La tavola periodica degli elementi ‌ rari
LA CHIMICA
“cangianti” “acquose”
ha un suo
studia
“In caduta”
uniti da
da
TAVOLA PERIODICA
ELEMENTI
LEGAMI
n co
formano
i
MODELLI
SAGGI ALLA FIAMMA
COMPOSTI
SOSTANZE TOSSICHE
presenti in
ALIMENTI
“effervescenti”
s de
itti r c
ATOMI
ili c ib os on
“a scoppio”
REAZIONI CHIMICHE
ric
“fredde”
classificati nella
FARMACI
“calorose”
LINGUAGGIO
La chimica nell’antichità Gli egizi e i fenici conoscevano le tecniche per fondere i metalli, fabbricare il vetro e
per
ottenere i coloranti, unguenti. Gli studiosi greci, invece, si interessarono alla struttura della materia:, e riuscirono a isolare elementi come l’arsenico e il fosforo, a preparare acido cloridrico, solforico e nitrico. Empedocle e Aristotele formularono la teoria dei 4 elementi fondamentali: acqua, aria, terra e fuoco che mescolandosi opportunamente formano tutte le sostanze Democrito intuì che la materia fosse costituita da atomi che si muovono e si combinano dando origine a tutte le cose, anche all’anima dell’uomo. Gli arabi, invece, erano alla ricerca di un elisir di lunga vita e della pietra filosofale, da qui il nome di alchimia (dall’arabo al- kimia = pietra filosofale), che secondo loro aveva la capacità di trasmutare i metalli “vili” cioè poveri in oro. Questa ricerca continuò durante tutto il Medioevo ma invece di trovare la pietra filosofale gli alchimisti appresero ,senza volerlo, molti principi e concetti della chimica moderna. Purtroppo ogni alchimista lavorava per conto proprio per cui c'erano centinaia di nomenclature diverse per gli stessi elementi e accanto a scoperte importantissime si trovavano teorie del tutto errate.
Stahl diede vita alla teoria del “flogisto” secondo la quale le sostanze erano in grado di bruciare e di ossidarsi in quanto possiedono un elemento combustibile detto appunto flogisto. Grazie a questa teoria, sbagliata, sono stati compiuti importanti studi sulla natura e sulle proprietà dei gas Nel 1700 Antoine Lavoisier ha dato l'avvio alla chimica moderna effettuando esperimenti con metodo scientifico. Confutò la teoria del flogisto dimostrando che la combustione avviene solo con l’ossigeno dell’aria, rimise ordine nella confusione delle nomenclature e stabilì dei principi, validi ancora oggi, come la teoria della conservazione dell'energia. Nel 1800, con la Seconda Rivoluzione Industriale, nacque l'industria petrolifera: la chimica aveva così grandissimi risvolti pratici, e con le nuove conoscenze vennero inventati coloranti, plastiche, fertilizzanti, farmaci e detersivi di natura artificiale. Intanto veniva redatta da Mendeelev la tavola periodica degli elementi, in seguito ampliata a più riprese ogni volta che ne venivano scoperti di nuovi. Il secolo seguente vide la nascita di molte nuove branche della chimica: la chimica quantistica, la biochimica, chimica dei polimeri e biologia molecolare.
La materia è formata da particelle submicroscopiche chiamate atomi, formati da: neutroni elettricamente neutri, protoni elettricamente positivi elettroni elettricamente negativi Il numero di protoni è detto numero atomico ed è uguale a quello degli elettroni , per cui le cariche positive e le negative si bilanciano e l'atomo risulta elettricamente neutro. Nel 1963 i fisici Gell-Mann e Zweig hanno proposto la teoria dei quark: particelle ancora piÚ piccole degli atomi.
