Dispense prodotte nel corso POF
“Giochi della Chimica 2012”
II Lezione
Variabili o parametri di stato.
• In termodinamica lo stato di un sistema è definito da un
punto di vista macroscopico, per mezzo di alcune
proprietàche possono rappresentarlo nel suo complesso. Le
grandezze di interesse termodinamico sono la temperatura,
la pressione, il volume, la densità, eventualmente la
concentrazione dei singoli elementi chimici, se in un sistema
ne sono presenti più d'uno, ecc.
• Chiameremo queste grandezze variabili o parametri di
stato.
• Se si considera un sistema costituito da una certa quantità di
gas chimicamente puro, le sue variabili termodinamiche sono
il volume V, la pressione p e la temperatura t. Queste
grandezze non sono indipendenti fra loro. In altre parole, i
tre parametri di stato di un sistema gassoso sono legati da
una relazione che ci permette di determinare uno qualsiasi di
essi quando siano noti gli altri due.
• Pertanto, lo stato termodinamico di una certa quantità di gas
è completamente definito dai valori di due qualsiasi delle
variabili V, p e t.
Gas ideali o gas perfetti
Per gas ideale si intende un gas che
possieda le seguenti proprietà (modello di
gas ideale)
•le molecole sono puntiformi, per cui il
volume delle particelle è trascurabile in
confronto al volume totale entro il quale
sono libere di muoversi.
•interagiscono tra loro e con le pareti del recipiente mediante urti
perfettamente elastici (non vi è dispersione di energia durante gli urti);
•non esistono forze di interazione a distanza tra le molecole del gas;
•le molecole del gas sono identiche tra loro e indistinguibili.
•l’energia cinetica media (dovuta al moto) e la velocità delle particelle
sono direttamente proporzionali alla temperatura assoluta del gas.
In un gas reale la situazione è generalmente più complessa, Ad esempio esistono, se
pur deboli, delle forze di coesione che agiscono soprattutto a basse temperature e a
pressioni elevate. Il comportamento di un gas reale può essere assimilato a quello di un
gas perfetto quando è molto rarefatto e quando di è lontani dalla temperatura critica,
cioè da quel valore di temperatura al di sotto del quale il gas diventa liquido con
adeguata compressione
Le leggi dei gas
Il comportamento di un gas perfetto è completamente definito da
tre variabili indipendenti, dette variabili di stato, che sono la
pressione (simbolo p) che il gas esercita sul recipiente, il volume
(simbolo V) occupato dal gas e la temperatura (simbolo T, misurata
in kelvin). Le relazioni tra le variabili di stato, dette leggi dei gas,
definiscono completamente il comportamento di un gas in tutte le
situazioni fisiche.
Mantenendo costante una delle tre grandezze, e variando le altre
due, si ottengono le tre leggi empiriche dei gas perfetti, ricavate
sperimentalmente prima del XVIII secolo.
Una trasformazione che avviene in un gas mantenendo costante
la sua temperatura, e facendo variare pressione e volume, si dice
trasformazione isoterma; una trasformazione a pressione costante
si dice isobara, mentre una trasformazione a volume costante si
dice isocora.
Gay Lussac
Charles e
Legge Boyle e Mariotte
La legge di Boyle stabilisce che a temperatura costante il volume
di un gas è inversamente proporzionale alla sua pressione, ovvero
che:
PxV=K
Tale costante è funzione (crescente) della temperatura assoluta e
del numero di moli.
V(L)
1
0,5
0,25
P(atm)
1
2
4
PV
1
1
1
Legge di Charles (o prima legge di Gay Lussac o legge isobara dei gas)
La legge di Charles fu ricavata come legge di dilatazione dei gas allorché Charles scoprì che
tutti i gas (supposti a comportamento ideale), a pressione costante, subiscono la stessa
dilatazione all'aumentare della temperatura, secondo una legge data dalla relazione:
V(t) = V0(1 + αt) (P = costante)
dove la temperatura è misurata in gradi centigradi, V0 è il volume del
gas a t = 0 °C e α è il coefficiente di dilatazione termica del gas uguale
numericamente a 1/273,15.
Secondo questa formulazione deve esistere una temperatura limite (inferiore a 0 °C) tale
per cui il gas non occupa alcun volume.
Tale temperatura si può ricavare trovando il valore di t per il quale V(t)=0.
Si ottiene: t = -273,13 °C pari al valore T = 0 K nella scala Kelvin, detta anche scala
delle temperature assolute.
Se si misura la temperatura in gradi Kelvin (temperatura assoluta), la legge di Charles
assume la forma più semplice:
V(T) = V0 α T (P = costante)
In cui si nota che a pressione costante il volume di un gas è direttamente proporzionale alla
sua temperatura assoluta
Da quest’ultima equazione possiamo ricavare una forma della
legge di Charles più utile per i calcoli:
V1 / T1 = V2 / T2 (P = costante)
Nella quale T è espressa in gradi Kelvin.
Legge di Gay Lussac (o seconda legge di Gay Lussac o legge isocora dei gas)
La legge di Gay Lussac dice che a volume costante, la pressione aumenta linearmente con la
temperatura, secondo una legge data dalla relazione:
p(t) = p0(1 + αt) V = costante)
dove la temperatura è misurata in gradi centigradi, p0 è la pressione del
gas a t = 0 °C e α è il coefficiente di dilatazione termica del gas uguale
numericamente a 1/273,15.
Secondo questa formulazione deve esistere una temperatura limite (inferiore a 0 °C) tale
per cui il gas ha pressione uguale a zero.
Tale temperatura si può ricavare trovando il valore di t per il quale p(t)=0.
Si ottiene: t = -273,13 °C pari al valore T = 0 K nella scala Kelvin, detta anche scala
delle temperature assolute.
Se si misura la temperatura in gradi Kelvin (temperatura assoluta), la legge di Gay Lussac
assume la forma più semplice:
p(T) = p0 α T (V = costante)
In cui si nota che a volume costante la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla
sua temperatura assoluta
Da quest’ultima equazione possiamo ricavare una forma della
legge di Gay Lussac più utile per i calcoli:
p1 / T1 = p2 / T2 (v = costante)
Nella quale T è espressa in gradi Kelvin.
EQUAZIONE DI STATO DEI GAS
Questa equazione lega insieme tutti e tre i parametri: pressione, volume e
temperatura.
La sua formulazione è la seguente:
PV = nRT
dove
n è il numero di moli del gas,
T è la temperatura in gradi Kelvin
R è la costante universale dei gas il cui valore varia in funzione delle
unità di misura adottate per esprimere le altre grandezze nell'equazione
R = 8,314472 Joule/(moli x gradi Kelvin), nel Sistema Internazionale
R = 0,0821 (litri x atmosfere) / (moli x gradi Kelvin)
Nei calcoli pratici, questa equazione viene usata nella forma:
P1V1 / T1 = P2V2 / T2
(ricordiamo sempre che in questa formula dobbiamo esprimere T in gradi Kelvin).
LEGGE DI AVOGADRO:
Volumi uguali di gas diversi, a parità di
pressione e temperatura, contengono lo
stesso numero di molecole.
Per esempio, a parità di condizioni di pressione e
temperatura, un litro di Ossigeno o un litro di
Cloro, contengono lo stesso numero di molecole.
La legge di Avogadro implica anche che a pressione e temperatura costanti,
il volume di un gas è direttamente proporzionale al suo numero di molecole.
Inoltre tenendo in considerazione la legge di combinazione dei volumi di Gay
Lussac (il rapporto tra i volumi di gas che reagiscono tra loro è espresso da
numeri interi e piccoli), la legge di Avogadro implica che la materia possa
essere costituita da molecole.
Ad esempio 3 volumi di idrogeno di combinano con 1 volume di azoto per
formare 2 volumi di ammoniaca. Poiché gli atomi entrano in combinazione
come unità intere, i due volumi di ammoniaca saranno necessariamente
costituiti da N2 e i 3 volumi di idrogeno saranno costituiti da H2.
La reazione sarà quindi 3H2+N2=2NH3
Se i gas fossero allo stato monoatomico la reazione tra tre volumi di ammoniaca e 1
volume di azoto porterebbe ad un solo volume di NH3.
3H + N = NH3
Numero di ossidazione
Il numero di ossidazione di un atomo in un composto indica il numero
di elettroni che l'atomo acquista o cede (realmente o formalmente) a
seconda che gli atomi cui è legato siano meno elettronegativi o più
elettronegativi.
Altra definizione: il numero di ossidazione indica la carica, reale o
formale, che acquista un atomo rispetto alla condizione di neutralità
quando si assegnano convenzionalmente gli elettroni di legame
-3
all'atomo più elettronegativo.
-2
O
+1
H H +1
-2
+4
-2
O C O
N
H
H
H
+1 +1 +1
In genere il numero di ossidazione dell'ossigeno è -2 mentre quello
dell'idrogeno è +1.
Gli elementi però possono avere più numeri di ossidazione, nella
maggior parte dei casi sono i metalli di transizione e i non metalli.
Per calcolare i numeri di ossidazione degli elementi di un composto si deve
innanzitutto stabilire quale di essi è il più elettronegativo
Poi si attribuiscono ad esso tutti gli elettroni di legame
Si vede quindi la carica assunta dagli atomi dopo questa fittizia attribuzione
REGOLE PER IL CALCOLO DEI NUMERI DI OSSIDAZIONE
1) Tutte le sostanze allo stato elementare hanno
numero di ossidazione zero
2) Negli ioni monoatomici gli elementi hanno
numero di ossidazione uguale alla carica ionica
0
0
O O
+1
+
Na
–1
–
Cl
3) In ogni composto l’elemento più elettronegativo di tutti ha sempre
numero di ossidazione negativo, mentre tutti gli altri elementi hanno
numero di ossidazione positivo
4) La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di tutti gli
elementi presenti in un composto è uguale a zero, se il composto è neutro,
oppure è uguale alla carica ionica, se il composto è uno ione poliatomico
5) Alcuni elementi mantengono costante il loro numero di ossidazione in
tutti i composti che formano, mentre altri lo variano da un composto all’altro
In generale i numeri di ossidazione seguono il seguente schema:
a) L’idrogeno ha sempre numero di ossidazione +1 oppure -1;
b) I metalli hanno solo numeri di ossidazione positivi;
c) I non metalli possono avere numeri di ossidazione positivi o negativi;
d) Tranne alcune eccezioni gli elementi di gruppi pari hanno solo numeri di
ossidazione pari, mentre quelli dei gruppi dispari hanno solo numeri di
ossidazione dispari;
e) Per tutti gli elementi, il numero di ossidazione positivo il più alto
corrisponde al numero del gruppo cui l’elemento appartiene. Per quanto
detto sopra, gli altri numeri di ossidazione si ottengono riducendo di 2, 4 o
6 unità il numero di ossidazione più alto.
Composti inorganici e nomenclatura
Nomenclatura tradizionale:
Prevede l’uso di prefissi e suffissi, in base al numero di ossidazione dei vari
elementi
Il nome del composto dipende dal numero di ossidazione degli elementi nel
composto.
Nel caso di 2 diversi numeri di ossidazione:
• desinenza -oso, per il numero di ossidazione minore (ferroso, rameoso,
piomboso)
• desinenza -ico, per il numero di ossidazione maggiore (ferrico, rameico,
piombico)
Nel caso in cui vi siano vi siano più di 2 numeri di ossidazione si usa questa
nomenclatura:
• +1 o +2; ipo- -oso, acido ipocloroso
• +3 o +4; -oso, acido cloroso
• +5 o +6; -ico, acido clorico
• +7; per- -ico, acido perclorico
Nomenclatura ufficiale (o IUPAC):
Si indica il numero di atomi di ogni elemento
presenti all’interno del composto, tramite
prefissi di origine greca; quando è presente un
solo atomo di un elemento non si utilizza alcun
prefisso
In alcuni casi il numero di ossidazione viene
indicato tra parentesi a fianco del nome del
composto
n° atomi prefisso
2
bi (o di)
3
tri
4
tetra
5
penta
6
esa
7
epta
Alcuni nomi tradizionali, fortemente radicati nell’uso comune, quali
acqua, ammoniaca (NH3) o metano (CH4), sono stati accettati come
internazionalmente validi.
Ossidi
Gli ossidi sono composti binari formati dalla combinazione di un elemento (tranne i
gas nobili e il fluoro) con l'ossigeno. Esistono gli ossidi dei metalli, ossidi basici; e gli
ossidi dei non metalli, ossidi acidi o anidridi.
Ossidi basici
Composti binari formati dall’unione di un metallo con l’ossigeno. Poiché l’ossigeno
è molto più elettronegativo dei metalli, tutti gli ossidi sono composti ionici e quindi
solidi a temperatura ambiente
Nomenclatura tradizionale
a)
•
se il metallo ha un solo numero di ossidazione:
ossido di + nome metallo (es. ossido di sodio Na2O)
b) se il metallo ha due numeri di ossidazione:
•ossido + nome metallo con desinenza OSO, per il numero di ossidazione minore. Ad es.
ossido piomboso PbO (numero di ossidazione +2);
•ossido + nome metallo con desinenza ICO, per il numero di ossidazione maggiore. Ad es.
ossido piombico PbO2 (numero di ossidazione +4).
Nomenclatura ufficiale
Si conta il numero di atomi di ogni elemento e si utilizzano i relativi prefissi, insieme al termine
“ossido di”. Ad es. Na2O ossido di disodio; PbO ossido di piombo (+2); PbO2 biossido di
piombo (+4); se il metallo ha più numeri di ossidazione, al nome del metallo si fa seguire il
numero di ossidazione messo tra parentesi
Anidridi o ossidi acidi:
Composti binari formati dall’unione di un non metallo con l’ossigeno
La differenza di elettronegatività tra l’ossigeno e non metalli è piccola; le anidridi
sono quindi composti covalenti più o meno polari, che a temperatura ambiente
possono essere solidi, liquidi o gassosi.
Nomenclatura tradizionale
a) se il non metallo ha un solo numero di ossidazione:
anidride + nome non metallo con desinenza ICA (es. anidride carbonica CO2)
b) se il non metallo ha due numeri di ossidazione:
anidride + nome non metallo con desinenza OSA, per il numero di ossidazione minore. Ad
es. anidride solforosa SO2 (+4);
anidride + nome non metallo con desinenza ICA, per il numero di ossidazione maggiore.
Ad es. anidride solforica SO3 (+6).
c) se il non metallo ha quattro numeri di ossidazione, come gli elementi del 7° gruppo
(+1,+3,+5,+7):
anidride IPO nome non metallo con desinenza OSA per il numero di ossidazione +1. Es.
Cl2O anidride ipoclorosa;
anidride + nome non metallo con desinenza OSA, per il numero di ossidazione +3. Es.
anidride clorosa Cl2O3;
anidride + nome non metallo con desinenza ICA, per il numero di ossidazione +5. Es.
anidride clorica Cl2O5;
anidride PER nome non metallo con desinenza ICA per il numero di ossidazione +7. