materia composizione -...

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Classificazione della materiaClassificazione della materia

MATERIAspaziomassa

ComposizioneStrutturaProprietà

Trasformazioni

3 STATI DI AGGREGAZIONE

SOLIDO (Volume e forma propri)LIQUIDO (Volume definito e forma indefinita)GASSOSO (Volume e forma indefiniti)

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PASSAGGI DI STATO

Stato solido Stato liquido Stato gassoso

brinamento

sublimazione

fusione evaporazione

solidificazione

liquefazione

condensazione

endotermiciesotermici

3


4


Miscele omogenee o soluzioni

Hanno la stessa composizione� liquide (es. acqua di mare)� gassose (es. aria)� solide (es. ottone)

Miscele eterogenee

Hanno diversa composizione nelle varie parti (fasi; es. granito)

Separazione componenti miscele

Miscele omogenee ed eterogenee

Composti

Metodi fisiciMetodi fisici

(distillazione, filtrazione, etc.)(distillazione, filtrazione, etc.)CompostiComposti

Metodi chimiciMetodi chimici

(elettrolisi, etc.)(elettrolisi, etc.)ElementiElementi

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Metodi fisici:: Metodi chimici

Separazioni componenti miscele / Separazione elementi

Distillazione Elettrolisi

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Elemento

Sostanza (o sostanza elementare) costituita da atomi aventi tutti lo stesso numero atomico (numero dei protoni presenti nel nucleo).Ogni elemento è definito da un Nome e da un Simbolo Chimico

(internazionale).La maggior parte degli elementi è presente in natura in tracce; i 13

elementi più abbondanti costituiscono il 98% della massa della crosta terrestre.

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Oltre il 98% della massa della crosta terrestre Oltre il 98% della massa della crosta terrestre èè costituita dai costituita dai

seguenti 13 elementiseguenti 13 elementi

• Ossigeno (O) 46,1

• Silicio (Si) 25,7

• Alluminio (Al) 7,51

• Ferro (Fe) 4,70

• Calcio (Ca) 3,99

• Sodio (Na) 2,64

• Potassio (K) 2,40

• Magnesio (Mg) 1,94

• Cloro (Cl) 1,88

• Idrogeno (H) 0.88

• Titanio (Ti) 0,580

• Fosforo (P) 0,120

• Carbonio (C) 0,087

% in massa

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Composti

Sostanza a composizione costante costituita da due o più elementi(es. H2O, H: 11,9% O: 88,81%)


Le proprietà chimico-fisiche delle sostanze elementari e dei composti dipendono:

1) Tipo di legame (C (diamante)*; C (grafite)**);

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2) Natura elementi (NaCl, KCl);

3) Modo in cui gli atomi sono legati reciprocamente(isomeria: es. CH3CH2OH, CH3OCH3).

CH3CH2OH CH3OCH3

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Struttura atomica della materiaStruttura atomica della materia

ATOMO: particella neutra a forma sferica estremamente piccola

Atomo

ra≈ 10-8 cm

elettroni

(e-)nucleo

(rnucl≈ 10-12-10-13 cm)

protoni(p+)

neutroni(n)

quarks quarks

ra/rnucl ≈ 10.000

La MATERIA è costituita da particelle estremamente piccole: gli ATOMI

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LL’’atomoatomo

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Struttura atomica Struttura atomica -- Le particelle fondamentaliLe particelle fondamentali

Particella Massa Carica

simbolo SI (g) uma SI (C) u.c.atom.

e- 9.109 · 10-28 5,486 · 10-4 -1.602 ·10-19 -1

p+ 1.673 · 10-24 1,0073 +1.602 ·10-19 +1 n 1.675 · 10-24 1,0087 0 0

unità di carica atomica = carica dell’elettrone = 1.602·10-19 Cunità di massa atomica = 1/12 massa 12C = 1.6606 · 10-24 g

massa protone = 1836 volte massa elettrone

Nel NUCLEO è concentrata la maggior parte della MASSA dell’atomo

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La struttura del nucleo atomicoLa struttura del nucleo atomico

Numero atomico (ZNumero atomico (Z) = numero protoni (uguale al numero degli elettroni essendo gli atomi particelle neutri).