I modelli atomici
Modello di Thomson
Modello di Rutheford
L’atomo è una sfera fluida carica
L’atomo è come un sistema solare: gli elettroni
positivamente all’interno della quale sono
ruotano attorno ad un nucleo con protoni e
distribuiti gli elettroni, un po’ come “l’uvetta nel
neutroni, come i pianeti ruotano intorno al sole.
panettone”.
La teoria moderna afferma che non è possibile stabilire con precisione la posizione degli elettroni perché sono in continuo movimento in regioni di spazio (orbitali ), simili a gusci concentrici. La loro disposizione, inoltre, non è casuale, devono occupare prima i gusci più interni, maggiormente attratti dal nucleo, e poi via via quelli più lontani: non più di 2 elettroni nel primo guscio, 8 nel secondo e nel terzo.
Ogni sostanza formata da atomi tutti uguali fra loro si dice elemento. In natura ci sono 92 elementi che, corrispondono ad altrettanti tipi di atomi, ai quali vanno aggiunti 20 ottenuti in laboratorio detti artificiali. Consideriamo l’Idrogeno 1H, è l’elemento più semplice perché ha un unico elettrone nel primo orbitale. L’atomo di elio 2He ha due elettroni che si dispongono nel primo orbitale completandolo così l’ He si dice stabile. Le proprietà chimiche degli elementi dipendono proprio dal numero di elettroni nel guscio più esterno: se esso è completo l’elemento è stabile e tende a non legarsi con altri diversi . Se, invece, nel guscio esterno vi sono meno di 8 elettroni allora l’atomo tende a legarsi con altri, cedendo o acquistando elettroni. Il numero di elettroni presenti negli orbitali più esterni determina, quindi, la reattività degli elementi.
Il linguaggio della chimica Il chimico John Berzelius propose, nel 1813, di distinguere gli elementi chimici, con un simbolo formato dalla prima lettera iniziale del suo nome (in caso di nomi uguali si scrive anche la seconda lettera). Alcuni elementi hanno un simbolo molto diverso da quello del loro nome, l'oro è Au, perché è ricavato dal termine latino aurum; quello del rame è Cu, perché gli antichi romani chiamavano il rame cuprum. Insieme al nome è indicato anche il numero atomico.
Per rappresentare invece le molecole si utilizza una formula che indica il tipo e il numero di atomi che formano la molecola: anidride carbonica CO2
acqua = H2 O
glucosio C6 H12 O6
Nel 1870 il russo Mendeleev dopo vari tentativi trovò il sistema giusto per classificare gli elementi. Nella Tavola Periodica gli elementi sono disposti, su righe, in ordine crescente rispetto al numero atomico, sono suddivisi in colonne o gruppi in base a caratteristiche comuni. Le proprietà comuni si ripetono periodicamente all’aumentare del numero atomico per cui le righe vengono chiamate periodi. Il numero del gruppo, espresso in numero romano, corrisponde al numero di elettroni presenti nel guscio più esterno. Gli elementi con numero atomico dal 58 al 71 sono molto rari in natura per cui vengono detti elementi delle terre rare. All'ultimo gruppo appartengono elementi gassosi inerti, detti gas nobili, perché, avendo l’ultimo guscio completo, tendono a non reagire con altri elementi.
Legame ionico Per completare l’ultimo livello un atomo può acquistare o cedere elettroni ma, in questo caso, non sarà più elettricamente neutro. Se cede elettroni avrà un numero maggiore di protoni e diventa ione positivo. Se invece acquista elettroni aumenta la carica negativa e diventa ione negativo. Due ioni di carica opposta si attraggono e si uniscono formando un legame ionico. L’atomo di sodio Na cede l’unico elettrone presente nell’ultimo livello, trasformandosi in Na + mentre il Cl acquistando l’elettrone diventa Cl- e i due ioni si uniscono saldamente formando un legame ionico.
