CHIMICA GENERALE 3
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Applicazioni per il bilanciamento automatico e calcoli stechiometrici
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LA TAVOLA PERIODICA
Tavola di Mendelev
Durante la storia della chimica, mentre si scoprivano sempre più elementi, si rese necessaria l'introduzione di una modalità di raggruppamento che seguisse un criterio logico.
Nel 1789 Antoine Lavoisier pubblicò una lista di 33 elementi chimici, raggruppandoli in gas, metalli, non metalli e metalli terrosi.
Il chimico inglese John Newlands produsse una serie di fogli dal 1863 al 1866, notando che quando gli elementi erano ordinati in base al peso atomico crescente, le loro proprietà fisiche e chimiche ricorrevano a intervalli di 8. Egli pertanto paragonò questa periodicità alle ottave della musica. Questa Legge delle ottave, però, fu ridicolizzata dai contemporanei di Newlands e la Chemical Society rifiutò di pubblicare il suo lavoro riconoscendo l'importanza di queste scoperte solamente 5 anni dopo aver premiato Mendeleev.
Nel 1869 Dmitrij Ivanovič Mendeleev, pubblico la sua tavola periodica che ordinava gli elementi secondo il loro peso atomico (massa) e riuniva negli stessi gruppi gli elementi con proprietà chimiche simili. Inoltre la scoperta dei "gas rari" o "nobili", fra il 1885 e il 1890, fece aggiungere un ottavo gruppo, ovvero una colonna a destra delle sette indicate da Mendeleev.
Tavola periodica moderna
Con la scoperta di protoni e neutroni si comprese che gli elementi dovevano essere ordinati non più in base alla massa ma al numero atomico crescente.
Con lo sviluppo della meccanica quantistica diventò evidente che ogni periodo (riga) corrispondeva al riempimento dei livelli energetici caratterizzati dallo stesso numero quantico principale (n).
Attualmente quindi la tavola periodica degli elementi è lo schema con cui sono ordinati gli elementi chimici sulla base del loro numero atomico Z e del numero di elettroni presenti negli orbitali atomici s, p, d, f.
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Numero di Ossidazione
Il numero di ossidazione (NO) di un elemento in un composto è la carica apparente che l'elemento avrebbe se gli elettroni di legame fossero assegnati completamente all'atomo più elettronegativo.
Conoscendo il N.O. degli elementi, è possibile prevedere i prodotti che si formano in determinate reazioni chimiche.
Regole per l'assegnazione del Numero di Ossidazione (N.O.) con esempi di composti neutri e ioni poliatomici
In un composto neutro: la somma dei N.O. di tutti gli atomi è uguale a zero.
In uno ione poliatomico: la somma dei N.O. di tutti gli atomi è uguale alla carica dello ione.
Idrogeno (H):
N.O. = +1 quando legato a un elemento non metallico (es: H₂O acqua, HCl acido cloridrico)
N.O. = -1 negli idruri metallici (es: NaH idruro di sodio)
Ossigeno (O):
N.O. = -2 nella maggior parte dei composti (es: H₂O acqua, CO₂ diossido di carbonio, SO₄²⁻ ione solfato)
N.O. = -1 nei perossidi (es: H₂O₂ perossido di idrogeno)
N.O. = +2 nei fluoruri (es: OF₂ difluoruro di ossigeno)
Elementi del primo gruppo (metalli alcalini):
N.O. = +1 in tutti i composti (es: NaCl cloruro di sodio, NaOH idrossido di sodio, KCl cloruro di potassio)
Elementi del secondo gruppo (metalli alcalino-terrosi):
N.O. = +2 in tutti i composti (es: MgO ossido di magnesio, CaCl₂ cloruro di calcio, BaSO₄ solfato di bario)
Alogeni (gruppo 17):
N.O. = -1 negli alogenuri monatomici (es: NaCl cloruro di sodio, KCl cloruro di potassio)
N.O. = +1, +3, +5, +7 negli ossiacidi e negli ossoanioni (es: HClO acido ipocloroso, HClO₂ acido cloroso, HClO₃ acido clorico, HClO₄ acido perclorico)
Il Fluoro ha sempre NO -1 (è il più elettronegativo della tavola periodica).