ProtoniNeutroni

Nucleoni

Atomi con uguale numero atomico Z sono classificati come atomi dello stesso elemento e identificati dallo stesso simbolo chimico

Carica nucleare = + Z Carica nucleare = + Z (in unità di carica atomica)

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XA

Z

La struttura del nucleo atomico La struttura del nucleo atomico -- Nuclidi e isotopiNuclidi e isotopi

Numero di massa (A)Numero di massa (A) = numero protoni + numero neutroni

A - Z = numero dei neutroni

Nuclide: Nuclide: specie atomica definita in modo univoco da un numero atomico e da un numero di massa

Per indicare un definito nuclide occorre specificare:- simbolo dell’elemento- Z (in basso a sinistra)- A (in alto a sinistra)

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IsotopiIsotopi

nuclidi di uno stesso elemento (con uguale numero atomico Z) aventi diverso numero di massa A (isos topos = stesso posto)

C14

C12

C13C6


N Z = 7 A = 14 A-Z = 7 7 p+, 7 e-, 7 n; carica nucleare: +7

147

IsobariIsobari

nuclidi con diverso numero atomico Z ma con uguale numero di massa A(isos baros = stesso peso) Fe54

26 Cr54

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Nuclide dellNuclide dell’’azotoazoto

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Eccezioni:

H2 p.f. 13,96 K p.e. 20,4 K

D2 p.f. 18,73 K p.e. 23,7 K

T2 p.f. 20,62 K p.e. 25,0 K

Le proprietà chimiche e chimico-fisiche dipendono dal numero di elettroni (e quindi da Z)

Diversi isotopi di uno stesso elemento hanno uguali proprietàchimiche e chimico-fisiche


C14

C12

C13C6

H = T3

2

H = H1 1

H = D1

1

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Gli elementi in natura sono costituiti da miscele di isotopi concomposizione costante

Neon-20 ( 20

Ne10

) Neon-21 (10

Ne21

10) Neon-22 (

22Ne)

90.51% 0.27% 9.22%

Massa

Inte

nsità

del s

egna

le

Spettro di massa del Neon

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Determinazione delle masse atomiche assoluteDeterminazione delle masse atomiche assolute

Spettrometria di massaSpettrometria di massa

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Massa campione per le masse atomicheMassa campione per le masse atomiche

• La massa campione è definita come la dodicesima partedella massa del carbonio-dodici (12C).

• Il peso atomico di un atomo viene definito come il rapportotra la massa dell’atomo considerato ed un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio-dodici.

• Quindi in base a questa definizione i pesi atomici, essendo calcolati come rapporti tra masse, sono grandezze adimensionali.

• Considerato che la massa di un atomo di carbonio-12 corrisponde a 19,92·10-24 g, la massa campione corrisponde a:

g10660,112

g1092,19 2424

−

−

⋅=⋅

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Peso atomico naturalePeso atomico naturale

• Dalla tavola periodica vediamo che per il sodio il valore del peso atomico corrisponde a 22,98977. Questo significa che la massa di un atomo di sodio corrisponde a 22,98977 la massa campione (il sodio è presente in natura sotto forma di un singolo nuclide).

• In generale, gli elementi si presentano costituiti da miscele di isotopi (oltre l’80%). Quindi nel calcolo del peso atomico naturale di un elemento si deve tenere conto sia della massa dei singoli isotopi sia della loro abbondanza relativa; in altre parole, si calcola una media ponderata.

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Calcolo del peso atomico naturale del carbonioCalcolo del peso atomico naturale del carbonio

In natura il carbonio è costituito per il 98,89% di atomi di 12C e per l’1,11% si atomi di 13C; in realtà è presente anche il 14C ma la sua concentrazione è bassissima e quindi trascurabile in questo tipo di calcolo.

C126

6C

C136

98,89%

1,11%

I pesi atomici dei due isotopi calcolati sempre facendo riferimento alla massa campione sono:

12C peso atomico = 12

13C peso atomico = 13,0034

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Peso atomico naturale del carbonioPeso atomico naturale del carbonio

0111,12100

11,10034,1389,9812PA C =

⋅+⋅=

Usando questi dati il peso atomico naturale viene calcolato nel seguente modo:

Questo è il valore riportato sulla tavola periodica ed è quello che viene usato per i calcoli stechiometrici nonostante che in natura non sia presente un solo atomo con questa massa effettiva.