Na
Il sodio diventa ione positivo Na+
Cl
Il cloro diventa ione negativo Cl-
Legame covalente Si stabilisce tra due atomi che condividono alcuni elettroni. Esempi sono la molecola di Idrogeno H2 , formata da due atomi che condividono l’unico elettrone di cui dispongono, (altro esempio è la molecola del Cloro Cl2 ) Questo legame è molto saldo e difficile da spezzare.
La polarità dell'acqua Nella molecola di acqua un atomo di ossigeno condivide un elettrone con ciascuno dei due atomi di idrogeno creando due legami covalenti che permettono a tutti e tre gli atomi di completare il guscio. Gli elettroni condivisi sono, però, più vicini all’ossigeno perché li attrae con più forza rispetto all’idrogeno, la molecola, quindi, presenta un polo negativo in corrispondenza dell'atomo di ossigeno e un polo positivo dalla parte degli atomi di idrogeno. Si ha, cioè, un legame covalente polare che permette all’acqua di sciogliere altre sostanze che hanno molecole polari come il sale, lo zucchero ma non quelle apolari come l’olio.
L’ossigeno è un gas abbondante nell’atmosfera e reagisce le sostanze esposte all’aria formando ossidi.
Metallo
Ossigeno
OSSIDO BASICO
Non metallo
OSSIDO ACIDO o ANIDRIDE
Sono ossidazioni la ruggine che si forma dalla reazione del ferro di un cancello con l’aria e l’acqua, la patina scura che si forma dalla reazione dell’argento con l’ossigeno. Le ossidazioni alterano anche gli alimenti: la mela esposta all’aria diventa scura e cambia sapore, il burro irrancidisce e diventa sgradevole. 2Mg + O2 = 2MgO
S + O2= SO2
Magnesio + ossigeno = ossido di magnesio
Zolfo + ossigeno = anidride solforosa
2Cu + O2 = 2CuO
C + O2 = CO2
Rame + ossigeno = ossido di rame
Carbonio + ossigeno = anidride carbonica
Acqua
Ossido
BASE
CaO + H2 O = Ca(OH)2 Ossido di calcio + acqua = idrossido di calce
Na2 O + H2O = 2NaOH Ossido di sodio + acqua = idrossido di sodio
Le basi, dal gusto saponoso e amarognolo, sono meno corrosive degli acidi ma devono essere maneggiate con molta cautela, perché spesso sono aggressive, attaccano i metalli e danneggiano i tessuti del nostro organismo.
Basi deboli sono il bicarbonato impiegato per curare l’acidità di stomaco perché neutralizza l’acidità, e, in certi dentifrici, per prevenire la carie, infatti i batteri della carie non lavorano bene nell’ambiente basico del bicarbonato. L’idrossido di potassio viene usato per la produzione di saponi.
Basi forti sono l’idrossido di sodio,detto anche soda caustica proprio perché brucia ciò che tocca, è componente di pulitori di forni e per sgorgare i lavandini. L’idrossido di ammonio, venduto impropriamente come ammoniaca viene usato nelle pulizie domestiche.
Acqua
Anidride
ACIDO
SO2 + H2O = H2SO3 Anidride solforosa + acqua = acido solforoso
Acidi forti: l’acido solforico, noto anche come vetriolo, viene utilizzato per le batterie delle auto, pile,
Acidi deboli: l’acido citrico degli agrumi,
esplosivi, fertilizzanti, è molto tossico e non bisogna
l’acido acetico dell’aceto, l’acido ascorbico
toccarlo. E’ velenosissimo anche l’ acido cloridrico,
detto anche vitamina C della frutta e della
impiegato nella fabbricazione di gomme e materie
verdura, l’acido folico detto anche vitamina B9,
plastiche, che viene venduto diluito come acido
l’acido lattico del latte, l’acido fosforico è
muriatico per le pulizie domestiche. L‘acido nitrico è
presente nelle bevande gasate e le rende
usato per fabbricare esplosivi (nitroglicerina),
acidule. L’acido fosforico è usato per produrre
fertilizzanti azotati e coloranti. Sono fortemente
detersivi e fertilizzanti.
corrosivi, intaccano qualsiasi tipo di materiale tranne il vetro e la plastica.
