Q.
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LE D IC OMA 2/1 A LIM NDE &L DE AB LL
Scopri uno stimolante ambiente virtuale e interattivo da esplorare dal tuo computer o su Lim: animazioni, video, testi, percorsi in power point e file audio per studiare, ripassare, fare esperimenti, approfondire e mettere alla prova le tue competenze in chimica.
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ALBERTO DAZZI
Le domande della chimica Lim&Lab
Corso interattivo di chimica generale e organica
Lim&Lab
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MAURIZIO ARTONI
Le domande della chimica
POCHI SEMPLICI PASSI PER ACCEDERE PER LA PRIMA VOLTA AI CONTENUTI ON LINE DI QUESTO LIBRO
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2/1
IM CH
Questo volume sprovvisto del talloncino a fronte (o altrimenti contrassegnato) è da considerarsi copia SAGGIO – 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 da bolla di accompagnamento (D.P.R. 6-10-1978 n. 627, art. 4 n. 6)
M. ARTONI A. DAZZI
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LE DOMANDE DELLA CHIMICA LIM&LAB + QUADERNO DI LABORATORIO
Vol 1 di 2 venduti insieme
libro
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PRINCIPATO
RICERCA E DIDATTICA DELLE SCIENZE PER LA SCUOLA ITALIANA
INTERVISTA AGLI AUTORI
Come viene facilitato l’apprendimento dei contenuti?
Definizioni delle parole chiave, frasi significative in evidenza, dimostrazioni “passo a passo” e numerosi esercizi guidati facilitano la lettura del testo e la memorizzazione dei contenuti. Per verificare il loro livello di apprendimento gli studenti hanno a disposizione problemi, esercizi e test sia nel volume che on line.
L
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ON l i n e
Qual è il rapporto dell’opera con le nuove tecnologie?
Il marchio LibrONline indica che Le domande della chimica COMPACT fa parte della nuova generazione di testi scolastici che possiedono le caratteristiche tecnologiche previste dalle recenti circolari ministeriali. Il testo cartaceo si integra con diversi tipi di materiali on line da usare con computer o lavagna interattiva : video e animazioni che facilitano la comprensione dei contenuti,testi in formato pdf per l’approfondimento dei contenuti, pagine interattive e percorsi in power point utili per il ripasso e la preparazione alle verfiche, file audio mp3 scaricabili.
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■ Intervista agli autori
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17-01-2011
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MAURIZIO ARTONI
ALBERTO DAZZI
Le domande della chimica Lim&Lab
Corso interattivo di chimica generale e organica
PRINCIPATO
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Direzione editoriale: Franco Menin Redazione: Marinella Torri Progetto grafico e copertina: Roberto Ducci Collaborazione redazionale e ricerca iconografica: Fabio Beninati Illustrazione 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.
Le domande della chimica Lim&Lab + Quaderno di laboratorio Le domande della chimica Lim&Lab
ISBN 978-88-416-5828-4 ISBN 978-88-416-5829-1 Prima edizione: Gennaio 2011 Ristampe 2016 2015 VI
V
2014 IV
2013
2012
III
2011
II
I
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Printed in Italy © 2011 – Proprietà letteraria riservata. È vietata la riproduzione, anche parziale, con qualsiasi mezzo effettuata, compresa la fotocopia, anche ad uso interno o didattico, non autorizzata. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento 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 diverso da quello personale, possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, corso di Porta Romana 108, 20122 Milano, e-mail segreteria@aidro.org e sito web www.aidro.org.
Casa Editrice G. Principato S.p.A http://www.principato.it Via Fauché 10 – 20154 Milano e-mail: info@principato.it Impaginazione: AG-Media – Milano Stampa: STIAV srl – Calenzano (FI)
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LE DOMANDE DELLA CHIMICA LIM&LAB: PERCHÉ QUESTO TITOLO?
testo è stato realizzato per rispondere alle Questo molteplici esigenze degli studenti e dei docenti che vogliono sfruttare approcci diversi ai contenuti della disciplina, sia teorici sia laboratoriali. La chimica ha spesso la fama di essere difficile, astratta e lontana dalla realtà di tutti i giorni: per queste ragioni l’opera propone un approccio il più possibile motivante e coinvolgente, attraverso l’uso di un linguaggio chiaro e scientificamente corretto, un ricco apparato didattico e una serie di rubriche che analizzano dal punto di vista della chimica oggetti e fenomeni con i quali possiamo tutti avere a che fare nella vita quotidiana. Maurizio Artoni vive e lavora a Parma dove, da oltre vent’anni, insegna chimica in un liceo scientifico. È autore di articoli di storia della scienza e collabora con l’Università di Parma per il progetto IDEA.
Alberto Dazzi svolge l’attività di insegnante dal 1976. Ha insegnato per circa quindici anni nei Corsi Sperimentali di Scuola media per Lavoratori e attualmente è docente di chimica in un istituto tecnico industriale.
L’uso di computer e lavagne interattive multimediali è entrato nella pratica didattica di ogni disciplina, compresa la chimica. Le domande della chimica Lim&Lab ha tutte le caratteristiche di “libro misto” perché i contenuti della chimica, presentati nel volume cartaceo, vengono ulteriormente illustrati e approfonditi da animazioni, video, oggetti interattivi e documenti in formato pdf offerti on line sul sito www.principato.it . Il testo risponde alle esigenze degli istituti per i quali la Riforma prevede ore di attività di laboratorio. Sono disponibili online videoesperimenti e proposte di attività sperimentali in formato pdf utilizzabili in laboratorio. La proposta si completa col Quaderno di laboratorio che offre un’ampia selezione di esperimenti relativi a ciascuno dei capitoli del volume.
rimanda a un filmato, a un video o animazione
rimanda a un file in formato PDF (Acrobat) ■ Presentazione
3
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jUn approccio alla
chimica motivante e coinvolgente Fotografie suggestive e disegni accattivanti ti aprono la strada alla conoscenza della chimica.
jLa chimica nella vita quotidiana, in natura e nella storia delle scienze
La chimica entra in cucina e svela i segreti dei cibi che trovi a tavola ogni giorno.
Biografie, ritratti e documenti dell’epoca raccontano la chimica attraverso le vite degli scienziati.
j La chimica facile da imparare
Definizioni delle parole chiave e frasi significative in evidenza favoriscono la memorizzazione dei contenuti. 4
Dimostrazioni “passo a passo� ed esercizi guidati facilitano la comprensione degli argomenti.
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LE DOMANDE DELLA CHIMICA LIM&LAB
Domande stimolo costruite attorno a un’immagine ti permettono di scoprire come la chimica sia indispensabile per spiegare la realtà che ci circonda.
I contenuti della chimica diventano strumenti indispensabili per comprendere l’ambiente, le sue problematiche e le conseguenze sulla nostra salute
Riassunti alla fine di ogni capitolo, nella forma di esercizi da completare ti aiutano a ripassare e rafforzano l’apprendimento dei contenuti.
Problemi, esercizi e test permettono di verificare il livello di apprendimento delle tue conoscenze.
