Luca Fiorani
Chimica e
didattica
della chimica
Atomi e legami
Luca Fiorani – Chimica e
didattica della chimica
Molecole costruite dall'uomo
 L'uomo


estraendo minerali (ferro, rame, zolfo, carbonio,
marmo, calcare, petrolio…) dalla Terra
attaccando e staccando atomi e molecole (a volte
producendo inquinamento)
 Dal




continua il lavoro della natura:
petrolio otteniamo:
fibre
materie plastiche
vernici e solventi
carburanti
 Farmaci
e cosmetici sono ottenuti chimicamente
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L'identità degli atomi
 Ciò
che rende ogni elemento chimico diverso da
ogni altro è il numero di protoni ed elettroni
 L'idrogeno ha un protone e un elettrone
 Alla fine del XVIII secolo gli atomi avevano nome,
simbolo e massa
 Oggi sono indicati con numero di massa e
numero atomico, ad esempio il simbolo 𝟏𝟐𝟔𝐂
indica l'atomo di carbonio avente 12 nucleoni (6
protoni e 6 neuroni) e 6 protoni (ed elettroni)
 Ogni atomo resta se stesso anche se combinato
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
I
chimici hanno assegnato agli elementi dei
numeri che indicano le capacità di
combinazione: 5 per N, 4 per C, 2 per O…
 La struttura della nuvola elettronica determina la
capacità degli atomi di reagire chimicamente
 Un metallo non si combina con un metallo, i
metalli alcalino-terrosi, si combinano facilmente
con l'O, gli alogeni si combinano con l'H
formando acidi forti…
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
 Nella
formazione delle molecole, gli elettroni
periferici di un atomo interagiscono con gli
elettroni periferici di altri atomi, formando legami
 Avviene una parziale sovrapposizione dello
spazio occupato dagli elettroni periferici
 Mettere in comune gli elettroni è la regola per
costruire molecole, formate da atomi uguali o
diversi
 Gli elettroni si riorganizzano, formando una "colla
elettronica" che permette ai nuclei di avvicinarsi,
raggiungendo una posizione di equilibrio
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
 Il
bilanciamento tra attrazioni
(cariche elettriche di segno
diverso) e repulsioni (cariche
elettriche dello stesso segno)
determina forma, stabilità e
capacità di reazione delle
molecole
 Il legame chimico è indicato
con una barretta (H2O si scrive
anche H-O-H) e può essere
covalente o ionico
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
 Il
legame covalente può
essere doppio e triplo
 Esistono legami più deboli:
il legame a idrogeno
(regioni cariche delle
molecole si attraggono) e
il legame di van der Waals
(regioni neutre delle
molecole si attraggono a
causa di vibrazioni
elettromagnetiche)
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
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I legami tra gli atomi: le teorie sulla
valenza
 Nei
metalli, gli atomi sono tenuti assieme da un
"gas" di elettroni di valenza che si muovono
liberamente nella struttura cristallina
(compattezza, lucentezza, conduzione di calore
ed elettricità)
 La valenza è un numero piccolo e intero che
indica la potenzialità di un atomo nello stabilire
legami con altri
 La valenza è legata al numero di elettroni
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Energie di legame
 Per
combinarsi, gli atomi devono urtarsi, quindi è
necessario fornire energia
 Siccome la formazione di una molecola porta a
una situazione di equilibrio più stabile, una certa
quantità di energia è ceduta all'ambiente
 Viceversa, per staccare di nuovo gli atomi,
occorre fornire la stessa quantità di energia che è
stata ceduta all'ambiente
 Questa quantità di energia si chiama energia di
legame
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I nomi delle molecole
 Quando
il carbonio brucia in un'atmosfera
povera di ossigeno si forma il monossido di
carbonio o CO
 Quando il carbonio brucia in un'atmosfera ricca
di ossigeno si forma il diossido di carbonio CO2 (o
biossido di carbonio o anidride carbonica)
 I nomi delle molecole non sempre indicano le
quantità: cloruro di sodio, ossido di ferro, metano,
glucosio…
 Le formule grezze indicano le quantità: NaCl,
Fe2O3, CH4, C6H12O6
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I nomi delle molecole
 Le
formule di struttura indicano i
legami fra gli atomi
 Esistono molecole con la stessa
formula di struttura ma con
proprietà diverse (isomeri) a
causa della differente disposizione
nello spazio degli atomi
 Occorrono rappresentazioni
spaziali tridimensionali delle
molecole (stereochimica)
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CH2OH(CHOH)4CHO
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Le equazioni chimiche
 Conoscendo
la composizione di una sostanza si
può progettare la reazione per ottenerla dagli
elementi che la compongono (sintesi), quella per
isolare gli elementi che la compongono (analisi)
e quella per combinarla con altre sostanze
(reazione chimica)
 Conservazione della massa: gli atomi non
possono sparire
 Come si può dire che il C di un pezzo di legno si
conserva nella CO2 dopo che è stato bruciato
all'aria?
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Le equazioni chimiche
 La
CO2 è un gas incolore e solubile in acqua
mentre il C è un solido nero insolubile in acqua
 Ciò che si conserva sono gli atomi che, nelle
reazioni, si spostano da un composto all'altro
 Le molecole hanno differenze qualitative che
dipendono dalla loro composizione
 L'individualità di una molecola dipende dalla
perdita di individualità degli atomi che la
compongono
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Le equazioni chimiche
I
rapporti di combinazione sono costanti (CO e
CO2, ma non CO3!)
 È possibile ottenere una sostanza facendo
reagire, nella quantità giusta, le molecole che
contengono gli atomi necessari per comporre il
prodotto
 Ad esempio, per ottenere ammoniaca, bisogna
far reagire N e H in precise proporzioni:
N2+3H2 →2NH3
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Le equazioni chimiche
 Le
equazioni chimiche indicano quali sostanze
(reagenti) sono combinate e quali sostanze
(prodotti) sono ottenute
 Il tipo e la massa di ogni elemento a sinistra deve
essere uguale al tipo e alla massa di ogni
elemento a destra
 Quando la percezione ci imbroglia (la cera della
candela scompare) bisogna considerare la
materia dispersa nell'aria
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Le forze intermolecolari
 Quando
moltissime molecole di H2O si trovano
assieme formano l'acqua, essendo legate fra loro
in una goccia, una pozzanghera, un lago…
 I legami intermolecolari sono elettrici (come
quelli intramolecolari) ma più deboli
 Per questo le molecole d'acqua restano unite ma
scorrono l'una sull'altra (liquido)
 Se diminuisce la temperatura, le molecole di H2O
si organizzano nella struttura cristallina del
ghiaccio (solido)
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Le forze intermolecolari
 Se
aumenta la temperatura, le molecole di H2O si
agitano fino a staccarsi dalla superficie liquida e
si disperdono nell'aria sotto forma di vapore
(aeriforme)
 Per vincere le forze intermolecolari occorre
energia
 Il vapore e l'acqua possono restituire l'energia
(condensazione e solidificazione)
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Fine della lezione…
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