Acidi e basi si neutralizzano: infatti se versiamo l’aceto in un po’ d’acqua rendiamo la soluzione acida, se vi aggiungiamo il bicarbonato la soluzione diventa sempre meno acida. Se sciogliamo una base forte come l’idrossido di sodio con un acido forte come l’acido cloridrico si ottiene il cloruro di sodio, il sale da cucina, e acqua. Sono sali il solfato di calcio, contenuto nel gesso con il quale scriviamo alla lavagna, l’ipoclorito di sodio cioè la candeggina, il carbonato di calcio che forma le incrostazioni calcaree e le conchiglie.
BASE
ACIDO
sale + acqua HCl + NaOH = NaCl + H2O Acido cloridrico + idrossido di sodio = cloruro di sodio + acqua
saggi alla fiamma
as
A contatto con la fiamma alcune sostanze si decompongono e gli elementi metallici che vi sono presenti danno alla fiamma un colore caratteristico
La chimica negli alimenti L'Idrogeno è contenuto in tanti composti e nell'acqua che costituisce il 60% della massa corporea. È presente nell’ acqua e nei composti organici e organismi viventi Il Sodio è importante per il bilanciamento dell'acqua nell'organismo e per il funzionamento del sistema nervoso. Per evitare problemi di pressione è bene non superare la dose quotidiana di 3 g.
Il Ferro, presente nell'emoglobina, permette il trasporto dell'ossigeno nel sangue. E' contenuto nella carne nel pesce e negli ortaggi a foglia verde. La sua carenza causa l’anemia.
L'azoto è costituente fondamentale delle molecole organiche più importanti (DNA, proteine, vitamine)
Il Potassio stimola le cellule nervose, favorisce le funzioni cardiache. E' presente nella frutta negli spinaci, nelle carote, nelle noci americane. Il Carbonio si trova nei carboidrati, nelle proteine e nei grassi.
Lo Iodio è importante per il buon funzionamento della tiroide. E' presente soprattutto nel pesce di mare.
Il calcio da cui dipende la salute dei
Il fosforo partecipa alla crescita dello
denti e delle ossa, il funzionamento
scheletro e interviene nei processi
del cuore, dei muscoli e dei nervi.
chimici del sangue. Si trova nella
Si trova nel latte, nelle noci, nelle
carne, nel pesce, nella maggior parte
nocciole, nei fagioli, nei piselli e
dei legumi, nei cereali integrali e nel
nelle verdure a foglia.
tuorlo d’uovo
Il magnesio, presente nelle ossa, nei tessuti muscolari, nel cuore e nei tessuti nervosi . Si trova negli ortaggi, nella frutta secca, e in tutti i tipi di semi.
Il selenio è un minerale antiossidante che aiuta a conservare l’elasticità dei tessuti e a ritardare il processo d’invecchiamento. Si trova nel tonno, nelle aringhe, nel lievito di birra, nel germe di grano nei broccoli nelle cipolle e nei pomodori.
Lo sport, le diete Chi pratica usualmente sport di resistenza come la corsa lenta, il tennis o il calcio può incorrere in carenza di magnesio: il minerale, infatti, tende a perdersi con la sudorazione, provocando potenziali disturbi legati alla carenza di magnesio a livello dei muscoli. Negli sportivi, il deficit di magnesio comporta diversi sintomi: da disturbi leggeri, come i crampi, fino a veri e propri dolori muscolari (mialgie) e a una riduzione della resistenza allo sforzo. L’integrazione preventiva con magnesio o comunque la somministrazione del minerale è in grado di ridurre i rischi e soprattutto di bloccare il danno muscolare riducendo l’insorgenza di dolore. Ogni giorno la tv ci parla di atleti trovati positivi al doping: si parla di doping per ciclisti, calciatori, maratoneti, body builder... insomma per la maggior parte degli atleti. Doping è l‘ abuso di sostanze o medicinali con lo scopo di aumentare artificialmente il rendimento fisico e le prestazioni dell'atleta. Il ricorso al doping è un'infrazione dell'etica dello sport. Le anfetamine, non vengono usate solo per gli atleti ma anche nelle diete dimagranti pur sapendo che si corrono seri rischi per la salute: hanno, infatti, un effetto anoressizzante, ovvero provocano un calo dell'appetito, provocano un'accelerazione del ritmo cardiaco e respiratorio, un'alterazione del ritmo sonno-sveglia e un’ansia incontrollabile che sfociano, nei casi più gravi, in infarti o malattie cardiache.
