le domande della chimica lim&lab

MAURIZIO ARTONI ALBERTO DAZZI

Corso interattivo di chimica generale e organica

Lim&Lab

Le domandedella chimica

libroline RICERCA E DIDATTICA

DELLE SCIENZE PER LASCUOLA ITALIANA

PRINCIPATO

LE DOMANDE DELLA CHIMICALIM&LAB + QUADERNO

DI LABORATORIO

Vol 1 di 2venduti insieme

2/1

Lim&La

b

Scopri uno stimolante ambiente virtuale e interattivo da esplorare dal tuocomputer o su Lim: animazioni, video, testi, percorsi in power point e fileaudio per studiare, ripassare, fare esperimenti, approfondire e metterealla prova le tue competenze in chimica.

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Questo volume sprovvisto del talloncino a fronte (o altrimenti contrassegnato) è da considerarsi copiaSAGGIO – CAMPIONE GRATUITO fuori commercio (vendita ed altri atti di disposizione vietati:art. 17 c. 2 L. 633/1941). Esente da I.V.A. (D.P.R. 26-10-1972 n. 633, art. 2 c. 3 lett. D). Esente dabolla di accompagnamento (D.P.R. 6-10-1978 n. 627, art. 4 n. 6)

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LE DOMANDE DELLA

CHIMICA LIM

&LAB+ Q.

0075 cop_ok_ducci.qxp:Layout 1 03/02/11 10:10 Pagina 1

� Intervista agli autori4

Come viene facilitato l’apprendimentodei contenuti?

Definizioni delle parole chiave, frasi significative inevidenza, dimostrazioni “passo a passo” e numerosiesercizi guidati facili-tano la lettura del testoe la memorizzazionedei contenuti.Per verificare il loro li-vello di apprendimentogli studenti hanno a di-sposizione problemi,esercizi e test sia nel vo-lume che on line.

Qual è il rapporto dell’operacon le nuove tecnologie?

IlmarchioLibrONline indica che Le domande dellachimica COMPACT fa parte della nuova generazione ditesti scolastici che possiedono le caratteristiche tecno-logiche previste dalle recenti circolari ministeriali. Il te-sto cartaceo si integra condiversi tipi dimateriali on linedausare con computer o lavagna interattiva : video e ani-mazioni che facilitano la comprensionedei contenuti, te-sti in formato pdf per l’approfondimento dei contenuti,pagine interattive e percorsi in power point utili per il ri-passo e la preparazione alle verfiche, file audiomp3 scaricabili.

LLiibbrrOONNlliinnee

LLiibbrrOONNlliinnee

INTERVISTA AGLI AUTORI


PRINCIPATO



Lim&Lab

001-005_Chimica_medium.qxp 17-01-2011 20:42 Pagina 1

Direzione editoriale: Franco MeninRedazione: Marinella TorriProgetto grafico e copertina: Roberto DucciCollaborazione redazionale e ricerca iconografica: Fabio BeninatiIllustrazione di copertina: Daniele Attia

Si ringrazia il Dirigente scolastico del Liceo Scientifico “Giacomo Ulivi” di Parma per aver gentilmente concesso l’utilizzo del laboratorio di chimica per la realizzazione degli esperimenti.

ISBN 978-88-416-5828-4 Le domande della chimica Lim&Lab + Quaderno di laboratorioISBN 978-88-416-5829-1 Le domande della chimica Lim&Lab

Prima edizione: Gennaio 2011

Ristampe2016 2015 2014 2013 2012 2011

VI V IV III II I *

Printed in Italy

© 2011 – Proprietà letteraria riservata. È vietata la riproduzione, anche parziale, con qualsiasi mezzo effettuata, compresa la fotocopia, anche ad uso in-terno o didattico, non autorizzata.Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietropagamento alla SIAE del compenso previsto dall’art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633.Le riproduzioni per finalità di carattere professionale, economico o commerciale, o comunque per uso diversoda quello personale, possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, corsodi Porta Romana 108, 20122 Milano, e-mail [email protected] e sito web www.aidro.org.

Casa Editrice G. Principato S.p.Ahttp://www.principato.itVia Fauché 10 – 20154 Milanoe-mail: [email protected]

Impaginazione: AG-Media – MilanoStampa: STIAV srl – Calenzano (FI)


■ Presentazione 3

LE DOMANDE DELLA CHIMICA LIM&LAB: PERCHÉ QUESTO TITOLO?

uesto testo è stato realizzato per rispondere alle molteplici esigenze degli studenti e dei docenti che

vogliono sfruttare approcci diversi ai contenuti delladisciplina, sia teorici sia laboratoriali.La chimica ha spesso la fama di essere difficile, astratta elontana dalla realtà di tutti i giorni: per queste ragioni l’operapropone un approccio il più possibile motivante ecoinvolgente, attraverso l’uso di un linguaggio chiaro escientificamente corretto, un ricco apparato didattico e unaserie di rubriche che analizzano dal punto di vista dellachimica oggetti e fenomeni con i quali possiamo tutti avere ache fare nella vita quotidiana.

L’uso di computer e lavagneinterattive multimediali è entrato nellapratica didattica di ogni disciplina,compresa la chimica. Le domande della chimica Lim&Lab hatutte le caratteristiche di “libro misto”perché i contenuti della chimica, presentatinel volume cartaceo, vengono ulteriormenteillustrati e approfonditi da animazioni, video,oggetti interattivi e documenti in formato pdfofferti on line sul sito www.principato.it .

Il testo risponde alle esigenze degli istituti per iquali la Riforma prevede ore di attività di

laboratorio. Sono disponibili onlinevideoesperimenti e proposte diattività sperimentali in formatopdf utilizzabili in laboratorio. La proposta si completa colQuaderno di laboratorio cheoffre un’ampia selezione diesperimenti relativi a ciascuno deicapitoli del volume.

Maurizio Artonivive e lavora aParma dove, da oltrevent’anni, insegnachimica in un liceoscientifico. È autoredi articoli di storiadella scienza ecollabora conl’Università diParma per ilprogetto IDEA.

Alberto Dazzisvolge l’attività diinsegnante dal 1976.Ha insegnato percirca quindici anninei CorsiSperimentali diScuola media perLavoratori eattualmente è docentedi chimica in unistituto tecnicoindustriale.

rimanda a unfilmato, a un videoo animazione

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La chimica facileda impararej

j

4

Un approccio alla chimica motivante e coinvolgente

j

La chimica nella vita quotidiana, in natura e nella storia delle scienze

Fotografiesuggestive e di-

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La chimica entra in cucina esvela i segreti dei

cibi che trovi atavola ogni

giorno.

Biografie, ri-tratti e documentidell’epoca raccon-tano la chimica at-

traverso le vitedegli scienziati.

Definizionidelle parole chiave

e frasi significative inevidenza favoriscono

la memorizzazionedei contenuti.

Dimostrazio-ni “passo a passo”ed esercizi guidatifacilitano la com-

prensione degli ar-gomenti.


LE DOMANDE DELLA CHIMICA LIM&LAB

I contenutidella chimica diven-tano strumenti indi-spensabili per com-

prendere l’ambiente, le sue problematiche e le conseguenze sulla

nostra salute

Domandestimolo costruite at-torno a un’immagine

ti permettono di scoprirecome la chimica sia indi-spensabile per spiegare

la realtà che cicirconda.

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nella forma di esercizida completare ti aiutanoa ripassare e rafforzano

l’apprendimento deicontenuti.

Problemi,esercizi e test per-

mettono di verificareil livello di appren-dimento delle tue

conoscenze.