Ioni Poliatomici:
La somma dei N.O. in uno ione poliatomico è uguale alla sua carica.
Ione Nitrato (NO₃⁻): N: +5, O: -2 (x3 per 3 atomi di O) = -6, Carica ione: -1
Somma N.O.: +5 - 6 = -1 (uguale alla carica)
Ione Solfato (SO₄²⁻): S: +6, O: -2 (x4 per 4 atomi di O) = -8, Carica ione: -2
Somma N.O.: +6 - 8 = -2 (uguale alla carica)
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Reazioni (Trasformazioni) chimiche.
Una reazione chimica è una trasformazione in cui sostanze chimiche di partenza (reagenti) si trasformano in nuove sostanze chimiche (prodotti).
Questo cambiamento avviene attraverso la rottura dei legami tra gli atomi degli elementi che formano i reagenti e la formazione di nuovi legami chimici nei prodotti.
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.
I reagenti e prodotti possono essere preceduti da un numero, detto coefficiente stechiometrico che indica il numero di unità elementari di ogni specie chimica che partecipano alla reazione (atomi, molecole, ioni), ma anche il numero di moli e di conseguenza anche i rapporti molari tra le varie specie chimiche
Esempio di reazione di combustione del metano, durante la quale ogni molecola di metano reagisce con due molecole di ossigeno per formare una molecola di anidride carbonica e due di acqua.
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (l)
(g) gassoso
(aq) in soluzione acquosa
(l) liquido
(s) solido
Le reazioni chimiche sono accompagnate da una serie di fenomeni che possono essere osservati, come:
Cambio di colore (es: la ruggine del ferro), produzione di gas (es: una effervescenza), rilascio o assorbimento di calore (es: una fiamma, esplosioni), cambiamento di solubilità (es: formazioni di precipitati), etc.
Bilanciamento delle Reazioni Chimiche
Il bilanciamento di una reazione chimica è un processo che ha come scopo di uguagliare il numero di atomi di ogni elemento sia nei reagenti che nei prodotti.
Serve a soddisfare la legge di Lavoisier secondo cui in una reazione chimica ben bilanciata, la massa di ogni elemento rimane costante durante la trasformazione da reagenti a prodotti.
Permette di interpretare correttamente la reazione in termini di proporzioni stechiometriche tra i reagenti.
È fondamentale per calcolare le quantità di prodotti che si ottengono da una data quantità di reagenti.
Come si bilancia una reazione chimica
Esistono diversi metodi per bilanciare una reazione chimica, ma il metodo più comune è quello per tentativi.
Combustione del metano:
Reazione non bilanciata: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
Bilanciamento:
C: 1 atomo a sinistra, 1 atomo a destra. Il carbonio è già bilanciato.
H: 4 atomi a sinistra, 2 atomi a destra. Per bilanciare l'idrogeno, moltiplico H₂O per 2: CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂O
O: 2 atomi a sinistra, 4 atomi a destra. Per bilanciare l'ossigeno, moltiplico O₂ per 2:
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Reazione bilanciata: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Sintesi dell'acqua:
Reazione non bilanciata: H₂ + O₂ → H₂O
Bilanciamento:
H: 2 atomi a sinistra, 2 atomi a destra. L'idrogeno è già bilanciato.
O: 2 atomi a sinistra, 1 atomo a destra. Per bilanciare l'ossigeno, moltiplico H₂O per 2:
H₂ + O₂ → 2H₂O
Gli idrogeni adesso sono 2 a sinistra e 4 a destra. moltiplico H2 per 2.
Reazione bilanciata: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
Combustione del magnesio:
Reazione non bilanciata: Mg + O₂ → MgO
Bilanciamento:
Mg: 1 atomo a sinistra, 1 atomo a destra. Il magnesio è già bilanciato.
O: 2 atomi a sinistra, 1 atomo a destra. Per bilanciare l'ossigeno, moltiplico MgO per 2:
Mg + O₂ → 2MgO
Il Magnesio adesso è 1 atomo a sinistra e 2 atomi a destra. Moltiplico per due anche Mg a sinistra.