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INDICE Tema
1
LA MATERIA E LE SUE PROPRIETÀ
1 1.1 1.2
La materia e l’energia Che cosa è la chimica? La chimica è una scienza sperimentale CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10
17
La chimica è una scienza quantitativa Le caratteristiche della materia che si possono misurare L’energia e le sue proprietà La temperatura e il calore La pressione La mole, la costante di Avogadro, l’unità di massa atomica Le grandezze estensive e le grandezze intensive I due volti della chimica
18 20 23 25 30 32 33 33
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
2
42
La materia e i suoi stati fisici I miscugli I miscugli eterogenei
44 44 45
Quando parliamo di fasi
3 3.1 3.2 3.3 3.4
Le soluzioni sono miscugli omogenei Le sostanze pure e le molecole Le sostanze e i loro stati di aggregazione I passaggi di stato I solidi cristallini e i solidi amorfi il tuo riassunto domande ed esercizi test CHIMICA in CUCINA Stati fisici della materia Dai composti agli atomi Scomponiamo le sostanze pure I composti, gli elementi e le sostanze elementari Dalle leggi ponderali della chimica alla teoria atomica La massa degli atomi PER SAPERNE DI PIÙ
Lo spettrometro di massa il tuo riassunto domande ed esercizi test 6
■ Indice
36 37 40
Scienziati sulla linea del tempo (1)
PER SAPERNE DI PIÙ
2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
14 14 16
La teoria del flogisto
il tuo riassunto domande ed esercizi test
2.1 2.2
12
Determinazione del calore specifico di una sostanza
Energie del futuro
46 48 51 51 55 58 60 61 64 66
Miscugli eterogenei e miscugli omogenei Gli stati fisici dell’acqua
Distillazione frazionata della miscela acquaalcol etilico
68 68 70 73 78 79 84 86 88
La pirolisi del marmo L’elettrolisi dell’acqua Reazione tra nitrato d’argento e acido cloridrico
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4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
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Pagina 7
Le formule delle sostanze e la mole Le formule delle sostanze La massa delle molecole La mole e la massa molare La composizione percentuale dei composti La valenza
il tuo riassunto domande ed esercizi test
5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
Le reazioni chimiche e la stechiometria Che cosa è una reazione chimica? Il bilanciamento delle reazioni La stechiometria, lo studio quantitativo delle reazioni Lo stato fisico dei reagenti e dei prodotti Il calore nelle reazioni chimiche
il tuo riassunto domande ed esercizi test
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
Lo stato gassoso I gas Volume, pressione e temperatura di un gas sono in relazione tra loro L’equazione di stato dei gas perfetti Gli studi di Gay-Lussac e il principio di Avogadro Il volume molare dei gas
il tuo riassunto domande ed esercizi test
90 90 91 92 96 99 103 103 106
Contiamo le molecole contenute in una mole: determiniamo l’ordine di grandezza del numero di Avogadro
Il numero di Avogadro
108 108 110 113 117 117 120 121 123
Reazione ad effetto Come si bilanciano le reazioni chimiche
Produzione di anidride carbonica
126 126 128 132 136 139 141 142 145
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
Scienziati sulla linea del tempo (2)
Tema
2
Le leggi dei gas
148
DAGLI ATOMI AI LEGAMI CHIMICI
7 7.1 7.2 7.3 7.4
Le particelle subatomiche L’elettricità La scoperta delle particelle subatomiche La radioattività naturale I primi modelli atomici
150 152 152 154 155 156
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
J. J. Thomson 7.5 7.6
159
Il numero atomico, il numero di massa, la massa atomica 159 Il modello atomico di Bohr 163 il tuo riassunto domande ed esercizi test
166 167 168
L’esperimento di Rutherford
■ Indice
7
8 8.1 81 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
Il modello atomico a orbitali La natura della luce e la teoria dei quanti Dall’atomo di Bohr al concetto di orbitale Gli orbitali e i numeri quantici Gli orbitali atomici Gli spettri degli atomi La configurazione elettronica degli atomi
il tuo riassunto domande ed esercizi test
9 9.1 91 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
Il Sistema Periodico degli elementi Il Sistema Periodico La disposizione degli elementi nel Sistema Periodico Le proprietà periodiche degli elementi Le dimensioni degli atomi Il potenziale di ionizzazione, l’affinità elettronica e l’elettronegatività I metalli e i non metalli
170 170 174 176 179 181 184 190 191 192
G Glili orbitali bit li s, bi p, d, f
Sa S Saggi ggii all alla lla fiamma
196 196 199 202 205 207 210
PER SAPERNE DI PIÙ
I ggas as n obil ob bil ilii nobili il tuo riassunto domande ed esercizi test
213 214 215 216
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
10 10.1 10 1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8
Quando haa pr previsto Q uaand ndo do la la cchimica himiica h himi hi pre eviist isto to il futuro
218
Il legame chimico L’origine e la natura del legame chimico Il legame ionico Il legame covalente Il legame dativo La geometria delle molecole Il legame covalente polarizzato e le forze di Van der Waals Il legame a idrogeno L’importanza dei legami chimici nei solidi
220 220 221 225 228 231 234 235 238
il tuo riassunto domande ed esercizi test
11.1 11 1 11.2 11.3
L inus P auli lingg un chi himico hi i per la pace Linus Pauling, chimico
248
La nomenclatura chimica Quando nel nome c’è la sostanza: la nomenclatura chimica I composti binari I composti ternari
250 250
il tuo riassunto domande ed esercizi test 8
p8.indd 8
S Scopriamo il gruppo di appartenenza di alcuni elementi
243 244 246
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
11
IIll Si Sistema t P Periodico
I modelli d lli VSEPR V di alcune importanti molecole
Interazione t i tra un campo tr elettrico ed alcuni liquidi
252 260 269 270 273
Dare D un nome ai composti
■ Indice
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INDICE Tema
3
LA MATERIA E LE SUE TRASFORMAZIONI
12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5
Le soluzioni Le soluzioni e la loro concentrazione Altri modi per esprimere le concentrazioni Che cosa succede in una soluzione? La solubilità Le proprietà colligative delle soluzioni
il tuo riassunto domande ed esercizi test
13 13.1 13.2
Le reazioni acido-base La definizione di acido e di base secondo Arrhenius La definizione di acido e di base secondo Brönsted e Lowry
274
276 276 283 285 287 288 297 298 300
La solvatazione del cloruro di sodio
Preparazione di 100 mL di una soluzione di NaOH 0,1 M
302 302 304
PER SAPERNE DI PIÙ
Gli acidi poliprotici 13.3
La forza degli acidi e delle basi il tuo riassunto domande ed esercizi test
14
Le reazioni di ossido-riduzione 14.1 Il numero di ossidazione 14.2 L’ossidazione e la riduzione 14.3 Le reazioni di ossido-riduzione in forma ionica il tuo riassunto domande ed esercizi test
Tema
4
307 308 311 311 313 314 314 318 324 327 328 330
La natura acida o basica di alcune sostanze di uso comune
La reazione di permanganato di potassio, acido ossalico e acido solforico
L’EQUILIBRIO NELLE REAZIONI CHIMICHE
15 15.1 15.2 15.3 15.4
L’equilibrio chimico L’equilibrio chimico La legge di azione di massa Il principio dell’equilibrio mobile di Le Chatelier Il prodotto di solubilità
332
334 334 337 340 344
PER SAPERNE DI PIÙ
La solubilità dei gas e la legge di Henry il tuo riassunto domande ed esercizi test
347 349 350 352
CHIMICA E AMBIENTE
Sistemi in natura
354
L’equilibrio che cambia i colori Le reazioni con formazione di precipitato
■ Indice
9
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16 16.1 16.2 16.3 16.4
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Pagina 10
La cinetica chimica Il tempo e le reazioni chimiche: la velocità di reazione Da che cosa dipende la velocità di reazione? I catalizzatori Come avvengono le reazioni? La teoria delle collisioni
il tuo riassunto domande ed esercizi test
17 17.1 17.2
Gli equilibri acido-base L’autoionizzazione e il prodotto ionico dell’acqua L’unità di misura dell’acidità: il pH
356 356 359 363 365 369 370 372
Reazione tra una laminetta di zinco e una soluzione di solfato di rame Studio della natura dei reagenti sulla velocità di reazione