■ Indice 6

INDICE

1

inCHIMICA CUCINA

CHIMICAIERI CHIMICAOGGI


PER SAPERNE DI PIÙ

PER SAPERNE DI PIÙ

Tema LA MATERIA E LE SUE PROPRIETÀ 12

La materia e l’energia 141.1 Che cosa è la chimica? 141.2 La chimica è una scienza sperimentale 16

La teoria del flogisto 17

1.3 La chimica è una scienza quantitativa 181.4 Le caratteristiche della materia che si possono misurare 201.5 L’energia e le sue proprietà 231.6 La temperatura e il calore 251.7 La pressione 301.8 La mole, la costante di Avogadro, l’unità di massa atomica 321.9 Le grandezze estensive e le grandezze intensive 331.10 I due volti della chimica 33

il tuo riassunto 36domande ed esercizi 37test 40

Scienziati sulla linea del tempo (1) 42

La materia e i suoi stati fisici 442.1 I miscugli 442.2 I miscugli eterogenei 45

Quando parliamo di fasi 46

2.3 Le soluzioni sono miscugli omogenei 482.4 Le sostanze pure e le molecole 512.5 Le sostanze e i loro stati di aggregazione 512.6 I passaggi di stato 552.7 I solidi cristallini e i solidi amorfi 58


Stati fisici della materia 66

Dai composti agli atomi 683.1 Scomponiamo le sostanze pure 683.2 I composti, gli elementi e le sostanze elementari 703.3 Dalle leggi ponderali della chimica alla teoria atomica 733.4 La massa degli atomi 78

Lo spettrometro di massa 79il tuo riassunto 84domande ed esercizi 86test 88

3

2

1

Energie del futuro

Determinazionedel calore specifico

di una sostanza

Miscugli ete-rogenei e miscu-

gli omogenei

Gli stati fisicidell’acqua

Distillazionefrazionata dellamiscela acqua-

alcol etilico

La pirolisi del marmo

L’elettrolisi dell’acqua

Reazione tra nitrato d’ar-gento e acido cloridrico

006-011-Chimica_medium.qxp:06-11-indice_6.qxp 17-01-2011 20:56 Pagina 6

■ Indice 7

Le formule delle sostanze e la mole 904.1 Le formule delle sostanze 904.2 La massa delle molecole 914.3 La mole e la massa molare 924.4 La composizione percentuale dei composti 964.5 La valenza 99


Le reazioni chimiche e la stechiometria 1085.1 Che cosa è una reazione chimica? 1085.2 Il bilanciamento delle reazioni 1105.3 La stechiometria, lo studio quantitativo delle reazioni 1135.4 Lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti 1175.5 Il calore nelle reazioni chimiche 117


Lo stato gassoso 1266.1 I gas 1266.2 Volume, pressione e temperatura di un gas sono in

relazione tra loro 1286.3 L’equazione di stato dei gas perfetti 1326.4 Gli studi di Gay-Lussac e il principio di Avogadro 1366.5 Il volume molare dei gas 139


Scienziati sulla linea del tempo (2) 148

5

4

6

Tema DAGLI ATOMI AI LEGAMI CHIMICI 150

Le particelle subatomiche 1527.1 L’elettricità 1527.2 La scoperta delle particelle subatomiche 1547.3 La radioattività naturale 1557.4 I primi modelli atomici 156

J. J. Thomson 159

7.5 Il numero atomico, il numero di massa, la massa atomica 1597.6 Il modello atomico di Bohr 163


7

2



Il numero di Avogadro

Contiamo le mo-lecole contenutein una mole: de-terminiamo l’or-

dine di grandezzadel numero di

Avogadro

Reazione adeffetto

Come si bi-lanciano le rea-zioni chimiche

Produzione di anidride

carbonica

Le leggi dei gas

L’esperimento di Rutherford


■ Indice 8

Il modello atomico a orbitali 1708.1 La natura della luce e la teoria dei quanti 1708.2 Dall’atomo di Bohr al concetto di orbitale 1748.3 Gli orbitali e i numeri quantici 1768.4 Gli orbitali atomici 1798.5 Gli spettri degli atomi 1818.6 La configurazione elettronica degli atomi 184


Il Sistema Periodico degli elementi 1969.1 Il Sistema Periodico 1969.2 La disposizione degli elementi nel Sistema Periodico 1999.3 Le proprietà periodiche degli elementi 2029.4 Le dimensioni degli atomi 2059.5 Il potenziale di ionizzazione, l’affinità elettronica 207 e l’elettronegatività 9.6 I metalli e i non metalli 210

I gas nobili 213


Quando la chimica ha previsto il futuro 218

Il legame chimico 22010.1 L’origine e la natura del legame chimico 22010.2 Il legame ionico 22110.3 Il legame covalente 22510.4 Il legame dativo 22810.5 La geometria delle molecole 231 10.6 Il legame covalente polarizzato e le forze di Van der Waals 23410.7 Il legame a idrogeno 23510.8 L’importanza dei legami chimici nei solidi 238


Linus Pauling, un chimico per la pace 248

La nomenclatura chimica 25011.1 Quando nel nome c’è la sostanza: la nomenclatura 250 chimica11.2 I composti binari 25211.3 I composti ternari 260


III ggasas nn bbbbobobililililililiiiiiiPER SAPERNE DI PIÙ

QQQQQ aua ddddndndoo llllala cchhhihihihimimiiiicaca hhhhhhaa prpreeviiiiisisttotoCHIMICA IERI CHIMICA OGGI

LLLLiiiiinus PPPPaaulilililili gng un chihhihihihi iiiimico perCHIMICA IERI CHIMICA OGGI

Il Sistema Periodico

Scopriamo il grup-po di appartenenza

di alcuni elementi

ilIPIll SiSi tII SS

po

I modelli VSEPR di al-

cune importanti molecole

Interazione tra un campo

elettrico ed al-cuni liquidi

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Dare un nome ai composti

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Saggi alla fiamma

SaS iiggi llalllla Gli orbitali s, p, d, f

GGli bibit lili

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10 110

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■ Indice 9

INDICE

Tema LA MATERIA E LE SUE TRASFORMAZIONI 274

Le soluzioni 27612.1 Le soluzioni e la loro concentrazione 27612.2 Altri modi per esprimere le concentrazioni 28312.3 Che cosa succede in una soluzione? 28512.4 La solubilità 28712.5 Le proprietà colligative delle soluzioni 288


Le reazioni acido-base 30213.1 La definizione di acido e di base secondo Arrhenius 30213.2 La definizione di acido e di base secondo Brönsted 304

e Lowry

Gli acidi poliprotici 307

13.3 La forza degli acidi e delle basi 308


Le reazioni di ossido-riduzione 31414.1 Il numero di ossidazione 31414.2 L’ossidazione e la riduzione 31814.3 Le reazioni di ossido-riduzione in forma ionica 324


12

13

14

3

PER SAPERNE DI PIÙ

Tema L’EQUILIBRIO NELLE REAZIONI CHIMICHE 332

L’equilibrio chimico 33415.1 L’equilibrio chimico 33415.2 La legge di azione di massa 33715.3 Il principio dell’equilibrio mobile di Le Chatelier 34015.4 Il prodotto di solubilità 344

La solubilità dei gas e la legge di Henry 347


Sistemi in natura 354

15

4

PER SAPERNE DI PIÙ

CHIMICA E AMBIENTE

La solvata-zione del clo-ruro di sodio

Preparazione di 100 mL di

una soluzionedi NaOH 0,1 M

La natura acida o basicadi alcune so-stanze di uso

comune

La reazione di per-manganato di potas-sio, acido ossalico e

acido solforico

L’equilibrio che cam-bia i colori

Le reazioni con for-mazione di precipitato


■ Indice 10

La cinetica chimica 356

16.1 Il tempo e le reazioni chimiche: la velocità di reazione 35616.2 Da che cosa dipende la velocità di reazione? 35916.3 I catalizzatori 36316.4 Come avvengono le reazioni? La teoria delle collisioni 365


Gli equilibri acido-base 374

17.1 L’autoionizzazione e il prodotto ionico dell’acqua 37417.2 L’unità di misura dell’acidità: il pH 376

Come possiamo definire il pH? 379

17.3 Le costanti di acidità e di basicità 38417.4 Le costanti di acidità e di basicità di una coppia 385

acido-base coniugata17.5 Il pH delle soluzioni degli acidi e delle basi 38917.6 L’idrolisi e il pH delle soluzioni dei sali 38917.7 Le soluzioni tampone 39117.8 Gli indicatori acido-base 393

Una tecnica per determinare il pH: la titolazione 396il tuo riassunto 398domande ed esercizi 399test 402

Sistemi tampone nel corpo umano 404

Gli equilibri delle ossido-riduzioni 406

18.1 Le reazioni redox e le semireazioni 40618.2 La pila Daniell e le celle galvaniche 409

Volta, Galvani e la prima pila 411

18.3 L’elettrodo standard a idrogeno e i potenziali normali 413di riduzione

18.4 L’elettrolisi 41818.5 Le leggi di Faraday 420


Pile, accumulatori & C 430

16

17

18

PER SAPERNE DI PIÙ

PER SAPERNE DI PIÙ

CHIMICA E SALUTE


CHIMICA E AMBIENTE

Come fun-ziona la pila

Daniell

La costru-zione della pilaDaniell e la ve-

rifica del suofunzionamento

L’elettrolisidell’acqua

Reazione tra una laminet-ta di zinco e una soluzione

di solfato di rame

Studio della natura dei reagenti sulla velocità di rea-

zione

Scopriamo il pH di al-

cune sostanze

Una titola-zione

Titolazione di alcune mar-

che di acetocommerciale


■ Indice 11

INDICE

Le famiglie dei composti organici 466

20.1 I composti organici sono raggruppati in famiglie 46620.2 Gli alcoli e i fenoli 46720.3 Le aldeidi e i chetoni 47020.4 Gli acidi carbossilici 47120.5 Gli esteri 47320.6 I composti organici azotati: le ammine e le ammidi 47420.7 I polimeri 47520.8 Le molecole della vita 477