Reazione bilanciata: 2Mg + O₂ → 2MgO
Sali, reazione di doppio scambio:
Reazione non bilanciata: BaSO₄ + NaCl → BaCl₂ + Na₂SO₄
In questa reazione, lo ione solfato (SO₄²⁻) del solfato di bario (BaSO₄) si scambia con lo ione cloruro (Cl⁻) del cloruro di sodio (NaCl), formando cloruro di bario (BaCl₂) e solfato di sodio (Na₂SO₄).
Bilanciamento:
Bilanciare i metalli: Il metallo bario (Ba) è già bilanciato. Il sodio è 1 a sinistra e 2 a destra. moltiplichiamo il sodio a sinistra per 2.
BaSO₄ + 2NaCl → BaCl₂ + Na₂SO₄
Bilanciare i non metalli:
S: 1 atomo di S a sinistra e 1 atomo di S a destra. Lo zolfo è già bilanciato.
Cl: 2 atomi di Cl a sinistra e 2 atomi di Cl a destra. Il cloro è bilanciato.
Reazione bilanciata: BaSO₄ + 2NaCl → BaCl₂ + Na₂SO₄
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Nomenclatura dei composti
Nomenclatura tradizionale:
La nomenclatura tradizionale, chiamata anche nomenclatura chimica classica, è un sistema di nomenclatura chimica sviluppatosi storicamente e basato su principi empirici e convenzioni. Si basa sull'utilizzo di suffissi, prefissi e nomi di elementi per descrivere la composizione e le proprietà chimiche di un composto. La nomenclatura tradizionale è ancora ampiamente utilizzata, soprattutto per composti inorganici semplici e composti organici ben noti.
Nomenclatura IUPAC:
La nomenclatura IUPAC (Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata) è un sistema di nomenclatura chimica più moderno e sistematico, sviluppato dalla IUPAC. Si basa su un insieme di regole e principi ben definiti per assegnare nomi univoci e descrittivi a composti chimici di ogni tipologia. La nomenclatura IUPAC è ampiamente utilizzata in contesti scientifici e accademici, ed è considerata lo standard internazionale per la denominazione di composti chimici.
Classificazione delle reazioni chimiche, schema generale
La classificazione delle reazioni chimiche permette di raggruppare le diverse tipologie di reazioni in base a caratteristiche comuni, facilitandone la comprensione e lo studio.
Esistono diversi criteri per classificare le reazioni chimiche, tra i più comuni troviamo:
Numero di reagenti e prodotti:
Reazioni di sintesi:
Unione di due o più reagenti per formare un unico prodotto. (Es: A + B → C)
Reazioni di decomposizione:
Un unico reagente si decompone in due o più prodotti. (Es: A → B + C)
Reazioni di scambio:
Scambio di componenti tra due reagenti. (Es: AB + CD → AD + CB)
Tipo di legame chimico coinvolto:
Reazioni redox: Avviene un trasferimento di elettroni tra i reagenti.
(Es: Fe + CuCl2 → FeCl2 + Cu)
Reazioni acido-base: Neutralizzazione tra un acido e una base, con la formazione di un sale e acqua. (Es: HCl + NaOH → NaCl + H2O)
Reazioni di precipitazione: Formazione di un solido insolubile da una soluzione.
(Es: AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3)
Condizioni di svolgimento:
Reazioni esotermiche: Rilasciano calore durante il loro svolgimento.
(Es: Combustione del metano)
Reazioni endotermiche: Assorbono calore durante il loro svolgimento.
(Es: Dissoluzione del cloruro di sodio in acqua)
Reazioni spontanee: Avvengono in modo naturale, senza bisogno di un intervento esterno. (Es: Ruggine del ferro, conversione di diamante in grafite a pressione atmosferica)
Reazioni non spontanee: Richiedono un intervento esterno di energia per avvenire.
