Corso di chimica generale ed inorganica 1 - la chimica, la materia, le misure Introduzione al corso di chimica generale ed inorganica
Lo scopo delle scienze chimiche è
di interpretare e razionalizzare la costituzione, il comportamento e le proprietà della
materia. Principi, leggi e postulati della chimica
sono basati su tre pilastri, costituiti da 3 modelli: il modello atomico della materia il modello elettronico dell'atomo il modello del legame chimico Fig.1.1 I tre modelli che
costituiscono le basi della chimica attuale I "modelli"
non sono necessariamente eguali alla realtà, ma cercano di rappresentarla secondo una
logica razionale che, partendo dai dati sperimentali, attraverso conoscenze matematiche e
fisiche, arriva alla definizione del modello. Un modello è tanto più adeguato alla
realtà quanto più giustifica "tutti" i dati sperimentali, ma
può cambiare se subentrano dati nuovi che siano in contrasto con esso; in tal caso non è
certo la realtà che cambia, ma solo il "modello" di realtà che la comunità
scientifica, o parte di essa, ha accettato. La consapevolezza di ciò è fondamentale
perché permette di capire che i modelli che usiamo sono solo finzioni
(benché rigorosamente scientifiche), che vengono considerate valide solo fino a che non
siano in contrasto con nuovi dati che i ricercatori ricavano dallo studio della realtà;
di esempi di cambiamenti, o quantomeno di messa in crisi, di modelli accettati abbonda
tutta la storia delle scienze (da quello del flogisto, distrutto da Lavoisier, a quello
attuale della fusione nucleare, messo in crisi dalla cosiddetta "fusione
fredda"). Oggetto di studio della chimica è la materia,
che si presenta, all'indagine scientifica "come se" fosse costituita di atomi. Il modello accettato attualmente vede la
materia costituita da miscugli omogenei ed eterogenei di individui chimici; questi possono
essere sostanze elementari o composti; ambedue le
categorie sono costituite di atomi. I miscugli, che costituiscono la materia,
si presentano in tre stati di aggregazione, solido, liquido,
gassoso; in effetti ne esisterebbe un quarto, lo stato di plasma
(stato gassoso ad altissima temperatura costituito di ioni ed elettroni) che però, date
le elevate energie in gioco, non è generalmente di interesse per il chimico; egli infatti
opera a livelli di energia più moderati, benché possa farne uso in casi particolari. Una miscela omogenea è un
sistema monofasico. Fase è una parte di un
sistema, di composizione chimica determinata, con proprietà fisiche uniformi, separata da
altre parti del sistema da superfici limite fisicamente definite. Una miscela eterogenea è
invece un sistema costituito da più fasi fisicamente distinte tra loro da superfici
limite (chiamate anche "interfaccia" tra le fasi). Una sostanza pura è un
sistema omogeneo o eterogeneo a composizione definita e costante anche se sottoposto a
moderate sollecitazioni esterne; come esempio, l'acqua può presentarsi come sistema
omogeneo (solo fase gassosa o solo liquida o solo solida) oppure come sistema eterogeneo
(fase liquida e fase solida). Essa può essere una sostanza
elementare se è costituita di unità formate solo da atomi della stessa specie o
un composto se le unità sono formate da atomi di due o più specie
diverse. La materia è costituita da circa 90
specie atomiche, ma sistemi diversi presentano abbondanza relativa diversa di
elementi; per esempio, mentre nell'universo si stima che l'abbondanza di H sia il 71%, di
He il 27%, degli elementi da C a Ne 1,2%, di quelli da Na a Ti 0,2% circa, il sistema
Terra presenta percentuali di abbondanza relativa molto diverse: O 46; Si 26; Al 7,5; Fe
4,7; Ca 3,4; Na 2,6; K 2,4; Mg 1,9; Cl 1,9; H 0,9; Ti 0,6. Le sostanze sono
caratterizzate da: composizione: per le
sostanze elementari è data dal tipo di atomo; per i composti dai tipi di atomi e dal loro
rapporto numerico struttura: cioè dal modo
in cui gli atomi sono legati tra loro stato di aggregazione,
cioè dalla consistenza fisica; esso può essere: - solido:
ad una data temperatura, atomi e molecole sono legati da forze sufficienti perché il moto
termico, sempre presente, salvo che allo zero assoluto, non modifichi le mutue posizioni
permanentemente; perciò la forma ed il volume sono praticamente definiti; - liquido:
i legami interatomici e intermolecolari sono allentati, permettendo così una certa
mobilità di atomi e molecole, ma non l'allontanamento definitivo; il volume resta perciò
praticamente definito, mentre non lo è più la forma; - gassoso:
le particelle, avendo una energia termica molto superiore all'energia di interazione
interatomica e intermolecolare, tendono ad allontanarsi l'una dall'altra e praticamente
non si influenzano tra loro; si ha perciò la massima espansione nello spazio disponibile.
