Post on 05-Jul-2015
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Corso di Chimica
Materiale DidatticoMateriale Didattico
Testi:- Martin S. Silberberg, Chimica, McGraw-Hill- Oxtoby, Gillis, Campion, Chimica Moderna Edises- M. Giomini, E. Balestrieri, M. Giustini,
Fondamenti di Stechiometria, Edises- A. Buri, D. Caferra, A. Marotta, Chimica Problemi Numerici,
Liguori Editore
Sul Sito Docente: www.docenti.unina.it/a.costantini www.docenti.unina.it/g.luciani
Dispense del Corso Esercizi di Ricapitolazione
L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioniCorso di Chimica
Accuratezza: 3 m
Armi intelligenti
Tessuti intelligenti
Corso di Chimica
Tessuti IntelligentiTessuti Intelligenti
Tessuti Antiproiettile
Capaci di rilevare l’avvicinamento di un proiettile e indurire per impedirne la penetrazione
Tessuti Cosmetici la nostra pelle viene lentamente rinfrescata e rivitalizzata
Tessuti Sensibili all’Ambiente
In grado di regolare la temperatura Corporea
L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioniCorso di Chimica
Determinazione delle proprietà
MATERIALIDisponibili in natura Utilizzo
Selezione
Trasformazioni
Modifica delle
proprietà
L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioniCorso di Chimica
Le prime trasformazioni consistevano in: cambio di forma e/o assemblaggio di componenti
Gli oggetti conservano la loro costituzione (composizione)
Solo successivamente le trasformazioni hanno portato all’ottenimento di nuovi materiali :-Metalli e leghe metalliche- Materiali plastici (Polimeri sintetici)- Materiali Compositi- Materiali Ibridi
Corso di Chimica
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia
NanoDynamics Inc., Buffalo (NY)Palle da golf progettate per evitare spostamenti di peso durante la rotazioneIl costo è confrontabile con quello delle palline ordinarie.
Pirelli Winter Sottozero
Migliore resistenza e stabilità
Materiali con prestazioni migliorate
Le palle da tennis “double core” rimangono gonfie più a lungo
Racchette da tennis più resistenti e + leggere
Corso di Chimica
Tessuti senza pieghe, senza macchie, impermeabili, traspiranti
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia
Corso di Chimica
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della TecnologiaMateriali Intelligenti
Sono chiari, e scuriscono quando la luce solare raggiunge una certa intensità evitando problemi di abbagliamento
Materiali in grado di rispondere a stimoli differenti ed adattare la sua risposta all’esigenza.
Vetri Fotocromici
Imballaggi Attivi
Lo spot cambia colore in relazione alla generazione di aromi della maturazione
Corso di Chimica
Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia
1m2 di superficie terrestre esposta riceve mediamente 6 KW-h di energia solare al giorno.
Se riuscissimo ad accumulare in modo efficiente l’energia solare basterebbe una superficie di SOLI 5 m2 per soddisfare il fabbisogno giornaliero di una famiglia.
Applicazioni Fotovoltaiche
Corso di Chimica
Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia
Celle Fotovoltaiche : I RequisitiCelle Fotovoltaiche : I Requisiti
• Efficienza• Costo Contenuto• Ridotto impatto ambientale
Le celle foto-voltaiche attualmente prodotte sono costose, mentre il loro rendimento è basso. Le celle di silicio cristallino hanno un rendimento di circa il 15%: trasformano in elettricità solo un sesto dell'energia dei raggi solari. Il costo per installare 1 kiloWatt di potenza elettrica fotovoltaica è di circa 8.000 €. Quello per installare 1 kW idroelettrico o termoelettrico è poco più di 1.000 €.
Corso di Chimica
Celle FotovoltaicheCelle FotovoltaicheCelle solari: in materiale flessibile
Celle solari parzialmente trasparenti, come parti integranti di realizzazioni architettoniche.