Così facendo, usando il concetto di mole, saremo in grado di “contare” gli atomi di carbonio naturale per mezzo di semplici pesate.

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Massa molecolare (peso molecolare)Massa molecolare (peso molecolare)

Molecole (aggregati poliatomici)�

massa molecolare�

somma delle masse atomiche degli atomi presenti in una sua molecola

MC2H6O = 2 MC + 6 MH + MO =

= 2 x 12,011 + 6 x 1,0079 + 15,999 = 46,068

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MoleMole

Le reazioni chimiche osservabili sperimentalmente coinvolgono unnumero enorme di atomi, molecole o ioni. È conveniente definire una nuova grandezza che rappresenta un numero grande e fisso di particelle e comparabile alle quantitàutilizzate in un esperimento reale.

Mole (mol)Quantità di sostanza che contiene tante entità elementari (atomi, ioni, molecole, ecc.) quanti sono gli atomi di 12C contenuti in 12 g esatti di 12C.

Numero di AvogadroNA = 6.022·1023 mol-1

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MoleMole

n° atomi 12C in 1 mole = 6,022 1023 mol-1

Catomo 1 di massaCmole 1 di massa

mole 1in Catomi n12

1212

=°

g 101,660612mol g 0000,12

mole 1in Catomi n24-

-112

⋅⋅

⋅=°

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MoleMole

pa Ca = 40,08

34,312

08,40Cdi atomoun di Peso

Ca di atomoun di Peso12

==

34,3Cdi atomi N di Peso

Ca di atomi N di Peso12

A

A=

34,3(g) 12(g)x

= g 40,0812 3,34 (g)x =⋅=

12 (g)

x(g)

Quindi NA atomi di Ca (1 mole) pesano 40,08 g

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Massa molare�

massa (g) di 1 mole di qualsiasi sostanza (g · mol-1)

La massa molare è numericamente uguale alla massa atomica o alla massa molecolare.

Massa molare (di un elemento o di un composto)Massa molare (di un elemento o di un composto)

Calcolo massa molare di H2O (MH2O)

MH2O = n° molecole H2O in 1mole × massa di una molecola H2O

MH2O = 6.022 1023 mol-1 × 1.660610-24 g × 18,02 = 18,02 g mol-1

n (mol) =m (g)

M (g mol-1)

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Stessa massaDiverso numero di moli

Diversa massaUguale numero

di moli

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n = 1 mole

180 g di glucosio

46 g di alcol etilico

18 g di acqua

342 g di saccarosio

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Volume molare�

Volume (l) occupato da 1 mole di gas in determinate condizioni di T e P

Vm (l·mol-1)

In condizioni normali (c.n.) 0°C, 1 atm

Vm (c.n.) = 22,414 l·mol-1

Volume molareVolume molare

n (mol) =V(c.n.) (l)

Vm (c.n.) (l mol-1)

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Una MOLE di sostanza corrisponde a:

Una MASSA in g pari al p.a., PM, PF di una

sostanza

Un VOLUME in L pari a 22.414 di sostanza gassosa in condizioni

normali

Un NUMERO di entitàelementari di sostanza

pari a 6.022 x 1023

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m (g) sostanza

M (g mol-1)

corrispondono a n (mol) di sostanza

V (L) sostanza a c.n.

Vm (L mol-1) a c. n.

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Struttura atomica Struttura atomica -- Le dimensioni degli atomiLe dimensioni degli atomi

Esempio: RAME (Cu)

Densità δ = 8.96 g/cm3 (20°C)Massa molare M = 63.546 g/mol

Volume molare Vm = M/δ = 63.546 (g/mol) / 8.96 (g/cm3) = = 7.09 cm3/mol

Volume atomico Vat = Vm/NA = 7.09 (cm3/mol) / 6.022×1023(mol-1)

= 1.18×10-23 (cm3)

Atomo = Sfera

rat = (Vm3/4π)1/3 = 1.41×10-8 cm = 1.41 Å (1 Å = 10-8 cm)

Valore sperimentale: rat = 1.20 Å

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Struttura atomica Struttura atomica -- Le dimensioni degli atomiLe dimensioni degli atomi

Esempio: Rame (Cu), Ferro (Fe), ...

Raggio nucleare

Valore sperimentale: rnucl ≈ 10-4 Å

rat/rnucl ≈ 10000

≈ 1 cm

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