Le sostanze possono cambiare di stato di
aggregazione senza subire modificazioni nella loro composizione chimica; usando le lettere
iniziali dei tre stati, S, L, G, i processi legati ai passaggi da uno stato all'altro sono
chiamati: processo passaggio fusione S ® L sublimazione S ® G solidificazione L ® S evaporazione L ® G condensazione G ® L Caratteristiche come composizione,
struttura, stato di aggregazione, sono dette proprietà intensive, che
dipendono dalla natura delle sostanze ma non dalla loro quantità; altre proprietà
intensive sono per esempio la densità, la conducibilità termica o elettrica, il calore
specifico, ecc. Dalle proprietà intensive è possibile
individuare la sostanza, dato che esse sono caratteristiche della sostanza in questione. Le proprietà estensive
dipendono invece dalla quantità di sostanza (come massa e volume) e da esse non si può
individuare una sostanza. Per caratterizzare un sistema si effettuano
esperienze e misure, sfruttando le proprietà delle sostanze; esperienze
e misure possono essere di tipo fisico, generalmente non distruttive (si può ripetere
l'operazione più volte sulla stessa quantità di materia) oppure di tipo chimico,
generalmente distruttive (di solito comportano modificazioni e distruzione del
"campione"). Effettuando una misura si assegna un valore
numerico moltiplicato per una unità di misura. Nel Sistema Internazionale S.I. vengono
usate 7 unità base; tutte le altre possono derivare da queste: unità S.I. simbolo metro m chilogrammo kg secondo s ampere A kelvin K candela cd mole mol Fig.1.2 Unità di misura base del
Sistema Internazionale Vengono comunemente usate anche unità
derivate dalle unità base: joule J m2
kg s-2 newton N m
kg s-2 pascal Pa m-1
kg s-2 watt W m2
kg s-3 coulomb C sA volt V m2
kg s-3 A-1 ohm W m2
kg s-3 A-2 hertz Hz s-1 Fig.1.3 Unità di misura derivate
dalle unità base del Sistema Internazionale Spesso occorre usare multipli o
sottomultipli delle unità, con ordini di grandezza molto diversi; piuttosto di usare
esponenziali in base dieci, si preferisce aggiungere alle unità dei prefissi che
rappresentano un ordine di grandezza specifico. ordine
di grandezza prefisso simbolo 1O12 tera T 1O9 giga G 1O6 mega M 1O3 chilo k 1O2 etto h 1O1 deca da 1O-1 deci d 1O-2 centi c 1O-3 milli m 1O-6 micro m 1O-9 nano n 1O-12 pico p 1O-15 femto f 1O-18 atto a Fig.1.4 Multipli e sottomultipli che
si utilizzano per le unità di misura, prefissi relativi e simboli. Per tradizione si usano correntemente anche
altre unità di misura, benché le indicazioni degli organismi
internazionali siano quelle di sostituirle con quelle base o derivate, ma le abitudini
sono dure a morire (basti pensare al sistema di misura inglese!). nome definizione ångstrom Å 10-10
m = 10-1nm micron mm 10-6
m litro l 10-3
m3 = dm3 tonnellata t 103
kg = Mg dine dyn 10-5
N bar bar 105
Pa atmosfera atm 101325
Pa torr Torr 101325/760
Pa mm
Hg convenzionale mm
Hg 101325/760
Pa minuto min 60
s ora h 60
min = 3600 s caloria
termochimica calth 4,184
J erg erg 10-7
J elettronvolt eV 1,60219
x 10-19 J grado
Celsius °C K Fig.1.5 Unità di misura di uso
tradizionale che non fanno parte del Sistema Internazionale. ***E' molto importante, data la varietà
delle unità di misura, far seguire sempre, al valore numerico, l'unità usata o, meglio,
le sue "dimensioni", cioè la sua definizione in termini di
unità S.I.; inoltre, quando si effettuano operazioni matematiche su misure, occorre
applicare le stesse operazioni anche sulle unità o sulle loro dimensioni: ciò permette,
fra l'altro, di accorgersi di eventuali errori di impostazione, dato che si otterrebbero,
in caso di errore, dimensioni errate per l'unità di misura. |