Indice analitico 492Fonti iconografiche 496

Tema LA CHIMICA DEL CARBONIO 432

Il carbonio e gli idrocarburi 43419.1 Il carbonio è un elemento un po’ speciale 434

La storia della chimica organica 43619.2 Il metano, il carbonio tetraedrico, gli alcani 437

Il gas naturale 44219.3 Gli alcheni e gli alchini 44319.4 L’isomeria 44719.5 Il benzene e i composti aromatici 45219.6 La combustione degli idrocarburi 456


IPA sotto inchiesta 464

519

20

PER SAPERNE DI PIÙ

CHIMICA E SALUTE


Le molecole organiche

La fotosintesi

La respirazione cellulare

La sintesi delle proteine

La saponificazione

Saggi per il riconosci-mento degli zuccheri: il reattivo di Lugol e il

reattivo di Fehling

Il nome degli alcani


■ T1 – La materia e le sue proprietà66

CHIMICA CUCINA

■ La schiuma di un fumante cappuccino, la gelatina alla frutta, lamaionese e la panna montata fanno parte dei colloidi, dispersionidi particelle molto piccole, a metà strada tra le soluzioni e i miscu-gli eterogenei.

■ Ciò che distingue i colloidi dai miscugli e dalle soluzioni sono pro-prio le dimensioni delle particelle che li costituiscono, comprese fra0,2 e 0,002 µm. Se le particelle sono più grandi di 0,2 µm, si ha unmiscuglio, se sono più piccole di 0,002 µm, si ha una soluzione.

■ A loro volta i colloidi si distinguono a seconda dello stato fisicodella fase dispersa e della fase disperdente: la gelatina, ad esempio,è un colloide formato da una fase dispersa solida in una fase disper-dente liquida, mentre nella schiuma del cappuccino la fase dispersaè gassosa e la fase disperdente è liquida.

I colloidi

■ I gel sono colloidi formati da una dispersione di finissime particellesolide in un liquido che quasi sempre è acqua: il risultato è unasostanza dalla consistenza gelatinosa che, in gastronomia, puòdiventare la base di dolci al cucchiaio o servire per impreziosire lepietanze.

■ Lo stato di gel può essere facilmente modificato cambiando le pro-porzioni delle due fasi che lo formano: se diluiamo un gel aggiun-gendo dell’acqua, si trasforma in un sol, una sospensione dalla con-sistenza fluida, ma se aggiungiamo una certa quantità di particelleil sol ritorna ad assumere la consistenza gelatinosa del gel.

■ Anche la temperatura può provocare il passaggio da sol a gel e vice-versa. Qualche esempio in cucina? La gelatina di brodo è un gelreversibile: a temperatura ambiente ha consistenza gelatinosa, madiventa liquida quando viene scaldata. L'albume dell'uovo, invece,non è un gel reversibile: portato a una certa temperatura, coagula inun gel e non torna più allo stato di sol.

Gelatine e budini

Gli stati fisici della materia È proprio vero che gli stati fisici della materia sonosoltanto tre? Entriamo in cucina e proviamo a chiederlo a un cuoco: ci dirà che moltipiatti appetitosi, come dolci, salse e creme, si presentano in stati fisici particolari,diversi dallo stato solido, liquido e gassoso.

in

044-067_Chimica_medium.02.qxp 22-12-2010 13:52 Pagina 66

■ Capitolo 2 – La materia e i suoi stati fisici 67

■ La schiuma è una dispersione di un gas in un liquido o in un solido.Fra le schiume liquide che possiamo trovare in gastronomiaabbiamo quella del vino, della birra e quella che galleggia sul cap-puccino.

■ Anche la panna montata è una schiuma formata dalla panna liquidae dai gas che formano l’aria, che vengono inglobati quando sbat-tiamo energicamente la panna con la frusta da cucina.

■ Volete realizzare una schiuma solida? Montate l’albume di un uovocon un po' di zucchero fino a ottenere una schiuma bianca e consi-

stente, poi cuocete-la in forno per farlasolidificare: avreteottenuto una schiu-ma solida comme-stibile, meglio co-nosciuta col nomedi meringa.

Meringhe con la panna

■ Una dispersione di un liquido insolubile in un altro liquido èun’emulsione. Olio e acqua sono due ingredienti protagonisti dimolte ricette, ma tra loro poco compatibili: l'olio, infatti, non è solu-bile in acqua e galleggia sulla sua superficie. Se però versiamo del-l’olio in un bicchiere di acqua e agitiamo a lungo, otteniamoun’emulsione formata da minuscole goccioline di olio disperse nel-l’acqua.

■ Lo stato di emulsione, tuttavia, dura poco: le goccioline d'olio siriuniscono rapidamente e in breve tempo formano un'unica massa.Esiste però un trucco per rendere stabile un’emulsione di olio, lostesso che sfruttiamo per realizzare una famosa salsa, la maionese.Gli ingredienti di base sono olio, tuorlo d’uovo, sale e succo dilimone per aromatizzare: mescolando con cura e a lungo tutte lecomponenti, otteniamo un’emulsione stabile e molto gustosa, dallaconsistenza cremosa.

■ Ma perchè la maionese è un’emulsione stabile? Ciò è dovuto allapresenza di lecitina nel tuorlo: si tratta di una sostanza della fami-glia dei tensioattivi, molecole dotate di una “testa” idrofila, cioè chesi lega alle molecole di acqua, e di una “coda” idrofoba, cherespinge l’acqua. Le molecole di lecitina si dispongono sulla super-ficie delle goccioline di acqua con la coda rivolta all'esterno, maanche sulle goccioline di olio, con la testa idrofila rivolta all'esterno.Le teste delle molecole di lecitina sono cariche elettricamente: èquesta la ragione per cui le particelle di olio emulsionate si respin-gono e il loro ricongiungimento viene ostacolato.

I segreti della maionese


Dagli atomi ai legami chimici

TEMA 2

… ogni cosa è fatta di atomi, piccole particelle che vagano inmovimento perpetuo, attraendosi reciprocamente quando sitrovano a piccola distanza, ma rifiutandosi di venire fuse le une nelle altre. Se solo ci pensate su per un attimo, vedretecon un po’ di immaginazione che questa frase contiene unaquantità enorme di informazioni sul mondo…

Richard Feynman (1918-1988)


CAPITOLO 7LE PARTICELLESUBATOMICHE

CAPITOLO 8IL MODELLO ATOMICO A ORBITALI

CAPITOLO 9IL SISTEMA PERIODICO DEGLI ELEMENTI

CAPITOLO 10IL LEGAME CHIMICO

CAPITOLO 11LA NOMENCLATURACHIMICA

Quando le particelle che formano il vento solaresi scontrano con la ionosfera, gli elettroni degliatomi e delle molecole presenti in questo stratodell’atmosfera emettono energia sotto forma diluce dai colori caratteristici, dal rosso sangue alverde, dal bianco al blu cobalto.


7

·■ T2 – Dagli atomi ai legami chimici152

7.1

Le particelle subatomiche

In questo capitolo■ definiremo il concetto di atomo alla luce delle nuove conoscenze acquisite a partire

dalla fine dell’800.■ comprenderemo che l’atomo non è un ente indivisibile, ma possiede una propria strut-

tura ed è costituito da particelle subatomiche.■ conosceremo le caratteristiche e le proprietà delle particelle che costituiscono l’atomo.

L’elettricità

I fenomeni elettrici fanno oggi parte della nostra vita quotidiana, basti pensarea tutti gli strumenti azionati dall’energia elettrica che usiamo: dal telefono cellu-lare al computer, dagli elettrodomestici all’illuminazione domestica.

Elettricità deriva da electron, la parolacon la quale i greci denominavano

l’ambra, una resina fossile di ori-gine vegetale. L’ambra pos-siede particolari caratteristi-

che: ad esempio, se vienesfregata con un pannodi lana, attira pezzettidi carta posti nellesue vicinanze. Lo

stesso fenomeno sipuò produrre sfre-

gando, ad esempio, un pannodi lana con una bacchetta di vetro oppure un foglio di cel-

lofan con un foglio di carta; dopo il trattamento, separarli risulterà un po’ diffi-cile. Al contrario, due fogli di cellofan strofinati con la carta, si respingeranno re-ciprocamente. Per la fisica, questi fenomeni sono causati da uno squilibrio dicariche elettriche sulla superficie degli oggetti.