Chi li conosce … li evita Il Mercurio è velenoso e può causare danni gravi al cervello e al sistema nervoso. E' impiegato in processi industriali.
L’ammoniaca, viene venduta in bottiglie di plastica. Ha un pessimo odore, è volatile. viene utilizzata per sgrassare e smacchiare. I suoi vapori sono molto pericolosi per occhi e mucose dell’app. respiratorio. E’ contenuta in piccole quantità nei prodotti per la pulizia dei vetri perché evapora senza lasciare aloni. Può provocare ustioni alla pelle.
Piombo: può causare danni agli organi
Ipoclorito di sodio è la sostanza attiva della candeggina utilizzata per sbiancare e smacchiare. Se ingerita è velenosa danneggia occhi e apparato respiratorio perché reagendo con altri prodotti genera il cloro
Cloro: gas velenoso di colore giallo verde, usato in piccole dosi serve per disinfettare l’acqua potabile L'Arsenico è un potente veleno usato nei pesticidi e in prodotti industriali. Il Fluoro, usato in piccole dosi aiuta a prevenire la carie, ma è un gas molto tossico. L’acido muriatico è il nome commerciale dell’ acido cloridrico serve per togliere incrostazioni resistenti, è corrosivo, provoca gravi ustioni e i vapori producono danni gravissimi alle mucose, danneggiano gli occhi sino alla cecità. Oggi è sostituito da prodotti meno pericolosi
L’acqua ossigenata è un liquido viscoso azzurrognolo, è tossico se ingerito e viene venduto in soluzione molto diluita. Impiegata per disinfettare perché uccide batteri, virus, funghi.
Reagire o non reagire … La reazione chimica è un processo in cui due o più sostanze, dette reagenti, si trasformano in sostanze dette prodotti con caratteristiche diverse dai reagenti. Una reazione chimica può presentare le seguenti caratteristiche: •Cambiamento di colore •Formazione di un solido o di un gas •Liberazione di calore o assorbimento di energia (reazioni esotermiche o endotermiche) Le reazioni non avvengono solo in laboratorio ma anche in natura come: la fotosintesi clorofilliana, la respirazione, la digestione, la formazione della ruggine, la produzione di birra e vino… Le reazioni chimiche non sono fenomeni magici perché le sostanze né spariscono né si formano dal nulla ma rispettano leggi fondamentali come quella di Lavoisier della conservazione della materia:
La massa dei reagenti è uguale alla massa dei prodotti
Le reazioni vengono descritte da un’equazione chimica nella quale bisogna avere lo stesso numero di atomi di reagenti e di prodotti, occorre cioè bilanciarla. questo bisogna modificare i coefficienti numerici che indicano il numero di atomi presenti nella reazione.
Bilanciamo un’equazione Ad es. la formazione di ossido di calcio Ca + O2 = CaO Innanzitutto si bilancia l’ossigeno nell’ossido Ca + O2 = 2CaO Adesso si bilancia il Ca a sinistra 2Ca + O2 = 2CaO E ora
impariamo giocando
Per
La reazione … acquosa Una semplice e quotidiana reazione chimica avviene quando l’idrogeno gassoso si combina con l’ossigeno gassoso per formare il composto acqua. Due molecole di idrogeno reagiscono con una molecola di ossigeno per produrre due molecole di acqua. La struttura chimica dell’acqua rimane invariata anche se è presente in natura nei tre stati: solido, liquido e gassoso.