Pannelli adesivi fotovoltaici per la copertura di superfici;Coperture plastiche fotovoltaiche per la realizzazione di serre e
ambienti autonomi energeticamente;Realizzazione di vernici fotovoltaiche per la copertura di
superfici mobili;
Corso di Chimica
Prototipi di illuminazione diffusaPrototipi di illuminazione diffusa Gli stessi dispositivi fotovoltaici possono essere utilizzati per
l’illuminazione: luce diffusa su ampie superfici grazie a film sottili polimerici regolabili in colore e intensità con pile autoricaricabili
Il nuovo schermo TV della Sony fatto con OLED
Corso di Chimica
InformaticaInformatica
Peso: ca. 30 t N. elementi: 19000 tubes Consumo: 200 kW
ENIAC: il I computer (1944)
Peso: ca. 5 kgN. elementi: 55 millions di transistor (pentium 4)Consumo: ca. 100 WDimensione degli elementi (min): ca. 100 nm
Computer moderni (2004)
Miniaturizzazione
Corso di Chimica
Informatica: Il FuturoInformatica: Il Futuro
Ci si appresta a lanciare entro il 2015 un nano-processore per PC (con grandezza pari a 22 nanometri contro i 44/65 nanometri attuali). Queste dimensioni consentiranno di contenere oltre 400 milioni di transistor in un chip capace di girare ad una frequenza di 10 gigahertz.
Impariamo dalla NaturaImpariamo dalla Natura
Il computer biologico: DNA
In grado di conservare ed elaborare molte informazioni complesse in soli 20 nm !
Corso di Chimica
MedicinaMedicina
Utilizzando le note proprietà antibatteriche dell’argento, sono in commercio garze contenenti argento per curare le ferite provocate da ustioni in modo migliore rispetto ai cerotti tradizionali.
Protesi e dispositivi artificiali in grado di migliorare o sostituire funzionalità ai tessuti viventi
Il presente
Corso di Chimica
Medicina: Il futuroMedicina: Il futuroFarmaci Intelligenti
I nanorobot potranno rallentare il processo di invecchiamento ed essere programmati per eseguire delicati interventi chirurgici – migliaia di volte più precisi del più affilato bisturi - senza lasciare cicatrici.
Proiettili intelligenti in grado di:
Riconoscere le cellule malate
Evidenziarle
Eliminarle
Nanorobot
Corso di Chimica
Medicina: Il futuroMedicina: Il futuro
Globuli Rossi Artificiali
Materiali intelligenti in grado di sfruttare la capacità rigenerativa dei tessuti, promuovendo proliferazione e differenziazione cellulare
L’uomo, la materia e le trasformazioniL’uomo, la materia e le trasformazioniCorso di Chimica
L’esigenza: Utilizzare la materia, sottoponendola a trasformazioni, per migliorare la qualità della vita
Progettazione
Empirica: Ottenimento del materiale per l’applicazione richiesta senza comprensione e controllo delle proprietà
Ingegnerizzazione: Si basa sulla comprensione e il controllo delle proprietà ai fini di ottimizzarle per l’applicazione richiesta.
Comprensionedelle proprietà
Individuazione dei fattori che le determinano
Corso di Chimica
Focalizziamo il Problema:Focalizziamo il Problema:Da cosa dipendono le proprietà e le trasformazioni della materia ?
Composizione: indica ciò di cui è fatto il campione di materia (entità costitutive)
Struttura: organizzazione delle entità costitutive nello spazio tridimensionale
Grafite Diamante
Diamante Rame
Corso di Chimica
Comprensione e Controllo delle Comprensione e Controllo delle Proprietà Proprietà
Proprietà e Trasformazioni della Materia
Composizione e Struttura
Corso di Chimica
Chimica: definizioneChimica: definizione
Disciplina scientifico-sperimentale che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia.