Solitamente, gli oggetti contengono una stessa quantità di cariche positive enegative; in queste condizioni gli oggetti non sono elettrizzati: la carica elettricacomplessiva è nulla. L’ipotesi che si può formulare per spiegare l’attrazione e larepulsione fra oggetti è che lo strofinio rompa questo equilibrio e che una certaquantità di carica elettrica negativa passi da un oggetto all’altro. In questo modo,gli oggetti a contatto si caricano elettricamente: quello che acquista una quantitàdi carica elettrica negativa si carica negativamente, quello che la perde si caricapositivamente ■ FIGURA 7.1.


■ Capitolo 7 – Le particelle subatomiche 153

I materiali con cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre quellicon cariche elettriche di segno opposto si attraggono.Tornando al precedente esem-pio, carta e cellofan si caricano di segno opposto e quindi si attraggono, mentredue fogli di cellofan assumono cariche elettriche dello stesso segno e quindi si re-spingono.

I rapporti di attrazione e repulsione elettrica fra gli oggetti furono formalizzatinel 1785 da Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) nella legge che porta ilsuo nome.

a.$Prima dello strofinio, vetro e pannosono elettricamente neutri.

b.$Durante lo strofinio, parte deglielettroni presenti nel vetro passa sullasuperficie del panno.

■ FIGURA 7.1

Migrazione di cariche elettriche

La quantità di elettricità contenuta in un corpo viene detta carica elettrica.L’unità di misura della carica elettrica, Q, è il coulomb (C).

Esistono due specie di cariche elettriche: una positiva (+) e una negativa (–).

c.$Dopo lo strofinio, la bacchetta di ve-tro risulta carica positivamente, mentreil panno è carico negativamente.

In cosa consiste l’effettofotovoltaico?

Quali materiali sonousati per costruire ipannelli che coprono itetti di molte abitazioni?

I pannellifotovoltaiciproducono energia“pulita” perchésono in grado ditrasformaredirettamentel’energia luminosain energiaelettrica.

Le domande della chimicaChe cosa avvieneall’interno di un pannellofotovoltaico?


b. La maggior parte delle particelle α attraversa indisturbata la lamina d’oro; una minima parte vienedeviata o riflessa se incontra un ostacolo, il nucleo dell’atomo.

a)

sorgente diparticelle α fascio di

particelle α

laminad’oro

contenitoredi piombo schermo

fluorescente

■ Capitolo 7 – Le particelle subatomiche 157

L’esperimento di Rutherford

■ FIGURA 7.3

Dispositivodi Rutherford

b)

nucleoparticelle α

a. Una sottilissima lamina d’oro viene “bombardata” con particelle α. Attorno alla lamina d’oro sitrova una lastra sensibile alle radiazioni.

I risultati dell’esperimento di Rutherford furono i seguenti:■ la maggior parte delle particelle � attraversava indisturbata la lamina d’oro;■ una piccola frazione di particelle subiva una deviazione;■ una frazione ancora più piccola di particelle veniva riflessa, cioè rimandata in-

dietro.

Nel 1911, un allievo di Thomson, Ernest Rutherford (1871–1937), portò atermine un esperimento che condusse alla formulazione di un nuovo modello diatomo. Rutherford “bombardò” una sottilissima lamina d’oro con particelle �che, come abbiamo visto, possiedono carica elettrica + 2 e hanno una massa di 4 dalton. L’oro fu scelto come bersaglio per la sua estrema malleabilità, che per-mette di lavorarlo e di ottenere lamine molto sottili.

Attorno alla lamina d’oro venne disposta una lastra sensibile alle radiazioni ■ FIGURA 7.3.

L’esperimentodi Rutherford


I gusci elettronici possono essere immaginaticome vere e proprie sfere concentriche, a contenutoenergetico crescente dall’interno verso l’esterno.

Il contenuto di ogni guscio elettronico è rappresentato nella ■ TABELLA 8.4, che inparte riassume quanto schematizzato nella tabella precedente.

Ai gusci elettronici successivi al quarto appartiene un numero di orbitali inferiorea quello teorico. Ciò dipende dal fatto che non si conoscono elementi con un nu-mero di elettroni sufficiente per riempire tutti gli orbitali previsti.

■ Capitolo 8 – Il modello atomico a orbitali 181

Che cosa si intendeper guscio elettronico?

L’insieme degli orbitali atomici con lostesso numero quantico principale ncostituisce un guscio elettronico.

GUSCI ELETTRONICI

Guscio n Numero di orbitali

Tipo di orbitali Descrizione

Primo 1 1 1s 1 orbitale s

Secondo 2 4 2s 2p 1 orbitale s, 3 orbitali p

Terzo 3 9 3s 3p 3d 1 orbitale s, 3 orbitali p,5 orbitali d

Quarto 4 16 4s 4p 4d 4f 1 orbitale s, 3 orbitali p,5 orbitali d, 7 orbitali f

Quinto 5 5s 5p 5d 5f

Sesto 6 6s 6p 6d

Settimo 7 7s

■ TABELLA 8.4

Quanti sono i guscielettronici?

Gli spettri degli atomi

Nel campo della luce visibile, il colore che il nostro occhio percepisce dipendedalla lunghezza d’onda della radiazione emessa da una sostanza: è spesso il coloread indicarci con quale sostanza abbiamo a che fare.

Anche nella vita di tutti i giorni è possibile fare esperienza di questo fenomeno.Quando dell’acqua bollente, precedentemente salata, tracima dalla pentola e cadesulla fiamma del fornello, il colore della fiamma cambia da azzurro a giallo. Il coloregiallo della fiamma indica che nell’acqua è presente l’elemento sodio sottoforma diione positivo, Na+, liberato dalla dissoluzione in acqua del sale da cucina, il clorurodi sodio, NaCl. Gli atomi di sodio assorbono energia dalla fiamma e la riemetto-no sotto forma di luce gialla. Poiché ciascun elemento, quando viene fornita ai suoi atomi una quantità adeguata di energia, la restituisce sotto forma di radiazionielettromagnetiche di lunghezze d’onda caratteristiche, l’analisi delle radiazioniemesse da una sostanza permette di riconoscere gli elementi che la costituiscono.La spettroscopia è una tecnica che permette di riconoscere la natura di una so-stanza in base alle lunghezze d’onda delle radiazioni elettromagnetiche che questasostanza emette quando le viene fornita una sufficiente quantità di energia.

8.5

Saggi alla fiamma


prodottorapporto

domande ed esercizi

■T2 – Dagli atomi ai legami chimici244

L’ORIGINE E LA NATURA DEL LEGAME CHIMICO

1 In quali casi gli atomi pre-sentano una configurazioneelettronica completa del gu-scio elettronico esterno?

2 Indica tra i seguenti elementi quelli che presentanoconfigurazione elettronica completa del guscioesterno.Afnio, Hf. Argo, Ar. Bromo, Br.Elio, He. Radio, Ra. Rubidio, Rb.Titanio, Ti.

3 La configurazione elettronica del guscio di valenzadel selenio è: 3s23p4. Quanti elettroni possiede il se-lenio nel guscio di valenza? Quanti elettroni deve ac-quistare per raggiungere una configurazione elettro-nica stabile?

4 Indica, per ciascuno dei seguenti elementi, quantielettroni dovrebbero acquistare i loro atomi per as-sumere la configurazione ad ottetto completo.Azoto, N. Carbonio, C. Fosforo, P.Iodio, I. Xeno, Xe.

5 Indica, per ciascuno dei seguenti elementi, quantielettroni dovrebbero perdere i loro atomi per assu-mere la configurazione ad ottetto completo.Alluminio, Al. Bario, Ba. Litio, Li.Magnesio, Mg. Sodio, Na.

IL LEGAME IONICO

6 Utilizzando la rappresentazione di Lewis, disegna laconfigurazione elettronica dei gusci di valenza degliatomi dei seguenti elementi:■ alluminio, Al. ■ calcio, Ca. ■ carbonio, C.■ cloro, Cl. ■ fosforo, P. ■ litio, Li. ■ neon, Ne. ■ zolfo, S.

7 Indica gli ioni che si formano quando gli atomi deiseguenti elementi assumono una configurazione elet-tronica ad ottetto completo:■ iodio, I ......... ■ magnesio, Mg .........

■ zolfo, S ......... ■ alluminio, Al .........