374 374 376
PER SAPERNE DI PIÙ
17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8
Come possiamo definire il pH? Le costanti di acidità e di basicità Le costanti di acidità e di basicità di una coppia acido-base coniugata Il pH delle soluzioni degli acidi e delle basi L’idrolisi e il pH delle soluzioni dei sali Le soluzioni tampone Gli indicatori acido-base
379 384 385 389 389 391 393
PER SAPERNE DI PIÙ
Una tecnica per determinare il pH: la titolazione il tuo riassunto domande ed esercizi test
396 398 399 402
CHIMICA E SALUTE
18 18.1 18.2
Sistemi tampone nel corpo umano
404
Gli equilibri delle ossido-riduzioni Le reazioni redox e le semireazioni La pila Daniell e le celle galvaniche
406 406 409
Scopriamo il pH di alcune sostanze
Una titolazione Titolazione di alcune marche di aceto commerciale
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
Volta, Galvani e la prima pila 18.3
L’elettrodo standard a idrogeno e i potenziali normali di riduzione 18.4 L’elettrolisi 18.5 Le leggi di Faraday il tuo riassunto domande ed esercizi test
411 413 418 420 424 425 428
CHIMICA E AMBIENTE
Pile, accumulatori & C
10
■ Indice
430
Come funziona la pila Daniell
La costruzione della pila Daniell e la verifica del suo funzionamento L’elettrolisi dell’acqua
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INDICE Tema
5 19 19.1
LA CHIMICA DEL CARBONIO
432
Il carbonio e gli idrocarburi Il carbonio è un elemento un po’ speciale
434 434
CHIMICA IERI CHIMICA OGGI
19.2
La storia della chimica organica Il metano, il carbonio tetraedrico, gli alcani
436 437
PER SAPERNE DI PIÙ
19.3 19.4 19.5 19.6
Il gas naturale Gli alcheni e gli alchini L’isomeria Il benzene e i composti aromatici La combustione degli idrocarburi
442 443 447 452 456
il tuo riassunto domande ed esercizi test
458 460 462
CHIMICA E SALUTE
IPA sotto inchiesta
464 Il nome degli alcani
20 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8
Le famiglie dei composti organici I composti organici sono raggruppati in famiglie Gli alcoli e i fenoli Le aldeidi e i chetoni Gli acidi carbossilici Gli esteri I composti organici azotati: le ammine e le ammidi I polimeri Le molecole della vita
il tuo riassunto domande ed esercizi test
466 466 467 470 471 473 474 475 477 487 488 490
La saponificazione
Le molecole organiche
Saggi per il riconoscimento degli zuccheri: il reattivo di Lugol e il reattivo di Fehling
La fotosintesi La respirazione cellulare La sintesi delle proteine
Indice analitico Fonti iconografiche
492 496
■ Indice
11
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CHIMICA inCUCINA Gli stati fisici della materia È proprio vero che gli stati fisici della materia sono soltanto tre? Entriamo in cucina e proviamo a chiederlo a un cuoco: ci dirà che molti piatti appetitosi, come dolci, salse e creme, si presentano in stati fisici particolari, diversi dallo stato solido, liquido e gassoso.
I colloidi ■
La schiuma di un fumante cappuccino, la gelatina alla frutta, la maionese e la panna montata fanno parte dei colloidi, dispersioni di particelle molto piccole, a metà strada tra le soluzioni e i miscugli eterogenei.
■
Ciò che distingue i colloidi dai miscugli e dalle soluzioni sono proprio le dimensioni delle particelle che li costituiscono, comprese fra 0,2 e 0,002 µm. Se le particelle sono più grandi di 0,2 µm, si ha un miscuglio, se sono più piccole di 0,002 µm, si ha una soluzione.
■
A loro volta i colloidi si distinguono a seconda dello stato fisico della fase dispersa e della fase disperdente: la gelatina, ad esempio, è un colloide formato da una fase dispersa solida in una fase disperdente liquida, mentre nella schiuma del cappuccino la fase dispersa è gassosa e la fase disperdente è liquida.
Gelatine e budini
66
■ T1 – La materia e le sue proprietà
■
I gel sono colloidi formati da una dispersione di finissime particelle solide in un liquido che quasi sempre è acqua: il risultato è una sostanza dalla consistenza gelatinosa che, in gastronomia, può diventare la base di dolci al cucchiaio o servire per impreziosire le pietanze.
■
Lo stato di gel può essere facilmente modificato cambiando le proporzioni delle due fasi che lo formano: se diluiamo un gel aggiungendo dell’acqua, si trasforma in un sol, una sospensione dalla consistenza fluida, ma se aggiungiamo una certa quantità di particelle il sol ritorna ad assumere la consistenza gelatinosa del gel.
■
Anche la temperatura può provocare il passaggio da sol a gel e viceversa. Qualche esempio in cucina? La gelatina di brodo è un gel reversibile: a temperatura ambiente ha consistenza gelatinosa, ma diventa liquida quando viene scaldata. L'albume dell'uovo, invece, non è un gel reversibile: portato a una certa temperatura, coagula in un gel e non torna più allo stato di sol.
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I segreti della maionese ■
Una dispersione di un liquido insolubile in un altro liquido è un’emulsione. Olio e acqua sono due ingredienti protagonisti di molte ricette, ma tra loro poco compatibili: l'olio, infatti, non è solubile in acqua e galleggia sulla sua superficie. Se però versiamo dell’olio in un bicchiere di acqua e agitiamo a lungo, otteniamo un’emulsione formata da minuscole goccioline di olio disperse nell’acqua.
■
Lo stato di emulsione, tuttavia, dura poco: le goccioline d'olio si riuniscono rapidamente e in breve tempo formano un'unica massa. Esiste però un trucco per rendere stabile un’emulsione di olio, lo stesso che sfruttiamo per realizzare una famosa salsa, la maionese. Gli ingredienti di base sono olio, tuorlo d’uovo, sale e succo di limone per aromatizzare: mescolando con cura e a lungo tutte le componenti, otteniamo un’emulsione stabile e molto gustosa, dalla consistenza cremosa.
■
Ma perchè la maionese è un’emulsione stabile? Ciò è dovuto alla presenza di lecitina nel tuorlo: si tratta di una sostanza della famiglia dei tensioattivi, molecole dotate di una “testa” idrofila, cioè che si lega alle molecole di acqua, e di una “coda” idrofoba, che respinge l’acqua. Le molecole di lecitina si dispongono sulla superficie delle goccioline di acqua con la coda rivolta all'esterno, ma anche sulle goccioline di olio, con la testa idrofila rivolta all'esterno. Le teste delle molecole di lecitina sono cariche elettricamente: è questa la ragione per cui le particelle di olio emulsionate si respingono e il loro ricongiungimento viene ostacolato.
Meringhe con la panna ■
La schiuma è una dispersione di un gas in un liquido o in un solido. Fra le schiume liquide che possiamo trovare in gastronomia abbiamo quella del vino, della birra e quella che galleggia sul cappuccino.
■
Anche la panna montata è una schiuma formata dalla panna liquida e dai gas che formano l’aria, che vengono inglobati quando sbattiamo energicamente la panna con la frusta da cucina.
■
Volete realizzare una schiuma solida? Montate l’albume di un uovo con un po' di zucchero fino a ottenere una schiuma bianca e consistente, poi cuocetela in forno per farla solidificare: avrete ottenuto una schiuma solida commestibile, meglio conosciuta col nome di meringa.
■ Capitolo 2 – La materia e i suoi stati fisici
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2 Dagli atomi ai legami chimici TEMA
… ogni cosa è fatta di atomi, piccole particelle che vagano in movimento perpetuo, attraendosi reciprocamente quando si trovano a piccola distanza, ma rifiutandosi di venire fuse le une nelle altre. Se solo ci pensate su per un attimo, vedrete con un po’ di immaginazione che questa frase contiene una quantità enorme di informazioni sul mondo… Richard Feynman (1918-1988)
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CAPITOLO
7
LE PARTICELLE SUBATOMICHE CAPITOLO
8
IL MODELLO ATOMICO A ORBITALI CAPITOLO
9
IL SISTEMA PERIODICO DEGLI ELEMENTI CAPITOLO
10
IL LEGAME CHIMICO CAPITOLO
11
LA NOMENCLATURA CHIMICA
Quando le particelle che formano il vento solare si scontrano con la ionosfera, gli elettroni degli atomi e delle molecole presenti in questo strato dell’atmosfera emettono energia sotto forma di luce dai colori caratteristici, dal rosso sangue al verde, dal bianco al blu cobalto.
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Le particelle subatomiche In questo capitolo ■ ■ ■
7.1
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 struttura 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 pensare a tutti gli strumenti azionati dall’energia elettrica che usiamo: dal telefono cellulare al computer, dagli elettrodomestici all’illuminazione domestica. Elettricità deriva da electron, la parola con la quale i greci denominavano l’ambra, una resina fossile di origine vegetale. L’ambra possiede particolari caratteristiche: ad esempio, se viene sfregata con un panno di lana, attira pezzetti di carta posti nelle sue vicinanze. Lo stesso fenomeno si può produrre sfregando, ad esempio, un panno di lana con una bacchetta di vetro oppure un foglio di cellofan con un foglio di carta; dopo il trattamento, separarli risulterà un po’ difficile. Al contrario, due fogli di cellofan strofinati con la carta, si respingeranno reciprocamente. Per la fisica, questi fenomeni sono causati da uno squilibrio di cariche elettriche sulla superficie degli oggetti. Solitamente, gli oggetti contengono una stessa quantità di cariche positive e negative; in queste condizioni gli oggetti non sono elettrizzati: la carica elettrica complessiva è nulla. L’ipotesi che si può formulare per spiegare l’attrazione e la repulsione fra oggetti è che lo strofinio rompa questo equilibrio e che una certa quantità di carica elettrica negativa passi da un oggetto all’altro. In questo modo, gli oggetti a contatto si caricano elettricamente: quello che acquista una quantità di carica elettrica negativa si carica negativamente, quello che la perde si carica positivamente ■ FIGURA 7.1.
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·■ T2 – Dagli atomi ai legami chimici
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Le domande della chimica Che cosa avviene all’interno di un pannello fotovoltaico?
I pannelli fotovoltaici producono energia “pulita” perché sono in grado di trasformare direttamente l’energia luminosa in energia elettrica.
In cosa consiste l’effetto fotovoltaico?
Quali materiali sono usati per costruire i pannelli che coprono i tetti di molte abitazioni?
■ FIGURA 7.1
Migrazione di cariche elettriche
a.$Prima dello strofinio, vetro e panno sono elettricamente neutri.
b.$Durante lo strofinio, parte degli elettroni presenti nel vetro passa sulla superficie del panno.
c.$Dopo lo strofinio, la bacchetta di vetro risulta carica positivamente, mentre il panno è carico negativamente.
I materiali con cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre quelli con cariche elettriche di segno opposto si attraggono.Tornando al precedente esempio, carta e cellofan si caricano di segno opposto e quindi si attraggono, mentre due fogli di cellofan assumono cariche elettriche dello stesso segno e quindi si respingono. 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 (–). I rapporti di attrazione e repulsione elettrica fra gli oggetti furono formalizzati nel 1785 da Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) nella legge che porta il suo nome. ■ Capitolo 7 – Le particelle subatomiche
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L’esperimento di Rutherford
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Nel 1911, un allievo di Thomson, Ernest Rutherford (1871–1937), portò a termine un esperimento che condusse alla formulazione di un nuovo modello di atomo. 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 permette di lavorarlo e di ottenere lamine molto sottili. Attorno alla lamina d’oro venne disposta una lastra sensibile alle radiazioni ■ FIGURA 7.3.
■ FIGURA 7.3
Dispositivo di Rutherford
a)
sorgente di particelle α
lamina d’oro fascio di particelle α
contenitore di piombo
L’esperimento di Rutherford
schermo fluorescente
a. Una sottilissima lamina d’oro viene “bombardata” con particelle α. Attorno alla lamina d’oro si trova una lastra sensibile alle radiazioni.
b) nucleo particelle α
b. La maggior parte delle particelle α attraversa indisturbata la lamina d’oro; una minima parte viene deviata o riflessa se incontra un ostacolo, il nucleo dell’atomo.
■ ■ ■
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 indietro. ■ Capitolo 7 – Le particelle subatomiche
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Che cosa si intende per guscio elettronico?
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L’insieme degli orbitali atomici con lo stesso numero quantico principale n costituisce un guscio elettronico. I gusci elettronici possono essere immaginati come vere e proprie sfere concentriche, a contenuto energetico crescente dall’interno verso l’esterno.
Quanti sono i gusci elettronici?
Il contenuto di ogni guscio elettronico è rappresentato nella ■ TABELLA 8.4, che in parte riassume quanto schematizzato nella tabella precedente.
■ TABELLA 8.4
GUSCI ELETTRONICI Guscio
n
Numero di orbitali
Tipo di orbitali
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
Descrizione
Ai gusci elettronici successivi al quarto appartiene un numero di orbitali inferiore a quello teorico. Ciò dipende dal fatto che non si conoscono elementi con un numero di elettroni sufficiente per riempire tutti gli orbitali previsti. 8.5
Saggi alla fiamma
Gli spettri degli atomi Nel campo della luce visibile, il colore che il nostro occhio percepisce dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione emessa da una sostanza: è spesso il colore ad 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 cade sulla fiamma del fornello, il colore della fiamma cambia da azzurro a giallo. Il colore giallo della fiamma indica che nell’acqua è presente l’elemento sodio sottoforma di ione positivo, Na+, liberato dalla dissoluzione in acqua del sale da cucina, il cloruro di sodio, NaCl. Gli atomi di sodio assorbono energia dalla fiamma e la riemettono sotto forma di luce gialla. Poiché ciascun elemento, quando viene fornita ai suoi atomi una quantità adeguata di energia, la restituisce sotto forma di radiazioni elettromagnetiche di lunghezze d’onda caratteristiche, l’analisi delle radiazioni emesse da una sostanza permette di riconoscere gli elementi che la costituiscono. La spettroscopia è una tecnica che permette di riconoscere la natura di una sostanza in base alle lunghezze d’onda delle radiazioni elettromagnetiche che questa sostanza emette quando le viene fornita una sufficiente quantità di energia. ■ Capitolo 8 – Il modello atomico a orbitali
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domande ed esercizi 10.1
■
1 In quali casi gli atomi presentano una configurazione elettronica completa del guscio elettronico esterno?
Na
F
2 Indica tra i seguenti elementi quelli che presentano configurazione elettronica completa del guscio esterno. Afnio, Hf. Argo, Ar. Bromo, Br. Elio, He. Radio, Ra. Rubidio, Rb. Titanio, Ti. 3 La configurazione elettronica del guscio di valenza del selenio è: 3s23p4. Quanti elettroni possiede il selenio nel guscio di valenza? Quanti elettroni deve acquistare per raggiungere una configurazione elettronica stabile? 4 Indica, per ciascuno dei seguenti elementi, quanti elettroni dovrebbero acquistare i loro atomi per assumere la configurazione ad ottetto completo. Azoto, N. Carbonio, C. Fosforo, P. Iodio, I. Xeno, Xe. 5 Indica, per ciascuno dei seguenti elementi, quanti elettroni dovrebbero perdere i loro atomi per assumere la configurazione ad ottetto completo. Alluminio, Al. Bario, Ba. Litio, Li. Magnesio, Mg. Sodio, Na. 10.2
IL LEGAME IONICO
6 Utilizzando la rappresentazione di Lewis, disegna la configurazione elettronica dei gusci di valenza degli atomi 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 dei seguenti elementi assumono una configurazione elettronica ad ottetto completo: ■ iodio, I ......... ■ magnesio, Mg ......... ■ zolfo, S ......... ■ alluminio, Al ......... 8 Indica il gas nobile che possiede la stessa configurazione elettronica degli ioni Se2– e Sr2+. 9 Indica gli ioni e le formule dei composti che si formano quando si instaura un legame ionico tra gli atomi delle seguenti coppie di elementi: 244
■ T2 – Dagli atomi ai legami chimici
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. ■
L’ORIGINE E LA NATURA DEL LEGAME CHIMICO
10.3
IL LEGAME COVALENTE
10 Scrivi accanto a ciascuna delle seguenti caratteristiche se si tratta di legame ionico o di legame covalente. Si forma per cessione di uno o più elettroni da un atomo ad un altro. Si forma per messa in comune di due elettroni, uno per ciascuno, da parte di due atomi.prodotto
rapporto
Si forma tra due atomi che differiscono molto per elettronegatività. Si forma tra due atomi che differiscono poco per elettronegatività. Si forma tra due atomi non metallici. Si forma tra un atomo metallico ed uno non metallico.
