Chimica generale ed inorganica

Andrea Deiandrea.dei@unifi.it

Dante Gatteschidante.gatteschi@unifi.it

• 12 CFU spalmati su due semestri

• Verifiche in itinere

Testi

• Burns Fondamenti di Chimica EdiSES

• Bertini Luchinat Mani Chimica Casa Editrice Ambrosiana

• Sabatini Dei Chimica generale ed inorganica Idelson Gnocchi

Sito web

• ftp://lamm21.chim.unifi.it/pub/Corso_gatteschi_Dei/

• Presentazioni .ppt delle lezioni

Verifiche programmate

• Fine ottobre: calcoli sulle moli

• Fine novembre: formule di struttura

Atomo

• La struttura della materia. L’ atomo e suoi costituenti. Gli elementi. Le molecole e i composti chimici. Gli isotopi. Pesi atomici relativi. La mole e la massa molare. La stechiometria e i suoi principi. Le forze di legame nel nucleo. Esistenza e stabilità dei nuclei. La radioattività. Difetto di massa. Fissione e fusione nucleare.

• Struttura dell’ atomo. Principio di indeterminazione di Heisenberg. Livelli energetici. Funzioni orbitali. I numeri quantici. L’ atomo di idrogeno. Gli atomi polielettronici. Il principio di Pauli e il numero quantico di spin. La configurazione elettronica degli atomi. L’ aufbau e regole che lo determinano. Periodicità. Tavola periodica degli elementi. Metalli, non metalli e semimetalli. Energia di ionizzazione. Affinità elettronica.

Legame chimico

• Il legame chimico. Legame covalente. Logica e caratteristiche dell’ interazione. Energia di legame. Distanza di legame. Il metodo dell’ orbitale molecolare. Molecole biatomiche omonucleari. Legami e . Molecole biatomiche eteronucleari. Polarità di legame. Elettronegatività. Molecole poliatomiche. Polarità delle molecole. La distribuzione elettronica nelle molecole poliatomiche. La regola dell’ ottetto. La carica formale. Il metodo della risonanza per rappresentare strutture elettroniche delocalizzate. Il metodo della repulsione delle coppie elettroniche per determinare la stereochimica delle molecole. Regole per la determinazione delle formule di struttura delle specie chimiche. Il legame ionico. Reticoli ionici. Energia di reticolo.

• Forze intermolecolari. Interazioni dipolo-dipolo. Interazioni dipolo-dipolo indotto. Forze di dispersione. La polarizzabilità. Il legame a ponte di idrogeno.

• Principi di termodinamica chimica. Energia libera, entalpia (energia di interazione fra particelle) e entropia (stato di disordine del sistema). Processi esotermici e endotermici. Stati di aggregazione: solidi, liquidi, gas. Lo stato vetroso.

• Lo stato solido. Il reticolo cristallino, L’ anisotropia. Classificazione dei solidi sulla base delle proprietà geometriche. Reticoli a massimo impacchettamento. Classificazione dei composti solidi sulla base del tipo di interazione fra particelle: solidi molecolari, ionici, covalenti, metallici. Il legame metallico. Teoria delle bande. Conduttori, semiconduttori, isolanti. Proprietà dei solidi: conducibilità termica ed elettrica, magnetismo, proprietà meccaniche, colore.

•

• Le soluzioni. Il concetto di solvatazione. Termodinamica della solvatazione. La concentrazione: modi per esprimerla. Soluzioni ideali. Le proprietà colligative. Abbassamento della tensione di vapore. Legge di Raoult. Crioscopia. Ebullioscopia. Pressione osmotica.

• La reattività chimica. Il concetto di equilibrio chimico. Aspetti termodinamici dell’ equilibrio. La legge di azione di massa. Equilibri in fase gassosa. Modi di esprimere la costante di equilibrio. Principio di Le Chatelier – Brown. Effetto della variazione della pressione, della temperatura e della concentrazione sull’ equilibrio.