8 Indica il gas nobile che possiede la stessa configura-zione elettronica degli ioni Se2– e Sr2+.

9 Indica gli ioni e le formule dei composti che si for-mano quando si instaura un legame ionico tra gliatomi delle seguenti coppie di elementi:

■ fluoro, F e potassio, K.■ bario, Ba e cloro, Cl.■ ossigeno, O e radio, Ra.■ alluminio, Al e fluoro, F.■ ossigeno, O e litio, Li.■ alluminio, Al e ossigeno, O.

IL LEGAME COVALENTE

10 Scrivi accanto a ciascuna delle seguenti caratteristi-che se si tratta di legame ionico o di legame cova-lente.

11 Stabilisci in quali dei seguenti composti i legami sonoionici e in quali sono covalenti.BaF2 Br2O CaONO PH3 K2S

12 Utilizzando le notazioni di Lewis e indicando i le-gami covalenti con trattini, scrivi le formule di strut-tura delle seguenti molecole:■ Br2

■ SiH4

■ PCl3■ CS2

13 Carbonio e cloro formano un composto le cui mole-cole sono costituite da 5 atomi; tenendo conto dellerappresentazioni di Lewis dei due elementi:

scrivi la formula di struttura del composto.

ClC

Si forma per cessione diuno o più elettroni daun atomo ad un altro.

Si forma per messa incomune di due elettroni,uno per ciascuno, daparte di due atomi.

Si forma tra due atomiche differiscono moltoper elettronegatività.

Si forma tra due atomiche differiscono pocoper elettronegatività.

Si forma tra due atominon metallici.

Si forma tra un atomometallico ed uno nonmetallico.

10.3

10.2

10.1

Na F


IL LEGAME DATIVO

14 In quali delle seguenti molecole o ioni sono presentilegami covalenti dativi?O2 SO2 SO3 Cl–

H2O NH3 NH4+

15 Indica quali delle cinque formule seguenti conten-gono legami covalenti dativi e riscrivile indicando talilegami con una freccia.

Nel rispondere tieni conto delle rappresentazioni diLewis degli atomi coinvolti nei legami:

16 Scrivi le formule di struttura del composto I2O5 incui sono presenti quattro legami covalenti dativi.

LA GEOMETRIA DELLE MOLECOLE

17 Secondo il modello VSEPR, da cosa dipende la di-sposizione geometrica dei legami attorno ad unatomo?

18 Quanto vale l’angolo di legame O=C=O nell’anidridecarbonica?

19 Spiega perché l’angolo di legame H–O–H dell’acquaè minore dell’angolo di legame H–C–H del metano.

20 Nello ione ammonio

tutti e quattro i legami N–H risultano equivalenti edindistinguibili tra loro. Quale sarà la geometria delloione? Come sarà la disposizione degli atomi di idro-geno dello ione? Quale sarà il valore dell’angolo di le-game H–N–H?

IL LEGAME COVALENTE POLARIZZATO E LE FORZE DI VAN DER WAALS

21 Scrivi, accanto a ciascuna delle seguenti molecole,quali presentano legami ionici, quali presentano le-gami covalenti omopolari e quali presentano legamicovalenti polarizzati.

22 Indica, in ciascuna delle seguenti molecole dipolari,dove si trova il polo elettrico positivo e dove si trovaquello negativo:

23 Spiega perché molecole come CO2 e CH4 non sicomportano da dipoli, pur essendo i legamiC–O e C–H legami covalenti polarizzati.

CaCl2

CF4

Cl2

HF

I2

NaCl

NH3

10.6

N HH

H

H

+

10.5

SO PC NH

10.4

■ Capitolo 10 – Il legame chimico 245

OCO

O

S

O

OH

OH

O P OO H

O

H

H

N N

OC

OH

OH

O NCH

H

O

H

H Br

Cl

O

ClH

H

H N


■T2 – Dagli atomi ai legami chimici248

CHIMICA IERI CHIMICA OGGILinus Pauling, un chimico per la pace Linus Pauling è stato un maestro di scienza e di impegnopolitico e civile: la sua vita è la dimostrazione di come sia possibile conciliare il lavoro scientifico ai più alti livelli

con la partecipazione ai problemi sociali e politici del proprio tempo.

Le scoperteA Linus Pauling si deve l’elaborazione di alcuni dei concetti fondamentali della chimicamoderna, dalla scala delle elettronegatività, al concetto di legame chimico alla struttura delleproteine. La prima importante sede di insegnamento e di ricerca del grande scienziato fu il Cali-fornia Institute of Technology a Pasadena: è qui che condusse i suoi studi sui legami chimici,pubblicati nel 1937 in un volume diventato un classico della scienza, La natura del legame chi-mico. Oltre a questi temi, Pauling affrontò quello della struttura delle proteine. Queste mole-cole organiche sono costitute da lunghe successioni di amminoacidi uniti fra loro con legami —CO–NH— ma, alla fine degli anni trenta del secolo scorso, ancora non si sapeva come fosse

organizzata questa successione. Pauling avanzò l'ipotesi chegli amminoacidi fossero disposti in una struttura a elica,

un’ipotesi confermata dalle prime “fotografie” deglispettri di diffrazione della cheratina che Pauling potévedere in Inghilterra, nel 1948. Il suo primo articolosulla struttura delle proteine apparve nel 1952; nello

stesso anno, a Londra, durante un congresso, furono resenote le foto ai raggi X della molecola del DNA che per-misero a Watson e Crick l’elaborazione del loro modelloa doppia elica. Grazie alle sue ricerche, Pauling conseguì

il premio Nobel per la chimica nel 1954.

1901 Dove nasce. Gli studiLinus Pauling nasce a Portland, nell’Oregon (Stati Uniti), figlio e nipote di farmacisti. Studia all’OregonAgricultural College, dove ottiene, nel 1922, la laurea in ingegneria chimica. Nel 1925 consegue il PhD alCalifornia Institute of Technology (Caltech).

1926 Viaggi di studioSi trasferisce in Europa dove, nel biennio 1926-1927, studia fisica quantistica con tre celebri fisici dell’epoca:Arnold Sommerfeld, Erwin Schrodinger e Niels Bohr.

1927 Un fertile ricercatore e un ottimo insegnante

Tornato in California, inizia una lunga carriera di ricercatore e professore di chimica presso il Caltech. Crea unascala dell’elettronegatività degli elementi chimici, che prenderà il suo nome.

1936 Proteine in 3D

Pubblica un articolo sulla struttura generale, tridimensionale, delle proteine. Studia la specificità dei legami tra antigenee anticorpo e inizia le ricerche sull’emoglobina che lo porteranno a scoprire la causa molecolare dell’anemia falciforme.

1939 A fianco dei soldati americani

Durante la Seconda Guerra Mondiale viene coinvolto in studi scientifici per l’esercito americano; lavora a un sostitutoartificiale del siero umano per curare i soldati feriti.

1946 Scienziato e pacifistaIl lancio della bomba atomica lo conduce su posizioni apertamente pacifiste, accanto a molti altri scienziati, primo fratutti Albert Einstein. Durante gli anni Cinquanta partecipa a numerose manifestazioni contro la guerra e la proliferazionenucleare, studia gli effetti sull’uomo delle radiazioni e presenta un appello per il bando ai test nucleari, firmato da piùdi 9000 scienziati in 44 paesi diversi. Nel 1962 ottiene il Premio Nobel per la Pace.

1954 Nobel per la ChimicaGli viene conferito il Premio Nobel per la Chimica.

L. Pauling

1994 Muore a Big SurSi spegne nel suo ranch californiano, all’età di 93 anni.


■ Capitolo 10 – Il legame chimico 249

Vitamina C per tutti

Nel 1970 pubblica il libro Lavitamina C e il raffreddorecomune, in cui sostiene chel’assunzione generalizzata digrandi quantità di vitamina Cporterebbe a debellare il raf-freddore e altre comuni ma-lattie. Diventa subito un be-stseller.

L’impegno civileForse sarebbe toccato a Pauling, invece che aWatson e Crick, l’onore di passare alla storiacome lo scopritore della struttura del DNA, se loscienziato avesse potuto partecipare allo storicoconvegno tenutosi a Londra nel 1952. Pauling,invece, non poté allontanarsi dagli Stati Unitiperché il governo gli aveva tolto il passaporto perle sue presunte attività “antiamericane”. Quellodi contestatore è l’altro volto di Linus Pauling.Davanti alle devastanti conseguenze delle esplo-sioni delle bombe atomiche americane su Hiro-shima e Nagasaki e agli effetti delle esplosioninucleari sperimentali nell'atmosfera, Pauling,sostenuto dalla moglie Ava Helen, convinta at-tivista nei movimenti dei diritti civili e pacifisti,decise di dedicare una parte rilevante del suo im-pegno nei movimenti per la cessazione dei testnucleari e per l'abolizione delle bombe atomi-che. Per tutti gli anni cinquanta continuò la suacampagna contro le bombe atomiche. Il suo li-bro Mai più guerre!, pubblicato nel 1958, con-tribuì alla mobilitazione dell’opinione pubblicache si concluse, nel 1963, con la stipula dell'ac-cordo fra sovietici e americani per la sospen-sione dei test nucleari nell'atmosfera. Il risultatodi questa intensa attività politica fu il consegui-mento di un secondo premio Nobel, questa voltaper la pace, nel 1962.