(Es: Elettrolisi dell'acqua)
Reazioni di sintesi degli ossidi basici
MET + O2 → OSSIDO BASICO (MET-O)
Le reazioni di sintesi degli ossidi basici, sono un tipo di reazione chimica in cui un metallo reagisce con l'ossigeno per formare un ossido. Quando sciolti in acqua, gli ossidi basici reagiscono con essa liberando ioni idrossido (OH-), conferendo alla soluzione un carattere basico (pH superiore a 7).
Reazioni di sintesi degli ossidi acidi (anidridi)
NON MET + O2 → OSSIDO ACIDO (NON MET-O)
Gli ossidi acidi, noti anche come anidridi nella nomenclatura tradizionale, sono composti chimici binari formati da un non metallo e dall'ossigeno. A differenza degli ossidi basici, che reagiscono con l'acqua formando soluzioni basiche, gli ossidi acidi si comportano da acidi quando sciolti in acqua, aumentando la concentrazione di ioni idrogeno (H+) e diminuendo il pH della soluzione.
Reazioni di sintesi degli Idruri
MET/NON MET + H2 → IDRURO (MET/NON MET-H)
Gli idruri sono composti binari costituiti da un metallo o non metallo (non appartenente al gruppo degli alogeni) e dall'idrogeno, dove esso assume come numero di ossidazione −1 o + 1, a seconda dell'elemento con cui si trova.
Reazioni di sintesi degli Idracidi
NON MET + H2 → IDRACIDO (NON MET-H)
Gli idracidi sono acidi binari composti solamente da idrogeno e da un non metallo del diciassettesimo gruppo (ossia un alogeno, con cui forma gli acidi alogenidrici) oppure zolfo, selenio, astato, tellurio o un gruppo cianidrico.
Reazioni di sintesi dei Sali binari
IDRACIDO + IDROSSIDO → SALE BINARIO (MET-NON MET)
Sono composti inorganici acidi che si ottengono dalla reazione di un idracido e un idrossido. Sono costituiti da metallo e non metallo.
Reazioni di sintesi degli Idrossidi
OSSIDO BASICO + ACQUA → IDROSSIDO (MET-OH)
Gli idrossidi sono composti inorganici basici formati da un metallo legato a uno o più gruppi idrossilici (OH-). Si ottengono dalla reazione di un ossido basico con l'acqua.
Reazioni di sintesi degli Ossiacidi
OSSIDO ACIDO (Anidride) + ACQUA → OSSIACIDO (H-NON MET-O)
Sono composti inorganici acidi che si ottengono dalla reazione di un ossido acido con l'acqua.
Ossiacidi meta, piro, orto
Normalmente le anidridi si combinano con una sola molecola d'acqua. Le anidridi di alcuni non metalli, ad esempio P (fosforo), B (Boro), As (Arsenico) se il loro numero di ossidazione è dispari si possono legare con 1, 2, e 3 molecole d'acqua e possono dare origine a tre diversi acidi che vengono distinti, nella nomenclatura tradizionale, mediante i prefissi meta, piro, orto.
Se il numero di ossidazione del non metallo è pari (il caso del silicio), l'anidride corrispondente può legarsi con una o due molecole d'acqua e può dare luogo a due diversi ossiacidi distinti con i prefissi meta e orto.
Ioni Poliatomici derivati dagli Ossiacidi
Gli ioni poliatomici derivati dagli ossiacidi sono ioni composti da due o più atomi legati tra loro, dove uno o più atomi sono di ossigeno, e derivano dalla ionizzazione o dalla deprotonazione di ossiacidi. Questi ioni si formano quando un ossiacido perde uno o più ioni idrogeno (H⁺) in soluzione acquosa.
Reazioni di sintesi dei sali ternari
OSSIDO ACIDO + IDROSSIDO → SALE TERNARIO (MET-NON MET-O)
I sali ternari sono composti chimici che contengono tre elementi: un metallo (o un elemento positivo), un non metallo e ossigeno. Questi sali derivano dalla reazione tra un ossiacido (un acido che contiene ossigeno) e un idrossido (un composto contenente ioni idrossido, OH⁻). La sintesi dei sali ternari avviene mediante una reazione di doppio scambio, in cui l'ossiacido reagisce con l'idrossido, formando un sale e acqua.
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