Lachimicagenerale

L’atomoelasuastrutturaLesostanzesonoformatedaparticellemoltopiccole:gliatomi.Sesonoformatedaatomiugualisichiamanosostanzesemplicioelementichimici;sesonoformatedaatomidiversisichiamanosostanzecomposteocomposti.Ogniatomoèformatodaunapartecentrale,ilnucleo,incuièconcentratalaquasitotalitàdellasuamassa.Ilnucleoèformatodaprotoni,particelleconcaricaelettricapositivaedaneutroni,particellechenonhannocaricaelettrica.Intornoalnucleoruotanoglielettroni,particellechehannocaricaelettricanegativa.

nucleo

protoneelettrone

neutrone

L’atomoelasuastrutturaGlielettroninonsitrovanotuttiallastessadistanzadalnucleomasimuovonoall’internodiorbiteconcentricheposteadistanzecrescentidalnucleo.Particolariinsiemidiorbiteformanoiguscielettronici.Neidiversiatomiglielettronioccupanoigusciapartiredaquellopiùinterno,piùvicinoalnucleo,esoloquandounguscioècompletoincomincianoaoccupareilgusciosuccessivo.Ogniguscioospitaunnumerofissodielettronichevariadaguscioaguscio.Èimportantericordarecheinogniatomoilgusciopiùesternopuòcontenerealmassimoottoelettroni.

NumeroatomicoenumerodimassaCiòcherendedifferentiglielementichimicièildiversonumerodiprotonipresentenelnucleodell’atomo.Ilnumeroatomicoèilnumerodiprotonipresentinelnucleoevieneindicatoinbassoasinistra(Z).Unatomo,perquantomoltopiccolo,haunasuamassa.Ilnumerodimassaèilnumerodeiprotoniedeineutronipresentinelnucleoevieneindicatoinaltoasinistra(A).Gliatomisonotroppopiccoliperesseremisuratiinkilogrammi.Sièdecisodiusareun’unitàdimisuraconvenzionalechiamataUnitàdimassaatomica.Lamassaatomicaèlasommadellamassadiprotoni,neutroniedelettroni.

GliisotopiUnelementochimicohasemprelostessonumerodiprotoni.Peròilnumerodeineutronipuòvariare.Gliisotopisonogliatomidiunelementochehannolostessonumerodiprotonimadiversonumerodineutroni.L’idrogeno,adesempio,èunamisceladitreisòtopi,ciascunodeiqualipossiedeunsoloprotone:•  l’idrogenocomuneopròzio,chenonhaneutroni;•  ildeuteriochehaunneutrone;•  iltriziochehadueneutroni.

LatavolaperiodicaDopoil1700gliscienziatihannoscopertodiversielementichimiciprimasconosciutiehannotentatodiraggrupparliinbaseallelorocaratteristiche.Ametàdell’OttocentoilchimicorussoDimitrijMendeleevliclassificòinunatabella,chiamatatavolaperiodicadeglielementi.OggisiusaunaversionepiùmodernadellatavoladiMendeleev,incuiglielementisonodispostiinordinecrescentesecondoilnumeroatomico.Nellatavolaperiodicaognielementoèinseritoinunacasellacheriportailnome,ilsimbolochimico,ilnumeroatomicoelamassaatomica.Ilsimbolochimicoderivageneralmentedalnomelatinodell’elementoedèformatodaunaletteramaiuscolaoppuredaunaletteramaiuscolaeunaminuscola.Peresempiol’ossigenoèO,ilcalcioCa.

DimitrijMendeleev

LatavolaperiodicaGlielementichimicisonoordinatiinrigheorizzontali,chiamateperiodi,eincolonneverticali,chiamategruppi.Glielementiappartenentiallostessogruppohannoproprietàmoltosimili.Questocomportamentoèlegatoalfattodiaveretuttilostessonumerodielettroninelguscioesterno.Leproprietàchimichediunelementosonodeterminatedalnumerodielettronipresentinelgusciopiùesterno.Glielementisonoinoltresuddivisiinmetalli,nonmetalli,semimetalliegasnobili.

Glielementidellatavolaperiodica

Latavolaperiodica

Metalli,nonmetalli,semimetalli,gasnobiliMetalli:sonosolidiatemperaturaambiente(tranneilmercuriocheèliquido);sonolucenti;sonobuoniconduttoridicaloreedelettricità;possonoesserelavoraticonfacilitàperottenerelamineefili.Traimetallipiùconosciuticisonoilferro(Fe),l’oro(Au),ilrame(Cu),ilsodio(Na)eilcalcio(Ca).