Dopo il conseguimento del premio Nobel, Pauling si dedicò completamente allo studio delle mole-cole di origine biologica, estremamente più complesse delle molecole non biologiche. Lo studio del-l’emoglobina dei globuli rossi lo portò alla scoperta della causa dell’anemia falciforme, malattia cheproduce globuli rossi a forma di falce, poco efficienti nel trasporto dell’ossigeno. Pauling scoprì che

questa malattia è causata da alcune piccole differenze nella costituzione della molecoladi emoglobina “anomala” rispetto alla molecola “normale”. In seguito a questa sco-perta introdusse il concetto di malattia molecolare, una concezione del tutto rivolu-zionaria in quanto individuava nella struttura di una molecola chimica la causa di unadisfunzione biologica. Nel 1979 la rivista inglese “New scientist” incluse Linus Pau-ling nella sua lista dei 20 più importanti scienziati di tutti i tempi.


prodottorapporto

■T3 – La materia e le sue trasformazioni300

H H

O O

OOS

Individua le affermazioni vere e quelle false.

a Le soluzioni sono miscugli eterogenei.b La molarità di una soluzione indica le moli

di soluto in un litro di solvente.c La frazione molare di soluto in una soluzione

è il rapporto fra le moli di soluto e le moli di soluzione.

d La concentrazione % in volume si usa per le bevande alcoliche.

e Il sale si scioglie nell’olio.f In genere, per i soluti solidi la solubilità aumenta

con la temperatura.g Anche nei gas la solubilità aumenta con la

temperatura.

h Le proprietà colligative dipendono solo dal numerodi particelle in soluzione.

i Il numero di particelle in soluzione non dipendedalla natura della sostanza.

j La tensione di vapore aumenta con la tempe-ratura.

k Il punto di congelamento del solvente puro è superiore al quello di una soluzione.

l Il punto di ebollizione del solvente puro è superiore al quello di una soluzione.

m La pressione osmotica è proporzionale alla molalità della soluzione.

n Il coefficiente di Van’t Hoff è un indice che tieneconto del numero di particelle in soluzione. FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

FV

test

40 La tensione di vapore del-l’acqua a 25 °C è 3472 Pa.Calcola la tensione di va-pore di una soluzione otte-nuta sciogliendo 39 g diNaCl in 150 g di H2O.

41 L’acqua alla temperatura di 19 °C ha una tensione divapore di 2200 Pa; può esistere una soluzione inacqua di un sale non volatile che, alla stessa tempera-tura, abbia una tensione di vapore pari a 2220 Pa? Selo ritieni possibile, calcola la frazione molare del so-luto, se non lo ritieni possibile spiegane la ragione.

42 Determina l’abbassamento crioscopico di una solu-zione acquosa ottenuta sciogliendo 2 mol di un so-luto che in acqua non dà origine a ioni, in 2500 g diacqua. Ricorda che la costante crioscopica dell’acquaè Kc = 1,86 K ∙ kg/mol.

43 20 g di idrossido di sodio, NaOH, sono sciolti in 1L,1000 g, di acqua; sapendo che in acqua NaOH si disso-cia completamente in Na+ e OH–, calcola l’innalzamentoebullioscopico della soluzione. Ricorda che la costan-te ebullioscopica dell’acqua è: Ke = 0,52 K ∙ kg/mol.

44 Una soluzione è ottenuta sciogliendo 10 g di acidosolforico, H2SO4, in 200 g di acqua; sapendo chel’acido solforico in acqua dà origine a tre ioni secondola reazione:

acquaH2SO4 11h SO4

2– + 2 H+

calcola le temperature di solidificazione e di ebolli-zione della soluzione.

45 Il saccarosio, C12H22O11, il comune zucchero usato incucina, è una sostanza che si scioglie in acqua senzadissociarsi. Determina la pressione osmotica a 20 °Cdi una soluzione 0,1 M di saccarosio.

46 La massa molare del saccarosio è 342 g/mol; deter-mina la pressione osmotica, a 20 °C, di una soluzioneche contiene 100 g di saccarosio in 1,25 L di solu-zione.

47 Calcola la pressione osmotica di una soluzione con-tenente 25 g di NaCl in 500 mL a 25 °C.

48 A 273 K, 0 °C, una soluzione ha una pressione osmo-tica � = 1 atm; determina il volume di soluzione checontiene una mole di soluto; supponiamo un solutoche non si dissoci e quindi con i = 1.

49 Una soluzione fisiologica per usi medici ha una con-centrazione di NaCl di circa 9 g/L, equivalente allo0,9 % in massa. Determina la concentrazione in mol/Ldi NaCl nella soluzione e la sua pressione osmotica, inatmosfere, misurata alla temperatura corporea, 37 °C.

50 Una soluzione di urea in acqua ha una concentrazionedi 18 g/L e, a 37 °C, ha una pressione osmotica di7,65 atm; quale è la massa molare dell’urea?


Scegli la risposta o la definizione corretta.

1 La molarità, M, è un modo di indicare la concentra-zione del tipo:

a. c.

b. d.

2 La molalità, m, è un modo di indicare la concentra-zione del tipo:

a. c.

b. d.

3 In quale delle seguenti soluzioni di NaCl in acqua ècontenuto più sale?a. 0,01 M c. 0,1 g/Lb. 0,1 M d. 1 g/L

4 Sull’etichetta di una bottiglia di vino bianco è indi-cato un contenuto alcolico pari a 10,5% vol. Qualedelle seguenti spiegazioni contenute nella scritta è lapiù corretta?a. Il vino contiene 10,5 g di alcol ogni litro di vino.b. Il vino contiene 10,5 g di alcol ogni litro di acqua

pura.c. Il vino contiene 10,5 mL di alcol ogni 100 mL di

vino.d. Il vino contiene 10,5 mL di alcol ogni litro di

vino.

5 Quando in una soluzione è presente un corpo difondo:a. la soluzione contiene delle impurità insolubili.b. la soluzione è satura.c. il soluto si scioglie molto lentamente ed occorre

continuare a mescolare la soluzione.d. il recipiente che contiene la soluzione è costituito

da una sostanza simile al soluto.

6 Come varia la solubilità in acqua di un gas al cresceredella temperatura?a. Aumenta.b. Resta costante.c. Diminuisce.d. Varia in modo diverso da gas a gas.

7 Se una sostanza si scioglie facilmente nella benzina,possiamo ipotizzare che si tratti di una sostanza:a. apolare.b. ionica.c. che contiene piombo.d. con un’alta massa molecolare.

8 Le proprietà colligative dipendono:

a. dalla natura chimica della sostanza disciolta.b. dal numero di particelle di soluto disciolte.c. dalla solubilità del soluto.d. dalla temperatura di fusione del soluto puro.

9 L’acqua di mare solidifica:

a. ad una temperatura più alta dell’acqua dolce.b. alla stessa temperatura dell’acqua dolce.c. ad una temperatura più bassa dell’acqua dolce.d. a 0 °C.

10 Quale delle seguenti soluzioni in acqua presenta lapressione osmotica maggiore?

a. Soluzione 0,05 M di solfato di potassio, K2SO4.b. Soluzione 0,05 M di cloruro di potassio, KCl.c. Soluzione 0,05 M di glucosio, C6H12O6.d. Soluzione 0,08 M di glucosio, C6H12O6.

11 Quali delle seguenti soluzioni in acqua bolle alla tem-peratura più bassa?

a. Soluzione 0,075 M di cloruro di potassio, KCl.b. Soluzione 0,05 M di cloruro di potassio, KCl.c. Soluzione 0,05 M di glucosio, C6H12O6.d. Soluzione 0,025 M di glucosio, C6H12O6.

12 Quale delle seguenti proprietà di una soluzione nonè una proprietà colligativa?

a. Abbassamento della pressione di vapore.b. Abbassamento crioscopico.c. Innalzamento ebullioscopico. d. Solubilità.

13 Un litro di una soluzione di HCl 1 M ha massa paria 1015 g; ricordando che la massa molare dell’acidocloridrico è 36,46 g/mol, qual è la percentuale inmassa di HCl nella soluzione?

a. 1% c. 3,64%

b. 3,59% d. 3,78%

14 Quale delle seguenti soluzioni ha la molarità più ele-vata?

a. 10 g di NaCl in 1 L d’acqua.b. 10 g di HCl in 1 L d’acqua.c. 10 g di KCl in 1 L d’acqua.d. 10 g di BaCl2 in 1 L d’acqua.

molimassa

volumevolume

massavolume

molivolume

molimassa

volumevolume

massavolume

molivolume

■ Capitolo 12 – Le soluzioni 301


■T4 – L’equilibrio nelle reazioni chimiche354

CHIMICA E AMBIENTE

Se vogliamo mantenere una bevanda, calda o fredda, alla propria temperatura, la versiamo in un thermos;finché il recipiente non viene aperto e la bevanda non è versata, il thermos conserva sia il calore sia la be-vanda in esso contenuta. Il thermos costituisce un buon esempio di sistema isolato, un sistema che nonscambia né materia né energia con l’ambiente esterno. In realtà non si tratta di un vero sistema di questotipo: il thermos, infatti, disperde energia nell’ambiente, anche se impiega molto tempo. L’unico vero sistemaisolato che conosciamo è l’Universo che contiene i corpi celesti, le galassie, il Sole,la Terra e tutti gli esseri viventi.

Uno, due, tre sistemiUn sistema può essere definito come un gruppo di og-getti o di parti, gli elementi del sistema, legati da una seriedi relazioni reciproche. L’acqua di un lago non è mai lastessa: entra nel bacino portata da un immissario ed escetramite un emissario. Anche la temperatura dell’acquadel lago cambia nel tempo, ad esempio con le stagioni,ma dipende anche dalla temperatura dell’acqua dei fiumiche entrano ed escono. Un lago può essere consideratoun sistema il cui componente principale sono le molecoled’acqua. Anche un animale è un sistema: deve mangiareper rifornire continuamente di energia le cellule di cui èformato e per mantenere ordine al proprio interno.Un lago e un animale sono esempi di sistemi aperti, cioèsistemi che scambiano materia ed energia con l’ambienteesterno.

Il pianeta Terra è un sistema che scambia energia con lo spazio che la circonda, ma, salvo eventi straordinari,non scambia materia. In realtà, si ha un trascurabile apporto di materia dovuto alla caduta sul nostro pianetadi micrometeoriti pari ad un incremento della massa della Terra di circa il 6 ·10–16 %/anno. Un esempio più casalingo di sistema con le stesse caratteristiche della Terra può essere una bottiglia che con-tiene una bibita gassata: se la mettiamo in frigorifero ben tappata, le viene sottratto calore ma il suo contenutonon cambia. La bottiglia di bibita e la Terra sono entrambi esempi di sistemi chiusi, cioè sistemi che scam-biano energia con l’ambiente esterno, ma non materia.

Sistemi in natura Al biologo austriaco Ludwig von Bertalanffy (1901-1972)si deve l’elaborazione della Teoria generale dei sistemi. Nel libro che porta questotitolo, pubblicato nel 1968, egli aveva intuito la straordinaria potenzialità della suateoria, che si sarebbe dimostrata un importante strumento per spiegare non solofenomeni fisici, chimici e biologici, ma anche sociali, economici e culturali.


■ Capitolo 15 – L’equilibrio chimico 355

Sistemi in equilibrioQualsiasi sistema rimane in equilibrio fino a quando non scambia materia e/o energia con l’ambiente esterno. Pos-siamo osservare lo stesso comportamento nei sistemi chimici: per il principio di Le Chatelier, l’immissione o la sot-trazione di reagenti, di prodotti e di energia in un sistema chimico ne modifica le condizioni di equilibrio. L’equi-librio chimico si può realizzare solo nei sistemi isolati e nei sistemi chiusi che presentino temperatura e pressioneuguali a quelle dell’ambiente esterno e, di conseguenza, non scambino con esso energia. È invece impossibile man-tenere l’equilibrio chimico nei sistemi aperti in quanto, in ogni momento, avvengono scambi di materia ed ener-gia con l’ambiente circostante.Un esempio molto significativo di sistema aperto è dato dagli esseri viventi. Un essere vivente rimane “sistemaaperto”, cioè rimane in vita, fino a quando dall’ambiente assume energia e sostanze per costruire nuove cellule, erestituisce all’ambiente prodotti di scarto. In altre parole, un organismo vivente rimane tale fino a quando è in unostato di “non equilibrio”, mentre il raggiungimento dello stato di equilibrio, cioè la cessazione degli scambi conl’ambiente, corrisponde alla fine delle sue funzioni vitali, cioè alla morte. Tuttavia, anche nei sistemi aperti si rag-giunge, nel tempo, la stabilità delle principali grandezze osservabili: si parla in questo caso di stato stazionario.Per comprendere meglio in che cosa consista lo stato stazionario, possiamo ricorrere a un esempio: se in una vascaviene immessa una certa quantità di acqua e, contemporaneamente, ne esce la stessa quantità, il contenuto rimanecostante anche se l’acqua non è mai la stessa.Sistemi complessi come gli organismi viventi sono il risultatodella coesistenza di molti processi diversi, chimici, termici,elettrici: essi sono un esempio di sistemi che mantengono unostato stazionario. Il sistema non è all’equilibrio, al suo internoavvengono trasformazioni continue, ma le grandezze che ca-ratterizzano lo stato del sistema oscillano all’interno di una fa-scia ristretta di valori. Ogni alterazione di una delle grandezzedel sistema attiva processi di retroazione che riportano la gran-dezza all’interno dei valori propri dello stato stazionario. Unesempio è la sudorazione, che l’organismo mette in atto per con-trastare l’aumento della temperatura interna. L’insieme dei processi che tendono a mantenere le grandezze di un sistema all’interno di un intervallo ristretto di valori è chiamato omeostasi.

L’ecosistema digitaleNegli ultimi anni la teoria dei sistemi ha avuto sorprendenti applicazionianche nell’ambito degli studi dei fenomeni che avvengono all’internodella rete di Internet. Il World Wide Web, uno dei più importanti servizidi Internet, è considerato come un vero e proprio ecosistema digitale; icollegamenti tra i miliardi di pagine della rete e i relativi siti Internet co-stituiscono un sistema aperto governato dalle stesse leggi che regolano isistemi aperti naturali. Come gli organismi, i sistemi di internet e del webtendono a raggiungere uno stato stazionario; l’inserimento continuo dinuove informazioni in rete produce retroazioni che, a loro volta, sonoalla base dell’apprendimento da parte del sistema, rendendolo capace diautoregolarsi e di evolvere, cioè subire trasformazioni nel tempo.Ma, attenzione, il futuro e la crescita della rete dipendono dalla qualitàdelle informazioni: solo l’inserimento di pagine e servizi di alta qualitàpuò far passare l’ecosistema digitale da un livello di organizzazione diordine inferiore a uno di ordine superiore.

10 L/min

10 L/min

temp. costante

1000 L


■T5 – La chimica del carbonio456

■ Para-xilene, abbreviato in p-xilene, quando i gruppi CH3 si trovano legati adatomi di carbonio opposti.

Gli areni che presentano due o più gruppi alifatici legati all’anello benzenico,danno origine ad un nuovo tipo di isomeria. Consideriamo ad esempio i più sem-plici di tali areni, i dimetilbenzeni, chiamati anche xileni, che presentano due gruppiCH3 legati all’anello benzenico. Gli xileni presentano forma razionale:

C6H4(CH3)2

A tale formula corrispondono tre possibili formule di struttura e quindi tre iso-meri:

CH3

CH3

CH3

CH3

■ Meta-xilene, abbreviato in m-xilene, quando tra i due atomi di carbonio legati aigruppi CH3 si interpone un atomo di carbonio non sostituito.

■ Orto-xilene, abbreviato in o-xilene, quando i due gruppi CH3 sono legati a dueatomi di carbonio adiacenti.

CH3

CH3

La combustione degli idrocarburi

Si chiama combustione la reazione esotermica fra una sostanza, il combustibile,e l’ossigeno, il comburente. Nelle attività umane la combustione è utilizzata per

ottenere calore e lavoro meccanico, nei contesti più diversi: dal riscaldamentodomestico, alla cottura dei cibi, al funzionamento dei motori dei veicoli,degli aerei e delle macchine industriali.

