Materia:Chimica
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Chimica generale
Dalla filosofia alla struttura atomica
Introduzione
Fin dall'antichità gli uomini si sono chiesti da cosa fosse formata la materia che ci circonda. Questa sembrava essere una di quelle domande esistenziali che gli uomini spesso si pongono e che era destinata a non dover mai trovar risposta. Per quanto possa sembrare strano una delle prime teorie a risoluzione di tale quesito fu proprio quella che meglio si avvicinò alla realtà delle cose, quasi 2500 anni fa, nel V sec a.c., il filosofo greco Leucippo e il suo allievo Democrito proposero un'interpretazione della realtà fondata sull'esistenza di particelle infinitesimamente piccole che loro consideravano fondamento primo della materia e per tal motivo indivisibili ulteriormente (da qui il nome di atomo cioè non-divisibile). Purtroppo la loro teoria, che forse avrebbe permesso uno sviluppo molto più prematuro della disciplina chimica, fu fortemente contrastata dalle idee dei ben più famosi e riveriti Platone e Aristotele, in particolar modo quest'ultimo con le sue teorie "fisiche" avrebbe dominato il pensiero scientifico della storia fino XVII-XIX secolo.
La nascita della chimica moderna
2200 anni dopo le prime ipotesi di Leucippo e Democrito (che con la chimica a rigor del vero avevano ben poco a che fare) queste furono riprese da un brillante scienziato John Dalton (1766-1844). Egli formulò i seguenti asserti:
- Gli atomi sono il costituente fondamentale della materia e sono oggetti indivisibili e indistruttibili (naturalmente queste due ultime teorie sono state ampiamente confutate);
- Tutti gli atomi dello stesso elemento hanno massa uguali e stesse proprietà, mentre elementi diversi hanno sia massa che proprietà più o meno dissimili;
- I composti sono il risultato della combinazione di due o più atomi;
- Durante le trasformazioni chimiche avviene solo una combinazione o una separazione delle unità atomiche, nessun atomo viene distrutto o creato e nessun elemento si trasforma in un elemento differente.
Questi quattro principi di Dalton si basano sulle evidenze sperimentali che qualche anno prima aveva verificato un importante studioso francese Antoine Lavoisier (1743-1794). Egli aveva infatti dimostrato che durante una reazione chimica (o una serie di reazioni chimiche) la quantità di reagenti presenti all'inizio del processo eguagliano in massa la quantità di reagenti presenti alla fine e che in linea teorica qualsiasi tipo di reazione chimica può essere invertità per riottenere dai prodotti le stesse quantità di reagenti iniziali.
La divisibilità dell'indivisibile, le particelle subatomiche
Nonostante il significato della parola atomo, che significa non divisibile, andando avanti con gli studi e con la scoperta della radioattività si è arrivati a scoprire che l'atomo era composto prima da 2 poi da 3 particelle sub atomiche.
- Protone
- Elettrone
- Neutrone
Queste tre particelle dividono l'atomo in 2 parti: nucleo in cui si trovano protoni e neutroni e l'esterno in cui si trovano gli elettroni. Nel nucleo protoni e neutroni determinano la massa atomica e un atomo essendo elettricamente neutro, per definizione ha ugual numero di protoni ed elettroni. Altrimenti, in caso di squilibrio tra il numero di protoni ed elettroni si chiamerebbe: Anione (acquisto di elettrone) e Catione (perdita di elettrone). I protoni sono le particelle con carica positiva e massa circa 1800 volte quella dell'elettrone, il neutrone è quella particella priva di carica che permette la coesione dei protoni nel nucleo che altrimenti si respingerebbero per la forza di attrazione elettromagnetica ed hanno massa circa uguale a quella del protone. L'elettrone isolato è assimilabile a un punto materiale, dotato di massa molto piccola, e che può raggiungere velocità prossime a quella della luce(velocità che secondo la teoria della relativà non è mai raggiungibile per tutte le particelle dotate di massa). All'intero dell'atomo è una carica elettrica delocalizzata (facilmente immaginabile come una nuvola) che si muove in vari stati stazionari. Ovvero luoghi di spazio, con una distanza media ben definita dal nucleo, in cui l'elettrone può muoversi senza perdere energia e non perdendo energia non rischia di decadere sul nucleo o di scappare via dal sitema. L'elettrone a differenza di protone e neutrone è una particella elementare, indivisibile, protone e neutrone no. Infatti è stato scoperto di recente, con lo sviluppo della fisica o meccanica quantistica e della fisica atomica e sub-atomica, che protone e neutrone sono composte da altre particelle elementari: quark e gluoni
- Protone: 2 quark up e 1 quark down
- Neutrone: 2 quark down e 1 quark up
con i gluoni che compongono il collante o colla, che è poi il significato della parola stesa gluone, che tengono insieme i quark. In natura il nucleo atomico ha una grandezza massima definita: 0,000000000000013 cm è il limite max riempibile con protoni e neutroni, oltre questo limite anche un solo protone verrebbe respinto. Infatti in natura questo limite è rappresentato dall'atomo di Uranio (U) cn la bellezza di 92 protoni e 146 neutroni. E il minimo è ovviamente rappresentato dall'atomo di idrogeno, l'atomo più semplice composto da un solo protone e da un solo elettrone. Tutti gli elementi presenti in natura sono rappresentati sulla tavola periodica degli elementi. Gli elementi artificiali, che avendo un numero atomico (n° protoni e quindi elettroni) superiore a quello dell'uranio e quindi chiamati transuranici, sono creati in laboratorio e durano in genere pochi istanti di secondo.
La scoperta degli elettroni
La scoperta dei protoni
La scoperta dei neutroni
Le molecole e i legami chimici
Il legame ionico
Come abbiamo già accennato precedentemente, la materia è formata da molecole, cioè aggregati di atomi che vengono tenuti insieme da forze di attrazione di tipo coloumbiana. Il modo più semplice per tenere insieme due atomi è quella che passa attraverso la formazione di anioni e cationi, che poi si attraggono per la semplice attrazione elettrostatica(anche se questa è un'approssimazione, seppur estremamente attendibile). Facciamo un esempio: Sodio e Cloro. Il sodio è un elemento chimico che possiede 11 protoni nel nucleo (che quindi ha carica +11) e 11 elettroni negli orbitali intorno al nucleo (che quindi sommano ad una carica di -11); il cloro possiede invece 17 protoni (carica +17) e altrettanti elettroni (carica -17). Come possiamo vedere questi elementi sono neutri elettricamente, cioè la carica del nucleo e quella degli elettroni danno somma 0. La configurazione orbitale di questi due elementi non è la più stabile possibile, in quanto nel caso del sodio un solo elettrone occupa un livello energetico elevato come il 3s senza il quale assumerebbe la configurazione elettronica esterna del gas nobile Neon, mentre il cloro possiede un orbitale deficitario di un unico elettrone che lo porterebbe ad assumere la configurazione del gas nobile Argon. Per questo motivo il sodio (che nello stato fondamentale viene definito metallico) tende facilmente a lasciar andare quell'elettrone esterno e quindi a ionizzarsi, diventando così un catione Na+. A sua volta il cloro tende ad acquistare quell'elettrone rilasciato dal sodio (naturalmente l'elettrone può avere qualsiasi origine, non per forza quella del sodio) e a ionizzarsi a sua volta, diventando un anione cloruro Cl-. A questo punto i nostri due atomi sono assimilabili a due sferette cariche elettricamente e aventi carica opposta, per questo motivo sono soggette all'attrazione elettrostatica che quindi le tiene accoppiate a formare il cloruro di sodio NaCl, elidendo così mutuamente le cariche fino a formare un composto neutro. Dietro a tutto questo macchinoso meccanismo non si nasconde altro che il comune sale da cucina, NaCl appunto.
Il legame covalente
Il legame metallico
Strutture di Lewis
Strutture di Bravis
Le strutture di Bravis sono state scoperte intorno agli anni 40-60 con lo sviluppo delle prime tecnologie con uso di radiazioni. Quando si parla di questre strutture non si intende più il legame tra i singoli atomi e la loro angolazione come nella struttura di Lewis o nel modello VSEPR, ma bensì si riferiscono ad un intera mole di sostanza. Le geometrie molecolari descritte da Bravis vengono divise in tre categorie:
- Cubica
- Corpo centrato
- Esagonale
Tuttavia, la maggioranza dei metalli e delle sostanze solide si aggrega formando reticoli cristallini differenti da quelli base; allora si parla di:
- cubico a corpo centrato
- Cubico a facce centrate
- Esagonale compatto
Le reazioni chimiche e la stechiometria
La teoria dei gas e le proprietà colligative
Gli equilibri chimici
Acidi e basi
La prima definizione di acidi e basi si deve ad Arrhenius: un acido è una sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni H+, una base è una sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni OH-. Classico esempio di un acido è il basilare HCl (Acido cloridrico). Secondo Arrhenius questo è un acido perché si dissocia in acqua liberando uno ione H+. La reazione di dissociazione è la seguente:
HCl--->H+ + Cl-
Chimica organica
Introduzione
La chimica organica prende in esame i composti del carbonio. Tali composti erano ritenuti provenire esclusivamente da organismi vegetali e animali, da cui appunto la definizione di chimica organica, fino a quando nel 1828 il tedesco Friedrich Wöhler sintetizzò in laboratorio, partendo da composti inorganici, l'urea.