Corso di Chimica
La materiaLa materia
La materia è tutto ciò che si trova nell'universo ed è dotato di massa propria e occupa spazio.
Stati di aggregazione della materia
Forme in cui la materia può presentarsi: Solido, liquido, gassoso.
Stato di aggreazione
Volume Forma Compressibilità
Solido Ha volume proprio Ha forma propria Incompressibile
Liquido Ha volume proprio Non ha forma propria, ma assume quella del recipiente che lo contiene
Incompressibile
Gas Non ha volume proprio. Si conforma al volume del recipiente che lo contiene
Non ha forma propria, ma assume quella del recipiente che lo contiene
Compressibile
Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia Proprietà fisiche: Caratteristiche che possono essere
osservate o misurate senza alterare l’identità chimica (composizione) del materiale
EsempiEsempi
Densità
Punto di fusione
Compressibilità
Colore
Odore
Durezza
Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia
Proprietà chimiche: Caratteristiche che possono essere osservate o misurate SOLO alterando l’identità chimica (composizione) del materiale
Il carbonato di calcio, contenuto in un pezzo intonaco, reagisce con una soluzione acquosa di acido cloridrico formando delle bollicine di anidride carbonica.
CaCO3 + 2HCl CaCl2+CO2+H2O
EsempiEsempi
L’idrogeno può reagire con l’ossigeno (brucia) producendo acqua.
Trasformazione (Reazione) Chimica
2 H2 + O2 2 H2O
Corso di Chimica
(a) La brina che si forma sulle piante nelle notti fredde e umide
(b) Una pianta che nasce e si sviluppa da un seme innaffiato e fertilizzato
(c) L’esplosione della dinamite che si trasforma in una miscela gassosa
(d) L’evaporazione del sudore dopo aver fatto jogging
(e) L’annerimento di una forchetta all’aria
FENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICIFENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICI
PROBLEMA: Decidete se i processi seguenti sono chimici o fisici
Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia
–Proprietà estensive: dipendono dalla quantità di materia del campione (es. volume, lunghezza ).
–Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di materia del campione (es. temperatura, densità ).
Corso di Chimica
Osservazione del fenomeno
Raccolta di dati sperimentali
Formulazione della legge
Sperimentazione
L’ipotesi e’ verificata?
Si
No
Realizzazione di altri esperimenti
Formulazione di una teoria
Formulazione di ipotesi
Il Metodo ScientificoIl Metodo Scientifico
Corso di Chimica
Definizione di modello in campo scientifico
Per modello si intende la rappresentazione semplificata e pertanto idealizzata del fenomeno
Si fonda su una serie di ipotesi o postulati che identificano le caratteristiche salienti del fenomeno e pertanto ne consentono la spiegazione
Il modello formulato non deve essere considerato una riproduzione in miniatura di una realtà macroscopica ( es. un modellino di nave ), bensì uno strumento concettuale di cui ci si serve per interpretare il comportamento delle cose.
Corso di Chimica
La Teoria AtomicaLa Teoria Atomica
John Dalton (1766-1844) formulò la teoria atomica sulla base delle seguenti osservazioni sperimentali (leggi):
• Legge di conservazione della massa
• Legge delle proporzioni definite
Corso di Chimica
Le leggi fondamentali Le leggi fondamentali
In un sistema chiuso, durante una qualsiasi trasformazione la massa si conserva
Legge delle Proporzioni definite (Proust)Legge delle Proporzioni definite (Proust)
La % in peso degli elementi in un composto è definita e costante e non dipende dall’origine del composto.
Es. Acqua
Massa Composto
Massa Ossigeno
Massa Idrogeno
% massa Ossigeno
% massa Idrogeno
18.0 g 16.0 g 2.0 g 88.9 11.1
200.0 g 177.8 g 22.2 g 88.9 11.1
Legge di conservazione della MassaLegge di conservazione della Massa
Corso di Chimica
La Teoria Atomica di DaltonLa Teoria Atomica di Dalton
Dalton fu il primo a proporre una teoria atomica, basata sui seguenti postulati:
1) La materia è costituita da particelle elementari, indivisibili, chiamate atomi.