Reazioni … effervescenti
Versando dell’aceto in una provetta, contenente un cucchiaino di bicarbonato, si notano delle bollicine: è diossido di carbonio. Infatti avvicinando una fiammella questa si spegne.
Versando un po’ di acido solforico in una provetta, contenente un pezzetto di magnesio, si forma subito un’effervescenza.
L’uvetta in acqua, aceto e bicarbonato si diverte a danzare
Reazioni … cangianti
Provetta con acqua: aggiungendo la tintura di iodio questa rimane del suo colore giallo bruno
Provetta con farina: aggiungendo la tintura di iodio questa diventa di colore blu
L’albume da incolore diventa bianco quando si cuoce, la mela esposta all’aria diventa scura, il tè con il limone cambia colore
Scaldare su un vetrino da orologio prima un po’ di sale, poi un po’ di zucchero. Nel sale non accade niente. Nello zucchero prima si formano bolle, poi fonde e cambia colore. Alla fine lo zucchero scompare e rimane una sostanza nera: il carbone.
Reazioni ‌ in caduta libera In una provetta vengono mescolate due soluzioni incolori: una di nitrato di piombo e una di acido solforico. Si forma immediatamente un precipitato bianco che è il solfato di piombo.
In una provetta vengono mescolate una soluzione di nitrato di piombo (incolore) e una di cromato di potassio (gialla). Si forma immediatamente un precipitato giallo che è il cromato di piombo.
In una provetta vengono mescolate due soluzioni incolori: una di nitrato di piombo e una di acido cloridrico. Si forma immediatamente un precipitato bianco: il cloruro di piombo.
La reazione con precipitati è stata utilizzata con le prime macchine fotografiche. L’immagine si fissava sulle lastre fotografiche, grazie alla reazione tra cloruro di sodio e nitrato di argento, dalla quale si formava cloruro di argento che, in soluzione acquosa, precipitava sul foglio.
Reazione ‌ a scoppio
Detonazione dell’idrogeno ottenuto da una reazione tra alluminio e acido cloridrico.
Reazioni ‌ calorose
Versando un po’ di aceto solforico, in un bicchiere contenente un cucchiaino di bicarbonato , si ottiene una reazione esotermica perchÊ libera calore e, quindi, la temperatura aumenta rapidamente.
Se bruciamo un pezzetto di magnesio si ha una reazione esotermica con un lampo .
Reazioni … fredde In un bicchiere, con un cucchiaio di bicarbonato in polvere, versare due o tre cucchiai di aceto. E’ una reazione endotermica perché assorbe calore, infatti la temperatura diminuisce velocemente.
Reazioni … sporcaccioni I composti, come gli ossidi di azoto, l’anidride solforosa, che si producono dalla combustione del carbone, del petrolio e derivati salendo nell’atmosfera subiscono trasformazioni e reagiscono con l’acqua formando sostanze come l’ acido solforico, l’acido nitrico che si sciolgono nelle piogge acidificandola. Le piogge acide, alterando il terreno e le acque sono la causa della defogliazione delle foreste, i danni alla fauna dei laghi e dei fiumi e della corrosione dei monumenti e delle statue. Non meno importanti sono i danni all’apparato respiratorio.
C O2
O2
C6 H12 O
ATP
La fotosintesi è una complessa
Nella respirazione viene inspirata aria
sequenza di reazioni chimiche che
ricca di ossigeno, nei mitocondri
permette alle piante di utilizzare
l’ossigeno reagisce con il glucosio
l’energia solare per produrre glucosio
permettendo la produzione di ATP.
e ossigeno.