Molte delle sostanze utilizzate industrialmente come combustibili sonocostituite da idrocarburi. Il gas naturale è ad esempio costituito prevalen-temente da metano, la benzina è una miscela di idrocarburi costituiti da

cinque a dieci atomi di carbonio, il GPL (gas di petrolio liquefatto) è co-stituito da propano e butano; in genere, tutti i derivati del petrolio hanno na-

tura idrocarburica.La combustione di un idrocarburo, quando avviene in presenza di un eccesso

19.6


■ Capitolo 19 – Il carbonio e gli idrocarburi 457

di aria e quindi di ossigeno, produce acqua e anidride carbonica. Ad esempio, lecombustioni del metano e del propano possono essere schematizzate nel modo se-guente:

CH4 + 2 O2 1h CO2 + 2 H2O + calore

C3H8 + 5 O2 1h 3 CO2 + 4 H2O + calore

Se la combustione si svolge in difetto di ossigeno è incompleta; in questo caso sipuò formare, anziché l’anidride carbonica, CO2, l’ossido di carbonio, CO, gas tos-sico all’origine di frequenti casi di avvelenamento.

Foto QUIZ

METANO ODOROSO

Quando apriamo il gas del fornello percepiamo,prima di accendere la fiamma, un forte odore,caratteristico del metano. Il metano, tuttavia, èdi per sé un gas incolore, insapore e inodore: acosa è dovuto, quindi, l’odore che percepiamo?Come mai per scaldare le nostre case si utilizzaper lo più metano, e non altri gas?

La chimica risponde

Il colore caratteristico delle carote è dato dalcarotene, un polimero costituito da otto uni-tà di isoprene, un idrocarburo nella cui mo-lecola sono presenti due doppi legami. La mo-lecola assorbe la luce nella regione blu-violettodello spettro e, per questa ragione, appare al-l’osservatore di colore giallo-arancione, la ra-diazione luminosa che viene riflessa. Nelle parti verdi delle piante, le molecole dicarotene o di composti simili, i carotenoidi,accoppiate alla clorofilla, hanno la funzionedi catturare la luce del sole. I pomodoriacerbi hanno il colore verde della clorofilla;nel corso della maturazione la clorofilla vie-ne progressivamente demolita e compare il co-lore rosso del carotenoide. Le foglie di colore

verde scuro contengono una molecola di ca-rotene o di carotenoide per ogni molecola diclorofilla. In autunno le molecole di clorofil-la vengono degradate, il colore verde delle fo-glie si affievolisce e appaiono i colori rosso egiallo del carotene e dei carotenoidi. Il caro-tene, essendo un idrocarburo, è poco solubilein acqua, ma è solubile nei grassi; questa ca-ratteristica è all’origine del tipico colore gial-lo pallido del burro; gli animali da pascolo,mangiando l’erba, ingeriscono i caroteni e icarotenoidi in essa contenuti; questi pig-menti, essendo lipofili, cioè solubili nei gras-si, vengono sciolti dalla porzione lipidica dellatte e li ritroviamo poi nei suoi derivati, adesempio il burro.


prodottorapporto

Scegli i termini corretti e inserisci quelli mancanti nelleseguenti frasi:

•1£La parte della chimica che studia i composti

del carbonio è chiamata

.

•2£L’atomo di carbonio, numero atomico

, appartiene al gruppo

e al periodo del Sistema Periodico.

L’atomo di carbonio raggiunge una condizione di stabi-

lità formando legami covalenti sia

con atomi diversi sia con altri atomi di

.

•3£Le caratteristiche fondamentali

dell’atomo di carbonio sono: una costante ,

la tendenza a formare , la tendenza a le-

garsi ad altri atomi di e a formare ca-

tene più o meno lunghe.

•4£I quattro legami covalenti del metano sono chimi-

camente .

•5£Gli idrocarburi sono classificati nelle seguenti fa-

miglie: alcani, , .

•6£La formula generale degli alcani

è .

•7£La nomenclatura degli alcani prevede una parte

fissa costituita dalla desinenza e una

parte variabile.

•8£I nomi dei primi quattro termini della serie degli

alcani sono: , etano, ,

.

•9£I nomi dei termini successivi indicano il numero di

atomi di presenti nella molecola.

•10£La sequenza dei componenti di una famiglia di

sostanze organiche prende il nome di

.

•11£Se ad un alcano viene tolto un atomo di idrogeno

si ottiene una specie chimica detta radicale .

•12£I radicali sono gruppi atomici che contengono un

atomo con una configurazione elettronica .

Questa condizione conferisce ai radicali una

reattività chimica.

•13£Nella denominazione dei radicali degli alcani, al

suffisso viene sostituito il suffisso

.

•14£La formula fornisce soltanto la

composizione atomica elementare della molecola.

•15£Il maggiore numero di informazioni si ricava

dalla formula di .

•16£L’isomeria consiste nell’esistenza di più formule

di a partire da una stessa formula

.

•17£Le sostanze che manifestano il fenomeno del-

l’isomeria sono dette e sono sostanze

a tutti gli effetti.

•18£I legami delle molecole degli alcani sono cova-

lenti poco polari; ne consegue una reattività

chimica. Questi idrocarburi sono indicati anche con

il nome di , che significa

reattivi.

ugualidiverse

moltopoco

scarsanotevole

fortedebole

completaincompleta

equivalentidiversi

legami covalentilegami ionici

bivalenzatetravalenza

il tuo riassunto

■T5 – La chimica del carbonio458


■ Capitolo 19 – Il carbonio e gli idrocarburi 459

•19£Gli alcheni, denominati anche idrocarburi

sono caratterizzati dalla presenza di un

legame -C=C- nella loro molecola.

•20£La formula generale degli alcheni è .

•21£La nomenclatura degli alcheni consiste nell’uso

della desinenza sulla radice dell’alcano

con numero di atomi di carbonio.

•22£Gli alcheni hanno una forma di isomeria

detta o isomeria

dovuta alla del doppio

legame.

•23£Gli alcheni danno reazioni di e

di .

•24£Gli alchini sono idrocarburi nella cui molecola è

presente un legame covalente.

•25£La formula generale degli alchini è .

•26£Il è l’idrocarburo di riferi-

mento dei composti aromatici.

•27£Il problema della struttura del benzene fu

risolto dal chimico tedesco che

ipotizzò una struttura , di forma

.

•28£Il comportamento chimico del benzene si

giustifica con la presenza, nella sua molecola, di legami

semplici e alternati tra gli atomi

di .

•29£La molecola del benzene è un

di risonanza fra due limite; questa

proprietà rende la molecola del benzene particolar-

mente .

•30£Le principali reazioni di sostituzione del ben-

zene sono: alogenazione, di Friedel e

Crafts, nitrazione e .

stabileinstabile

linearechiusa ad anello

flessibilitàrigidità

lo stessola metà del


■ Capitolo 20 – Le famiglie dei composti organici 481

La costruzione delle catene proteiche avviene attraverso un processo di conden-sazione fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di unaltro amminoacido.

H N C C OH

H N O

R

amminoacido

H N C C N C C OH + H2O

H H O H H O

R R

H N C C OH

H N O

R

amminoacido

H N C C OH

H N O

R

amminoacido

condensazione condensazione

Possiamo notare che, in questo modo, ad una estre-mità della catena si trova un gruppo amminico e all’altraun gruppo carbossilico; questa condizione consente laformazione dei polimeri chiamati proteine.

Il legame peptidico può essere così schematizzato:

Le proteine meritano una particolare attenzione perle diverse funzioni che ricoprono nel metabolismo degliesseri viventi e nella loro stessa esistenza.

Le proteine strutturali svolgono funzioni di tipomeccanico e sono presenti soprattutto nei tessuti con-

nettivi, ad esempio il tessuto osseo e la pelle. Le proteine enzimatiche, che svol-gono la funzione di catalizzatori biologici, sono fondamentali in molti processi delmetabolismo cellulare, ad esempio nella respirazione cellulare.

Le proteine chiamate anticorpi svolgono una funzione immunitaria, vale a diredifendono l’organismo dagli attacchi di agenti patogeni di diversa natura. L’esem-pio più significativo di proteine di trasporto, infine, è rappresentato sicuramentedall’emoglobina, molecola responsabile del trasporto dell’ossigeno dai polmoni aidiversi tessuti del corpo, e dell’anidride carbonica dai tessuti ai polmoni.

C N

O

H

Cristalli proteici fatti crescere all’interno delle sta-zioni spaziali russe e americane, fotografati sottoluce polarizzata; l’assenza di gravità consente di ot-tenere dei cristalli più grandi e più facili da studiare.

Proteine nello spazio

Il legame che unisce due amminoacidi èdetto legame peptidico.

La respirazionecellulare


litio

beri

llio

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io

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