• Classificazione delle reazioni chimiche. Reazioni metatetiche e di ossido-riduzione. Reazioni acido-base in soluzione acquosa. Acidi e basi secondo Bronsted. Aspetti quantitativi degli equilibri acido base. La costante di dissociazione. Equilibri acido-base in soluzione acquosa: effetto livellante dell’ acqua. Forza degli acidi e delle basi. Idruri non acidi. Aspetti quantitativi degli equilibri acido base. Esistenza di una specie chimica in soluzione acquosa da un punto di vista acido-base. Il concetto operazionale di pH. Soluzioni di acidi forti, acidi deboli, basi forti e basi deboli. Soluzioni tampone. Titolazioni acido base. Gli indicatori. Acidi poliprotici. Proprietà acide delle soluzioni di sali. Acidi e basi secondo Lewis. Idruri acidi e basici. Ossidi acidi e ossidi basici. Anfoterismo. Complessi di coordinazione come addotti secondo Lewis. Reazioni di complessoformazione. Costanti di formazione (stabilità) e di dissociazione (instabilità).

• Equilibri eterogenei. La solubilità. Costante di ripartizione. Legge di Henry. Dissoluzione delle sostanze ioniche. Prodotto di solubilità. Effetto dello ione a comune. Solubilità e pH. Solubilità e complesso formazione. Precipitazione e discioglimento dei precipitati.

•

• Reazioni di ossido-riduzione. Il numero di ossidazione. Le pile. Il potenziale redox come misura delle capacità ossidanti e riducenti di una specie chimica. Potenziale di ionizzazione, affinità elettronica e potenziale redox. L’ elettrodo normale a idrogeno. Esistenza delle specie chimiche in soluzione acquosa. La sovratensione. Influenza del pH, della complessoformazione e della solubilità sul potenziale redox. Attacco dei metalli da parte degli acidi. La corrosione. Elettrodi di misura e elettrodi di riferimento. Elettrolisi. Aspetti quantitativi dei processi elettrolitici.

•

• Cinetica chimica. Velocità di reazione. Ordine di una reazione. Energia di attivazione. Effetto della temperatura sulla velocità di reazione. Catalizzatori e inibitori.

• Nomenclatura chimica. Chimica inorganica. Periodicità delle proprietà degli alogenuri, idruri e ossidi. Chimica degli elementi alcalini e alcalino terrosi. Proprietà chimiche dei non metalli e dei loro composti.

•

Introduzione 1-3

Chimica: Origini

• Reazioni di combustione: metallurgia, ceramica

• Saponi e tinture: acqua, grasso, potassa

• Concia delle pelli• Alchimia Forno per la

produzione del rame ca. 1000 ac

Verso la Chimica moderna

• Coloranti artificiali

• Fertilizzanti e la sintesi dell’ammoniaca

• Chimica del petrolio

• Chimica farmaceutica

Alcuni Elementi

Bromo

Mercurio

Rame

Fosforo

Iodio

Cadmio

Dalton

STM di GaAs

Mosche e nuclei

Materia ed energia

• Materia: tutto ciò che occupa spazio e possiede massa

• Fisica: studia le trasformazioni della materia

• Chimica: studia le trasformazioni associate alle variazioni di legame tra atomi

Grandezze fisiche

• Misura di una grandezza è data dal rapporto tra la grandezza da misurare e un campione della grandezza scelto come unità di misura

• Grandezze fondamentali e grandezze derivate

Grandezze fondamentali

• Lunghezza

• Massa

• Tempo

• Temperatura

• Intensità di corrente elettrica

• Intensità luminosa

• Quantità di materia

Sistema Internazionale SI

Grand. Fond. Unità Simbolo

Lunghezza metro m

Massa chilogrammo kg

Tempo secondo s

Corrente el. ampere A

Temperatura kelvin K

Int. di luminosità candela cd

Quant. di sostanza mole mol

Prefissi dei multipliNome Simbolo Fatt. molt. n (10n)

Yotta Y 24

Zetta Z 21

Esa E 18

Peta P 15

Tera T 12

Giga G 9

Mega M 6

Chilo k 3

Etto h 2

Deca da 1

Prefissi dei sottomultipliNome Simbolo Fatt. molt. n (10n)

Yocto y -24

Zepto z -21

Atto a -18

femto f -15

pico p -12

nano n -9

micro μ -6

milli m -3

Centi c -2

Deci d -1

La scala delle cose

Un capello?