2) Gli atomi della stessa specie chimica sono tutti uguali tra di loro.
3) Gli atomi sono indivisibili e indistruttibili. In una trasformazione chimica essi si combinano tra di loro secondo un rapporto ben definito e costante, espresso da numeri interi
Corso di Chimica
L’Atomo: Entità MicroscopicaL’Atomo: Entità Microscopica
Gli atomi sono stati assimilati a particelle sferiche a partire dalla Teoria Atomica (Modello)
Soltanto due secoli dopo, grazie al progresso tecnologico è stato possibile confermare tale ipotesi.
Gli ordini di grandezza:
Raggio ≅ 10-10 m = 1 Å
Massa ≅ 10-24 g
Le entità costitutive, sono formate da un numero discreto di atomi, che in qualche caso può anche essere pari a 1
ENTITA’ MICROSCOPICHE
Corso di Chimica
Livello Livello macroscopicomacroscopico
Proprietà e trasformazioni di oggetti grandi e visibili
Livello Livello microscopicomicroscopico
Tipologia delle entità costitutive e loro organizzazione (composizione e struttura), modifica dell’organizzazione degli atomi costituenti (trasformazione chimica)
Simboli Chimici+
relazioni matematiche
Cristalli di quarzo (SiO2). La struttura si può rappresentare in funzione di unità tetraedriche SiO4 collegate tramite atomi di ossigeno
L’obiettivo dei ChimiciL’obiettivo dei Chimici
Corso di Chimica
Classificazione della MateriaMateria
Proprietà chimico-fisiche uniformi?
OmogeneaEterogenea
NO SI
Sistema eterogeneoAcqua + Ghiaccio
Corso di Chimica
Classificazione della materia
Fase: Ogni porzione percettibile di materia chimicamente e fisicamente omogenea.
Sistema eterogeneo Sistema eterogeneo Due o più fasi
Sistema Omogeneo Sistema Omogeneo Una fase
Corso di Chimica
Classificazione dei Sistemi Omogenei
Sistema Omogeneo
Soluzione
Separabile con metodi fisici ?SI NO
Separabile con metodi chimici ?SI NO
Composto Elemento
Sostanza
Perché una sostanza non è separabile con metodi fisici?
Corso di Chimica
Miscele Sistemi di due o più sostanze pure che si ottengono tramite un processo fisico (Mescolamento o Solubilizzazione)
Possono essere separate nelle sostanze costituenti attraverso metodi fisici
Le sostanze componenti conservano la propria identità chimica
Corso di Chimica
Metodi di separazione delle miscele
Sfruttano le diverse proprietà fisiche dei componenti.
Sedimentazione
Filtrazione (pressione atmosferica o sotto vuoto).
Decantazione
Miscele EterogeneeMiscele Eterogenee
Miscele OmogeneeMiscele Omogenee Distillazione: Sfrutta la differenza di volatilità delle sostanze che compongono la miscela
Corso di Chimica
Composti e Elementi
ElementiElementiSostanze pure costituite da un solo tipo di atomiEsempi: Rame (Cu), idrogeno (H2), ossigeno (O2)
CompostiCompostiSostanze pure ottenute tramite una trasformazione chimica di due o più elementi chimici
Esempio: Acqua (H2O)
Gli elementi costituenti si combinano sempre secondo un rapporto definito e costante (Legge delle proporzione definite)
Profonda modifica delle proprietà
I composti hanno composizione definita
Formula Punto Ebollizione (°C)
Densità (g/dm3)
Proprietà Chimiche
Idrogeno H2 -253 0.90 Infiammabile Ossigeno O2 -183 1.14 Comburente
Acqua H2O 100 1000 Non infiammabile
Corso di Chimica
Atomi Elementi e Composti
NOL’entità microscopica è
costituita da atomi della stessa natura
chimica ?