Nonmetalli:atemperaturaambientepossonoesseresolidi,liquidiogassosi;sonoopachi;sonofragili;sonocattiviconduttoridicaloreedelettricità.Trainonmetallicisonol’ossigeno(O),l’azoto(N),ilcarbonio(C)eilcloro(Cl).Semimetalli:sonoelementichepresentanocaratteristicheintermedietrametallienonmetalli.Inparticolaricondizionialcunidiessipossonoessereusaticomesemiconduttori.Unesempioèilsilicio(Si).Gasnobili:sonoelementimoltostabiliperchéhannotuttiilguscioesternocompletoconottoelettroni.

Filielettricidirame

Transistorediodiinsiliciousatiperidispositivielettronici.

2CaCO3sono2molecoledicarbonatodicalcio,ognunadellequalièformatada1atomodicalcio,1dicarbonioe3diossigeno.

H2SO4èunamolecoladiacidosolforico,formatada2atomidiidrogeno,1dizolfoe4diossigeno.

LeformulechimicheLemolecole,cioègliaggregatidiatomi,sonorappresentatedaformulechimichecheindicanoqualiequantiatomisonopresenti.Laformuladiunasostanzasemplicesiscriveindicandoilsimbolocorredatodaunindice(unnumerinopostoinbassoadestra)cheindicaquantiatomicostituisconolamolecola:peresempioCl2indicachelamolecoladelcloroèformatada2atomi.Sel’indiceè1vieneomesso.Laformuladiunasostanzacompostasiscriveindicandoisimbolideglielementipresentinellamolecola,ciascunocorredatodalproprioindicechenerappresentailnumerodiatomi.Ilnumerodimolecole,invece,siindicaprimadellaformuladelcomposto;sec’èunasolamolecola,ilnumero1vieneomesso.

IlegamichimiciLaregoladell’ottettoGliatomichehanno8elettronipresentinelgusciopiùesternosonoestremamentestabiliehannoquindiunascarsatendenzaapartecipareareazionichimiche,comeaccadeneigasnobili.Gliatomichenonhannoquestaconfigurazionestabiletendonoaraggiungerla.•  Glielementichehannopiùdi4elettroninelguscioesternotendonoacombinarsiconaltrielementiacquistandounnumerodielettronicheconsentelorodiarrivarea8percompletarel’ottetto.Ilfluoro,adesempio,ha7elettroninelguscioesternoe,nelcombinarsiconatomidialtrielementiperformaredeicomposti,tendeadacquistarne1;l’ossigeno,cheha6elettroninelguscioesterno,tendeadacquistarne2.

•  Glielementichehannomenodi4elettronitendonoinveceacederli.Cosìillitio,checede1elettrone,oilberillio,chenecede2.

IllegamecovalenteIllegamecovalentesiformatraatomidiunostessoelementoodielementidifferentichemettonoincomuneunaopiùcoppiedielettroni.L’idrogenoha1soloelettroneeperdiventarestabilehabisognodi2elettroni.Allora2atomidiidrogenosiunisconoemettonoincomuneilproprioelettrone.LamolecolaH2chesièformataèstabile.Nellamolecoladelmetano(CH4)ilcarbonio(C),cheha4elettroninelguscioesterno,silegacon4atomidiidrogeno(H)ecompletal’ottetto.Nellamolecoladell’acqua(H2O)i6elettronidell’atomodiossigenosileganoconi2dell’idrogenopercompletarel’ottettoediventarestabili.

idrogeno

metano

acqua

IllegameionicoIncondizioninormali,l’atomoèelettricamenteneutroperchéhatantiprotoniquantielettroni.Seunatomocedeelettroniaunaltroatomoerimaneconpiùprotoni,haunacaricapositiva.Seacquistaelettronidaunaltroatomoerimaneconmenoprotonirispettoaglielettroni,haunacaricanegativa.Questiatomicarichielettricamentesichiamanoioni.Poichélecaricheelettrichedisegnooppostosiattraggono,gliionipositiviequellinegativirestanounititramiteun’attrazioneelettrostaticachesichiamalegameionico.Peresempio,ilsodio(Na)ha1soloelettronenelguscioesternocheperdefacilmenteperlaregoladell’ottetto.Ilcloro(Cl)ha7elettroninelguscioesternoeneacquista1facilmente.IdueioniNa+eCl-siunisconoeformanoilclorurodisodio(NaCl),ilsaledacucina.