60.000-120.000 nm

Un globulo rosso?

2.000- 5.000 nm

Un atomo?

0.1-0.5 nm

DNA

2- 12 nm

ATP sintetasi

10 nm

http://www.iubmb-nicholson.org/swf/ATPSynthase.swf

• Catalizza la sintesi di ATP da ADP

• Meccanismo complesso con moti concertati delle varie subunità

• Boyer, Walker, Shaw Nobel Chimica 1997

Alcuni calcoli semplici

• Scrivere in notazione scientifica: 0,000456; 3456789;0,35;

• Calcolare: 3,34x10-3 m quanti millimetri sono? E quanti μ? 1 nm quanti Ångstrøm è? (1 Å= 10-10 m)

• Calcolare: 3,247x10-3 +3,35x10-4; 1,234x10-1 – 1,2345; 2,2x10-4 .5,6x102; 9,456x10-10: 1,1x1012;

ancora

• Esprimere con prefissi più adatti le unità di misura per esprimere le seguenti quantità: 3,45x10-8 m; 1,66x10-27 kg

Energia

• La capacità di fornire lavoro

• Energia nucleare

• Energia radiante

• Energia elettrica

• Energia chimica

• Energia meccanica

• Energia termica

Nucleare

Radiante

Elettrica Chimica

Meccanica Termica

Dal sole

fotosintesi

chemioluminescenzalampade fotovoltaico

Motori el.dinamo

pile

elettrolisi

muscoli

motori

attrito

Reazioni chim. eso

Reazioni chim. endo

Stati di aggregazione della materia

• Solido

• Liquido

• Gassoso

GAS

LIQUIDO

SOLIDO

Cristallino

Vetroso

sublimazione

brinamentoEvaporazione, ebollizione condensazione

congelamento

liquefazione

devetrificazione

solidificazionefusione

Chimica e materia

• Materiali

• Sostanza o sostanza pura: composizione e struttura

• Fase: una porzione di un sistema che presenta identica proprietà

MATERIA

MISCUGLI

ETEROGENEI

SOSTANZE

COMPOSTI

ELEMENTI

Grossolani

(granito,calcestruzzo, legno)

Dispersi

Sospensioni

(nebbie, fumi)

Emulsioni (latte)

MISCUGLI

OMOGENEI (Vino, bronzo, aria)

ELEMENTIELEMENTIELEMENTI

(Sale, zucchero, acqua)

(idrogeno, ossigeno, sodio)

Componenti aria secca (% in vol)

Metodi di separazione in un sistema eterogeneo

• Sedimentazione, decantazione

• Filtrazione

• Centrifugazione

• Ventilazione

• Separazione magnetica

Metodi di separazione in un sistema omogeneo

• Cristallizzazione

• Distillazione

• Estrazione con solventi

Criteri di valutazione della purezza delle sostanze

• Ppm e ppb

• Punto di fusione

• Punto di ebollizione

• Cromatografia

• Spettrometria di massa

• Spettroscopie: IR, NMR, XPS, EPR etc.

• Diffrazione raggi X

Struttura atomica-molecolare della materia

• Atomi: numero atomico e numero di massa

• Massa atomica

• Masse atomiche geonormali

• La mole

• La costante di Avogadro

Costanti fisiche fondamentaliUnità di massaatomica

u.m.a.

1.660566.10- 27

kgMassaelettrone

me 9.109534.10- 31

kgMassaprotone

mp 1.672648.10- 27

kgMassaneutrone

mn 1.674954.10- 27

kgCaricaelettrone

e 1.602189.10- 19

CCostante diAvogadro

NA 6.022045.1023

mol- 1

Costanti fisiche fondamentali

Costante deigas

R 8.31441 J mol-1K-1

Costante diBoltzmann

kB 1.380662.10-

23K-1

Costante diPlanck

h 6.626176.10-34

J sCostante diFaraday

F 9.648456.104

Cmol-1

Volumemolare gasideale

Vm 0.022414 m3

mol-1

Velocitàluce nelvuoto

c 2.997925.108

s-1