dell'eluente alle sostanze da separare
 
Approfondimento 

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