IllegamemetallicoGliatomideimetallihannolacaratteristicadicederefacilmenteglielettronidelguscioesternoperformaredellemolecole.L’atomodiventaunoionepositivoeglielettronisiallontananodalnucleoesimuovonoliberamente.Sidicecheformanoun“maredielettroni”.Illegamemetallicoèquelloincui,perattrazione,sileganoelettroniliberieionipositivi.Lalibertàdimuoversichehannoglielettronirendeimetallibuoniconduttoridicaloreedelettricità.

LetrasformazionifisicheIlpassaggiodaunostatofisicoall’altro,trasolido,liquidoeaeriforme,provocalatrasformazionediunasostanza.Maquestatrasformazionenoncambialaformulachimicaolastrutturadellasostanza.Peresempio,quandol’acquapassadallostatoliquidoaquellosolidoogassoso,lasuamolecolarimanelastessa:H2O.Unatrasformazionefisicaèquellaincui,inunpassaggiodistato,unasostanzanoncambialasuanatura.

LereazionichimicheUnareazionechimicaèquellaincuiunaopiùsostanzesitrasformanoinsostanzediverse.Duranteunareazionechimicasiromponoilegamichecisonotragliatomidellesostanzechereagisconoesenecreanoaltricheformanonuovesostanze.Lesostanzepresentiall’iniziodellareazionesichiamanoreagenti,quellechecompaionoallafinesichiamanoprodottidireazione.Quandounpezzodicarbonebruciasiverificaunareazionedicombustione,incuiilcarbonio(C)contenutonellegnosicombinaconl’ossigenodell’aria(O2)esiformaanidridecarbonica(CO2).Larappresentazionegraficadiquestareazionesichiamaequazionechimica:

L’anidridecarbonicaèformatadunqueda3atomi:1dicarbonioe2diossigeno.Quandoilnumerodegliatomidellesostanzereagentièlostessodelprodottodireazionel’equazionesichiamaequazionebilanciata.

anidridecarbonica

Consideriamooralareazionedicombustionetrailmetano(CH4)el’ossigeno(O2),allafinedellaqualeavremoanidridecarbonica(CO2)eacqua(H2O):

Secontiamogliatomi,asinistradellafrecciaabbiamo1atomodicarbonio,4atomidiidrogenoe2atomidiossigeno;adestradellafreccia1atomodicarbonio,2atomidiidrogenoe3atomidiossigeno.Evidentementelequantitàindicatenonsonoquellecorrette.Perrisolvereilproblemadobbiamovederese,provandoaprendere2opiùmolecolediunaopiùdellesostanzeicontitornano;dobbiamo,cioè,bilanciarelareazione.

Adesempio,se1molecoladimetanoreagiscecon2molecolediossigenoformando1molecoladianidridecarbonicae2molecoled’acqua,lareazioneèbilanciataperchéilnumerodiatomièugualesianeireagentisianeiprodottidireazione:

Lereazionichimiche

LaleggediconservazionedellamassaNel1789ilchimicofranceseAntoineLavoisierfecedegliesperimentisullereazionichimicheesiresecontochelamassatotaledelprodottodireazioneeraesattamenteugualeallamassadellesostanzereagenti.Lavoisieravevascopertounaleggefondamentaledellachimica,laleggedellaconservazionedellamassa:duranteunareazionechimica,nullasicrea,nullasidistrugge,matuttositrasforma.Ilnumerocomplessivodiatomichesihannoall’iniziodellareazioneèlostessochesitrovaquandoessaèterminata:cisonoglistessiatomi,dispostiperòinmododiverso.

AntoineLavoisier

LaleggedelleproporzionidefiniteNellasecondametàdel’700,unchimicofrancese,JosephLouisProust,siaccorsecheglielementireagisconofraloroperformaredeicompostisecondodellepreciseproporzioni,chenondipendononédallequantitàdeiprodottidipartenza,nédaltipodireazione.Formulòlaleggedelleproporzionidefinite(oleggediProust):quandodueopiùelementireagisconoperformareundeterminatocomposto,sicombinanosempresecondoproporzionidefiniteecostanti.Adesempio,consideriamolareazionebilanciatadiformazionedell’acqua.Sesifaavveniretra2molecolediidrogeno(H2)e3diossigeno(O2),siformano2molecolediacqua,maanche2molecolediossigeno,chenonhannoreagitoconl’idrogenoperché,inbaseallaleggediProust,l’idrogenoel’ossigenoreagisconosemprenellaproporzionedefinitadi2atomidiidrogenoperogniatomodiossigeno.