SI
Composto ElementoTrasformazione Chimica
Elemento
Trasformazione Chimica
SOSTANZA
In un composto gli atomi di elementi diversi non sono fisicamente vicini, ma interagiscono profondamente
Sconvolgimento delle Proprietà
Corso di Chimica
Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole
Atomo: La più piccola particella di un elemento che ne conservi
le proprietà chimiche.
Elemento: sostanza costituita da un’unica specie di atomi
Corso di Chimica
La Struttura dell’AtomoIl Modello di Thomson
Il modello atomico di Thomson (detto plum pudding) fu uno dei primi a giustificare la stabilità e la neutralità dell’atomo, data la presenza in egual numero di particelle positive e negative sparse nell’atomo stesso.
Corso di Chimica
LA STRUTTURA DELL’ATOMOLA STRUTTURA DELL’ATOMOEsperimento di Rutherford di diffusione delle
particelle α e scoperta del nucleo atomico
Corso di Chimica
La Confutazione di RutherfordLa Confutazione di Rutherford
Secondo il modello di Thomson, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare indisturbate la lamina d’oro e raggiungere il rivelatore (fig.1). Rutherford, tuttavia, osservò che una piccola parte dei raggi veniva deviata o addirittura totalmente riflessa. (fig.2)
Fig. 1
Fig. 2
Corso di Chimica
Numero Atomico e di MassaNumero Atomico e di Massa
Numero atomico: Numero dei protoni contenuti nel nucleo atomico: è il parametro che identifica un elemento. Si indica con la lettera Z.
Numero di massa: Numero totale dei nucleoni (protoni più neutroni) presenti nel nucleo di un dato atomo: è il parametro che identifica i vari isotopi di uno stesso elemento. Si indica con la lettera A (oppure M).
Corso di Chimica
Le Dimensioni degli AtomiLe Dimensioni degli Atomi
Un atomo ha un diametro di circa 10-10 m.
Il nucleo ha un diametro di circa 10-14 m.
Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli
oggetti si contrarrebbero di 104 volte conservando la stessa
massa.
L’Everest diventerebbe una montagna alta 80 cm.
Corso di Chimica
IsotopiIsotopi
Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono un numero di neutroni differente. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero atomico (Z) ma differente numero di massa (A). Esempio: 12C, 13C e 14C sono tutti e tre isotopi del carbonio.
Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse proprietà chimiche.
Corso di Chimica
Unità di Massa AtomicaUnità di Massa Atomica
Unità di Massa Atomica (UMA) =1/12 della massa dell’isotopo 12C
1 UMA = 1.6605402x10-27 kg
Corso di Chimica
Molecola: Specie poliatomica, isolabile sperimentalmente, che costituisce la più piccola particella responsabile delle proprietà chimiche delle sostanze molecolari.
Ione: Atomo o specie poliatomica che possiedono una carica elettrica. Si formano quando la specie chimica perde od acquista elettroni rispetto a quelli che bilanciano la carica nucleare.
Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole
Corso di Chimica
Sistema SISistema SI• Lunghezza: Metro – Simbolo: m.
• Massa: Chilogrammo – Simbolo: kg
• Tempo: secondo – Simbolo: s
• Corrente Elettrica: Ampere – Simbolo: A
• Temperatura: Kelvin – Simbolo: K
• Quantità di materia: mole – Simbolo: mol
• Intensità Luminosa: candela – Simbolo:cd
Corso di Chimica
Multipli delle Unità SIMultipli delle Unità SI
Prefisso Moltiplicatore
Simbolo
Yotta 1024 Y
Zetta 1021 Z
Exa 1018 E
Peta 1015 P
Tera 1012 T
Giga 109 G
Mega 106 M
Kilo 103 K
Etto 102 H
Deca 101 da