11 Stabilisci in quali dei seguenti composti i legami sono ionici e in quali sono covalenti. BaF2 Br2O CaO NO PH3 K2S 12 Utilizzando le notazioni di Lewis e indicando i legami covalenti con trattini, scrivi le formule di struttura delle seguenti molecole: ■ Br ■ SiH 2 4 ■ PCl ■ CS 3 2 13 Carbonio e cloro formano un composto le cui molecole sono costituite da 5 atomi; tenendo conto delle rappresentazioni di Lewis dei due elementi:
C
Cl
scrivi la formula di struttura del composto.
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10.4
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IL LEGAME DATIVO
14 In quali delle seguenti molecole o ioni sono presenti legami covalenti dativi? O2 SO2 SO3 Cl– + H2O NH3 NH4 15 Indica quali delle cinque formule seguenti contengono legami covalenti dativi e riscrivile indicando tali legami con una freccia.
O O
P
H O
H
N
O
N
H H
20 Nello ione ammonio
H H
N+ H H
tutti e quattro i legami N–H risultano equivalenti ed indistinguibili tra loro. Quale sarà la geometria dello ione? Come sarà la disposizione degli atomi di idrogeno dello ione? Quale sarà il valore dell’angolo di legame H–N–H? IL LEGAME COVALENTE POLARIZZATO E LE FORZE DI VAN DER WAALS
10.6
O C
H
19 Spiega perché l’angolo di legame H–O–H dell’acqua è minore dell’angolo di legame H–C–H del metano.
21 Scrivi, accanto a ciascuna delle seguenti molecole, quali presentano legami ionici, quali presentano legami covalenti omopolari e quali presentano legami covalenti polarizzati.
O
O H
O
O
CaCl2 CF4
O
H
C
N
S H
Cl2
O
O
Nel rispondere tieni conto delle rappresentazioni di Lewis degli atomi coinvolti nei legami:
C
H
N
O
P
S
16 Scrivi le formule di struttura del composto I2O5 in cui sono presenti quattro legami covalenti dativi. 10.5
I2 NaCl NH3
22 Indica, in ciascuna delle seguenti molecole dipolari, dove si trova il polo elettrico positivo e dove si trova quello negativo:
O
Br
H
LA GEOMETRIA DELLE MOLECOLE
H
17 Secondo il modello VSEPR, da cosa dipende la disposizione geometrica dei legami attorno ad un atomo? 18 Quanto vale l’angolo di legame O=C=O nell’anidride carbonica? O
HF
C
O
H
H O
N
H H
Cl
Cl
23 Spiega perché molecole come CO2 e CH4 non si comportano da dipoli, pur essendo i legami C–O e C–H legami covalenti polarizzati.
■ Capitolo 10 – Il legame chimico
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CHIMICA IERI CHIMICA OGGI Linus Pauling, un chimico per la pace Linus Pauling è stato un maestro di scienza e di impegno politico 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.
L. Pauling
1901
Dove nasce. Gli studi
Linus Pauling nasce a Portland, nell’Oregon (Stati Uniti), figlio e nipote di farmacisti. Studia all’Oregon Agricultural College, dove ottiene, nel 1922, la laurea in ingegneria chimica. Nel 1925 consegue il PhD al California Institute of Technology (Caltech). 1926
Viaggi di studio
Si 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 una scala 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 antigene e 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 sostituto artificiale del siero umano per curare i soldati feriti. 1946
Scienziato e pacifista
Il lancio della bomba atomica lo conduce su posizioni apertamente pacifiste, accanto a molti altri scienziati, primo fra tutti Albert Einstein. Durante gli anni Cinquanta partecipa a numerose manifestazioni contro la guerra e la proliferazione nucleare, studia gli effetti sull’uomo delle radiazioni e presenta un appello per il bando ai test nucleari, firmato da più di 9000 scienziati in 44 paesi diversi. Nel 1962 ottiene il Premio Nobel per la Pace. 1954
Nobel per la Chimica
Gli viene conferito il Premio Nobel per la Chimica.
1994
Muore a Big Sur
Si spegne nel suo ranch californiano, all’età di 93 anni.
Le scoperte A Linus Pauling si deve l’elaborazione di alcuni dei concetti fondamentali della chimica moderna, dalla scala delle elettronegatività, al concetto di legame chimico alla struttura delle proteine. La prima importante sede di insegnamento e di ricerca del grande scienziato fu il California 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 chimico. Oltre a questi temi, Pauling affrontò quello della struttura delle proteine. Queste molecole 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 che gli amminoacidi fossero disposti in una struttura a elica, un’ipotesi confermata dalle prime “fotografie” degli spettri di diffrazione della cheratina che Pauling poté vedere in Inghilterra, nel 1948. Il suo primo articolo sulla struttura delle proteine apparve nel 1952; nello stesso anno, a Londra, durante un congresso, furono rese note le foto ai raggi X della molecola del DNA che permisero a Watson e Crick l’elaborazione del loro modello a doppia elica. Grazie alle sue ricerche, Pauling conseguì il premio Nobel per la chimica nel 1954.
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■ T2 – Dagli atomi ai legami chimici
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L’impegno civile
Vitamina C per tutti
Nel 1970 pubblica il libro La vitamina C e il raffreddore comune, in cui sostiene che l’assunzione generalizzata di grandi quantità di vitamina C porterebbe a debellare il raffreddore e altre comuni malattie. Diventa subito un bestseller.
Forse sarebbe toccato a Pauling, invece che a Watson e Crick, l’onore di passare alla storia come lo scopritore della struttura del DNA, se lo scienziato avesse potuto partecipare allo storico convegno tenutosi a Londra nel 1952. Pauling, invece, non poté allontanarsi dagli Stati Uniti perché il governo gli aveva tolto il passaporto per le sue presunte attività “antiamericane”. Quello di contestatore è l’altro volto di Linus Pauling. Davanti alle devastanti conseguenze delle esplosioni delle bombe atomiche americane su Hiroshima e Nagasaki e agli effetti delle esplosioni nucleari sperimentali nell'atmosfera, Pauling, sostenuto dalla moglie Ava Helen, convinta attivista nei movimenti dei diritti civili e pacifisti, decise di dedicare una parte rilevante del suo impegno nei movimenti per la cessazione dei test nucleari e per l'abolizione delle bombe atomiche. Per tutti gli anni cinquanta continuò la sua campagna contro le bombe atomiche. Il suo libro Mai più guerre!, pubblicato nel 1958, contribuì alla mobilitazione dell’opinione pubblica che si concluse, nel 1963, con la stipula dell'accordo fra sovietici e americani per la sospensione dei test nucleari nell'atmosfera. Il risultato di questa intensa attività politica fu il conseguimento di un secondo premio Nobel, questa volta per la pace, nel 1962.
Dopo il conseguimento del premio Nobel, Pauling si dedicò completamente allo studio delle molecole di origine biologica, estremamente più complesse delle molecole non biologiche. Lo studio dell’emoglobina dei globuli rossi lo portò alla scoperta della causa dell’anemia falciforme, malattia che produce 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 molecola di emoglobina “anomala” rispetto alla molecola “normale”. In seguito a questa scoperta introdusse il concetto di malattia molecolare, una concezione del tutto rivoluzionaria in quanto individuava nella struttura di una molecola chimica la causa di una disfunzione biologica. Nel 1979 la rivista inglese “New scientist” incluse Linus Pauling nella sua lista dei 20 più importanti scienziati di tutti i tempi.
■ Capitolo 10 – Il legame chimico
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40 La tensione di vapore dell’acqua a 25 °C è 3472 Pa. Calcola la tensione di vapore di una soluzione ottenuta sciogliendo 39 g di NaCl in 150 g di H2O.
45 Il saccarosio, C12H22O11, il comune zucchero usato in cucina, è una sostanza che si scioglie in acqua senza dissociarsi. Determina la pressione osmotica a 20 °C di una soluzione 0,1 M di saccarosio.
41 L’acqua alla temperatura di 19 °C ha una tensione di vapore di 2200 Pa; può esistere una soluzione in acqua di un sale non volatile che, alla stessa temperatura, abbia una tensione di vapore pari a 2220 Pa? Se lo ritieni possibile, calcola la frazione molare del soluto, se non lo ritieni possibile spiegane la ragione. 42 Determina l’abbassamento crioscopico di una soluzione acquosa ottenuta sciogliendo 2 mol di un soluto che in acqua non dà origine a ioni, in 2500 g di acqua. Ricorda che la costante crioscopica dell’acqua è 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 dissocia completamente in Na+ e OH–, calcola l’innalzamento ebullioscopico della soluzione. Ricorda che la costante ebullioscopica dell’acqua è: Ke = 0,52 K ∙ kg/mol. 44 Una soluzione è ottenuta sciogliendo 10 g di acido solforico, H2SO4, in 200 g di acqua; sapendo che l’acido solforico in acqua dà origine a tre ioni secondo la reazione: O
O H
S O
O H
acqua
H2SO4 11h SO42– + 2 H+
calcola le temperature di solidificazione e di ebollizione della soluzione.
46 La massa molare del saccarosio è 342 g/mol; determina la pressione osmotica, a 20 °C, di una soluzione che contiene 100 g di saccarosio in 1,25 L di soluzione. 47 Calcola la pressione osmotica di una soluzione contenente 25 g di NaCl in 500 mL a 25 °C. prodotto
48 A 273 K, 0 °C, una soluzione rapporto ha una pressione osmotica = 1 atm; determina il volume di soluzione che contiene una mole di soluto; supponiamo un soluto che non si dissoci e quindi con i = 1. 49 Una soluzione fisiologica per usi medici ha una concentrazione di NaCl di circa 9 g/L, equivalente allo 0,9 % in massa. Determina la concentrazione in mol/L di NaCl nella soluzione e la sua pressione osmotica, in atmosfere, misurata alla temperatura corporea, 37 °C. 50 Una soluzione di urea in acqua ha una concentrazione di 18 g/L e, a 37 °C, ha una pressione osmotica di 7,65 atm; quale è la massa molare dell’urea?
test Individua le affermazioni vere e quelle false.
a Le soluzioni sono miscugli eterogenei. b La molarità di una soluzione indica le moli V 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 V soluzione. d La concentrazione % in volume si usa per le V bevande alcoliche. V e Il sale si scioglie nell’olio. f In genere, per i soluti solidi la solubilità aumenta V con la temperatura. g Anche nei gas la solubilità aumenta con la V temperatura. V
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■ T3 – La materia e le sue trasformazioni
F
F
F
F F
F
F
h Le proprietà colligative dipendono solo dal numero V F di particelle in soluzione. i Il numero di particelle in soluzione non dipende V F dalla natura della sostanza. j La tensione di vapore aumenta con la tempeV F ratura. k Il punto di congelamento del solvente puro V F è superiore al quello di una soluzione. l Il punto di ebollizione del solvente puro V F è superiore al quello di una soluzione. m La pressione osmotica è proporzionale alla V F molalità della soluzione. n Il coefficiente di Van’t Hoff è un indice che tiene conto del numero di particelle in soluzione. V F
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Scegli la risposta o la definizione corretta.
1 La molarità, M, è un modo di indicare la concentrazione del tipo: massa volume moli b. massa
a.
moli volume volume d. volume
c.
2 La molalità, m, è un modo di indicare la concentrazione del tipo: massa volume moli b. massa
a.
moli volume volume d. volume
c.
3 In quale delle seguenti soluzioni di NaCl in acqua è contenuto più sale? a. 0,01 M c. 0,1 g/L b. 0,1 M d. 1 g/L 4 Sull’etichetta di una bottiglia di vino bianco è indicato un contenuto alcolico pari a 10,5% vol. Quale delle seguenti spiegazioni contenute nella scritta è la più 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 di fondo: 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 crescere della 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 la pressione 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 temperatura 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 non è 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 pari a 1015 g; ricordando che la massa molare dell’acido cloridrico è 36,46 g/mol, qual è la percentuale in massa di HCl nella soluzione? a. 1% c. 3,64% b. 3,59% d. 3,78% 14 Quale delle seguenti soluzioni ha la molarità più elevata? 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.
■ Capitolo 12 – Le soluzioni
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CHIMICA E AMBIENTE Sistemi in natura Al biologo austriaco Ludwig von Bertalanffy (1901-1972) si deve l’elaborazione della Teoria generale dei sistemi. Nel libro che porta questo titolo, pubblicato nel 1968, egli aveva intuito la straordinaria potenzialità della sua teoria, che si sarebbe dimostrata un importante strumento per spiegare non solo fenomeni fisici, chimici e biologici, ma anche sociali, economici e culturali.
Uno, due, tre sistemi Un sistema può essere definito come un gruppo di oggetti o di parti, gli elementi del sistema, legati da una serie di relazioni reciproche. L’acqua di un lago non è mai la stessa: entra nel bacino portata da un immissario ed esce tramite un emissario. Anche la temperatura dell’acqua del lago cambia nel tempo, ad esempio con le stagioni, ma dipende anche dalla temperatura dell’acqua dei fiumi che entrano ed escono. Un lago può essere considerato un sistema il cui componente principale sono le molecole d’acqua. Anche un animale è un sistema: deve mangiare per rifornire continuamente di energia le cellule di cui è formato e per mantenere ordine al proprio interno. Un lago e un animale sono esempi di sistemi aperti, cioè sistemi che scambiano materia ed energia con l’ambiente esterno. 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 pianeta di 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 contiene una bibita gassata: se la mettiamo in frigorifero ben tappata, le viene sottratto calore ma il suo contenuto non cambia. La bottiglia di bibita e la Terra sono entrambi esempi di sistemi chiusi, cioè sistemi che scambiano energia con l’ambiente esterno, ma non materia. 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 bevanda in esso contenuta. Il thermos costituisce un buon esempio di sistema isolato, un sistema che non scambia né materia né energia con l’ambiente esterno. In realtà non si tratta di un vero sistema di questo tipo: il thermos, infatti, disperde energia nell’ambiente, anche se impiega molto tempo. L’unico vero sistema isolato che conosciamo è l’Universo che contiene i corpi celesti, le galassie, il Sole, la Terra e tutti gli esseri viventi.
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■ T4 – L’equilibrio nelle reazioni chimiche
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Sistemi in equilibrio Qualsiasi sistema rimane in equilibrio fino a quando non scambia materia e/o energia con l’ambiente esterno. Possiamo osservare lo stesso comportamento nei sistemi chimici: per il principio di Le Chatelier, l’immissione o la sottrazione di reagenti, di prodotti e di energia in un sistema chimico ne modifica le condizioni di equilibrio. L’equilibrio chimico si può realizzare solo nei sistemi isolati e nei sistemi chiusi che presentino temperatura e pressione uguali a quelle dell’ambiente esterno e, di conseguenza, non scambino con esso energia. È invece impossibile mantenere l’equilibrio chimico nei sistemi aperti in quanto, in ogni momento, avvengono scambi di materia ed energia con l’ambiente circostante. Un esempio molto significativo di sistema aperto è dato dagli esseri viventi. Un essere vivente rimane “sistema aperto”, cioè rimane in vita, fino a quando dall’ambiente assume energia e sostanze per costruire nuove cellule, e restituisce all’ambiente prodotti di scarto. In altre parole, un organismo vivente rimane tale fino a quando è in uno stato di “non equilibrio”, mentre il raggiungimento dello stato di equilibrio, cioè la cessazione degli scambi con l’ambiente, corrisponde alla fine delle sue funzioni vitali, cioè alla morte. Tuttavia, anche nei sistemi aperti si raggiunge, 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 vasca viene immessa una certa quantità di acqua e, contemporaneamente, ne esce la stessa quantità, il contenuto rimane costante anche se l’acqua non è mai la stessa. Sistemi complessi come gli organismi viventi sono il risultato della coesistenza di molti processi diversi, chimici, termici, elettrici: essi sono un esempio di sistemi che mantengono uno stato stazionario. Il sistema non è all’equilibrio, al suo interno temp. costante avvengono trasformazioni continue, ma le grandezze che ca10 L/min ratterizzano lo stato del sistema oscillano all’interno di una fascia ristretta di valori. Ogni alterazione di una delle grandezze del sistema attiva processi di retroazione che riportano la grandezza all’interno dei valori propri dello stato stazionario. Un 1000 L esempio è la sudorazione, che l’organismo mette in atto per contrastare 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. 10 L/min
L’ecosistema digitale Negli ultimi anni la teoria dei sistemi ha avuto sorprendenti applicazioni anche nell’ambito degli studi dei fenomeni che avvengono all’interno della rete di Internet. Il World Wide Web, uno dei più importanti servizi di Internet, è considerato come un vero e proprio ecosistema digitale; i collegamenti tra i miliardi di pagine della rete e i relativi siti Internet costituiscono un sistema aperto governato dalle stesse leggi che regolano i sistemi aperti naturali. Come gli organismi, i sistemi di internet e del web tendono a raggiungere uno stato stazionario; l’inserimento continuo di nuove informazioni in rete produce retroazioni che, a loro volta, sono alla base dell’apprendimento da parte del sistema, rendendolo capace di autoregolarsi e di evolvere, cioè subire trasformazioni nel tempo. Ma, attenzione, il futuro e la crescita della rete dipendono dalla qualità delle informazioni: solo l’inserimento di pagine e servizi di alta qualità può far passare l’ecosistema digitale da un livello di organizzazione di ordine inferiore a uno di ordine superiore.
■ Capitolo 15 – L’equilibrio chimico
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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 semplici di tali areni, i dimetilbenzeni, chiamati anche xileni, che presentano due gruppi CH3 legati all’anello benzenico. Gli xileni presentano forma razionale: C6H4(CH3)2 A tale formula corrispondono tre possibili formule di struttura e quindi tre isomeri:
CH3 CH3 ■
Orto-xilene, abbreviato in o-xilene, quando i due gruppi CH3 sono legati a due atomi di carbonio adiacenti.
■
Meta-xilene, abbreviato in m-xilene, quando tra i due atomi di carbonio legati ai gruppi CH3 si interpone un atomo di carbonio non sostituito.
■
Para-xilene, abbreviato in p-xilene, quando i gruppi CH3 si trovano legati ad atomi di carbonio opposti.
CH3
CH3 CH3
CH3
19.6
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 riscaldamento domestico, alla cottura dei cibi, al funzionamento dei motori dei veicoli, degli aerei e delle macchine industriali. Molte delle sostanze utilizzate industrialmente come combustibili sono costituite da idrocarburi. Il gas naturale è ad esempio costituito prevalentemente da metano, la benzina è una miscela di idrocarburi costituiti da cinque a dieci atomi di carbonio, il GPL (gas di petrolio liquefatto) è costituito da propano e butano; in genere, tutti i derivati del petrolio hanno natura idrocarburica. La combustione di un idrocarburo, quando avviene in presenza di un eccesso
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■ T5 – La chimica del carbonio
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di aria e quindi di ossigeno, produce acqua e anidride carbonica. Ad esempio, le combustioni del metano e del propano possono essere schematizzate nel modo seguente: 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 si può formare, anziché l’anidride carbonica, CO2, l’ossido di carbonio, CO, gas tossico 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, è di per sé un gas incolore, insapore e inodore: a cosa è dovuto, quindi, l’odore che percepiamo? Come mai per scaldare le nostre case si utilizza per lo più metano, e non altri gas?
La chimica risponde Il colore caratteristico delle carote è dato dal carotene, un polimero costituito da otto unità di isoprene, un idrocarburo nella cui molecola sono presenti due doppi legami. La molecola assorbe la luce nella regione blu-violetto dello spettro e, per questa ragione, appare all’osservatore di colore giallo-arancione, la radiazione luminosa che viene riflessa. Nelle parti verdi delle piante, le molecole di carotene o di composti simili, i carotenoidi, accoppiate alla clorofilla, hanno la funzione di catturare la luce del sole. I pomodori acerbi hanno il colore verde della clorofilla; nel corso della maturazione la clorofilla viene progressivamente demolita e compare il colore rosso del carotenoide. Le foglie di colore
verde scuro contengono una molecola di carotene o di carotenoide per ogni molecola di clorofilla. In autunno le molecole di clorofilla vengono degradate, il colore verde delle foglie si affievolisce e appaiono i colori rosso e giallo del carotene e dei carotenoidi. Il carotene, essendo un idrocarburo, è poco solubile in acqua, ma è solubile nei grassi; questa caratteristica è all’origine del tipico colore giallo pallido del burro; gli animali da pascolo, mangiando l’erba, ingeriscono i caroteni e i carotenoidi in essa contenuti; questi pigmenti, essendo lipofili, cioè solubili nei grassi, vengono sciolti dalla porzione lipidica del latte e li ritroviamo poi nei suoi derivati, ad esempio il burro.
■ Capitolo 19 – Il carbonio e gli idrocarburi
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il tuo riassunto Scegli i termini corretti e inserisci quelli mancanti nelle seguenti frasi: • 1£La parte della chimica che studia i composti
•9£I nomi dei termini successivi indicano il numero di atomi di
presenti nella molecola.
• 10£La sequenza dei componenti di una famiglia di
del carbonio è chiamata
sostanze organiche prende il nome di
.
.
• 2£L’atomo di carbonio, numero atomico
•11£Se ad un alcano viene tolto un atomo di idrogeno
, appartiene al gruppo e al
si ottiene una specie chimica detta radicale
.
periodo del Sistema Periodico.
L’atomo di carbonio raggiunge una condizione di stabi-
• 12£I radicali sono gruppi atomici che contengono un
lità formando
atomo con una configurazione elettronica incompleta . Questa condizione conferisce ai radicali una
completa
legami covalenti sia
con atomi diversi sia con altri atomi di
forte prodotto reattività chimica. rapporto debole
.
•13£Nella denominazione dei radicali degli alcani, al
• 3£Le caratteristiche fondamentali dell’atomo di carbonio sono: una costante
bivalenza , tetravalenza
suffisso
viene sostituito il suffisso
la tendenza a formare
legami covalenti , la tendenza a lelegami ionici
.
garsi ad altri atomi di
e a formare ca-
•14£La formula
tene più o meno lunghe.
composizione atomica elementare della molecola.
•4£I quattro legami covalenti del metano sono chimicamente
equivalenti . diversi
•15£Il maggiore numero di informazioni si ricava dalla formula di
• 5£Gli idrocarburi sono classificati nelle seguenti famiglie: alcani,
,
.
•16£L’isomeria consiste nell’esistenza di più formule
.
di
a partire da una stessa formula .
• 6£La formula generale degli alcani è
fornisce soltanto la
.
•17£Le sostanze che manifestano il fenomeno del-
• 7£La nomenclatura degli alcani prevede una parte
l’isomeria sono dette
fissa costituita dalla desinenza
uguali a tutti gli effetti. diverse
e una
e sono sostanze
parte variabile.
•18£I legami delle molecole degli alcani sono cova-
•8£I nomi dei primi quattro termini della serie degli
lenti poco polari; ne consegue una
alcani sono:
, etano, .
,
chimica. Questi idrocarburi sono indicati anche con il nome di reattivi.
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■ T5 – La chimica del carbonio
scarsa reattività notevole
, che significa
molto poco
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• 26£Il
•19£Gli alcheni, denominati anche idrocarburi sono caratterizzati dalla presenza di un
mento dei composti aromatici.
legame -C=C- nella loro molecola.
• 27£Il problema della struttura del benzene fu
•20£La formula generale degli alcheni è
.
con
• 28£Il comportamento chimico del benzene si giustifica con la presenza, nella sua molecola, di legami
• 22£Gli alcheni hanno una forma di isomeria detta
semplici e
o isomeria dovuta alla
alternati tra gli atomi
di
flessibilità del doppio rigidità
.
• 29£La molecola del benzene è un
legame. •23£Gli alcheni danno reazioni di
di risonanza fra due
e
limite; questa
proprietà rende la molecola del benzene particolar-
.
mente •24£Gli alchini sono idrocarburi nella cui molecola è presente un
che
.
sulla radice dell’alcano
lo stesso numero di atomi di carbonio. la metà del
di
risolto dal chimico tedesco lineare ipotizzò una struttura , di forma chiusa ad anello
•21£La nomenclatura degli alcheni consiste nell’uso della desinenza
è l’idrocarburo di riferi-
stabile . instabile
• 30£Le principali reazioni di sostituzione del ben-
legame covalente.
zene sono: alogenazione, •25£La formula generale degli alchini è
.
Crafts, nitrazione e
di Friedel e .
■ Capitolo 19 – Il carbonio e gli idrocarburi
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La costruzione delle catene proteiche avviene attraverso un processo di condensazione fra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro amminoacido. condensazione
R
condensazione
R
R
H N C C OH H N C C OH H N O
H N O
amminoacido
amminoacido
Proteine nello spazio
R
H N C C N C C OH + H2O H H O H H O
Possiamo notare che, in questo modo, ad una estremità della catena si trova un gruppo amminico e all’altra un gruppo carbossilico; questa condizione consente la formazione dei polimeri chiamati proteine. Il legame che unisce due amminoacidi è detto legame peptidico. Il legame peptidico può essere così schematizzato: H C
N
O Cristalli proteici fatti crescere all’interno delle stazioni spaziali russe e americane, fotografati sotto luce polarizzata; l’assenza di gravità consente di ottenere dei cristalli più grandi e più facili da studiare.
Le proteine meritano una particolare attenzione per le diverse funzioni che ricoprono nel metabolismo degli esseri viventi e nella loro stessa esistenza.
Le proteine strutturali svolgono funzioni di tipo meccanico e sono presenti soprattutto nei tessuti connettivi, ad esempio il tessuto osseo e la pelle. Le proteine enzimatiche, che svolgono la funzione di catalizzatori biologici, sono fondamentali in molti processi del metabolismo cellulare, ad esempio nella respirazione cellulare. Le proteine chiamate anticorpi svolgono una funzione immunitaria, vale a dire difendono l’organismo dagli attacchi di agenti patogeni di diversa natura. L’esempio più significativo di proteine di trasporto, infine, è rappresentato sicuramente dall’emoglobina, molecola responsabile del trasporto dell’ossigeno dai polmoni ai diversi tessuti del corpo, e dell’anidride carbonica dai tessuti ai polmoni.
La respirazione cellulare
■ Capitolo 20 – Le famiglie dei composti organici
481
7
6
5
4
3
2
1
periodi
3
4
5
7
10
11
12
5
6
7
V
8
VI
16
9
VII
17 VIII
18
226
223
Ra
Fr radio
88
87 francio
bario
137,3
cesio
227
Ac
attinio
89
138,9
lantanio
56
Ba
55
Cs
132,9
57
87,62
La
88,91
stronzio
rubidio
85,47
ittrio
39
38
Sr
37
Rb Y
44,96
scandio
21
Sc
calcio
K 40,08
20
Ca
19 39,1
24,31
potassio
magnesio
sodio
22,99
afnio
261
Rf
rutherfordio
104
178,5
Hf
72
91,22
zirconio
Zr
40
47,87
titanio
22
Ti vanadio
niobio
tantalio
renio
231
protoattinio
232
torio
238
uranio
U
92
91
Pa
90
144,2
140,9
praseodimio neodimio
Th
140,1
cerio
60
Nd
59
Pr
58
Ce
Bh
bohrio
107
186,2
Re
75
98
tecnezio
Tc
43
54,94
manganese
25
Mn
264
Sg
seaborgio
106
183,9
tungsteno
W
74
95,94
molibdeno
Mo
42
52
cromo
24
Cr
266
262
Db
dubnio
105
180,9
Ta
73
92,91
Nb
41
50,94
V
23
6
ferro
rutenio
osmio
237
nettunio
Np
93
145
promezio
Pm
61
269
Hs
hassio
108
190,2
Os
76
101,1
Ru
44
55,85
Fe
26
8
cobalto
rodio
iridio
samario
244
plutonio
Pu
94
150,4
Sm
62
268
Mt
meitnerio
109
192,2
Ir
77
102,9
Rh
45
58,93
Co
27
9
palladio
platino
europio
243
americio
Am
95
152,0
Eu
63
269
Uun
ununnilio
110
195,1
Pt
78
106,4
Pd
46
58,69
nichel
28
Ni
argento
oro
247
curio
Cm
96
157,3
gadolinio
Gd
64
272
Uuu
unununio
111
197
Au
79
107,9
Ag
47
63,55
rame
29
Cu
cadmio
terbio
247
berkelio
Bk
97
158,9
Tb
65
277
Uub
ununbio
112
200,6
mercurio
Hg
80
112,4
Cd
48
65,39
zinco
30
Zn
gallio
indio
tallio
251
californio
Cf
98
162,5
disprosio
Dy
66
–
–
Uut
113
204,4
Tl
81
114,8
In
49
69,72
Ga
31
26,98
alluminio
silicio
stagno
piombo
olmio
252
einsteinio
Es
99
164,9
Ho
67
289
Uuq
ununquadio
114
207,2
Pb
82
118,7
Sn
50
72,59
germanio
Ge
32
28,09
Si
14
13
Al
12
Mg
11
Na
carbonio
12,01
boro
10,81
9,012
C
6,941
1,008
B
berillio
Be
Li
H idrogeno
litio
4
3
1,008
idrogeno
azoto
fosforo
erbio
257
fermio
Fm
100
167,3
Er
68
–
–
Uup
115
209,0
bismuto
Bi
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121,8
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51
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33
30,97
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14,01
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168,9
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52
78,96
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32,07
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16
16
ossigeno
O
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173,0
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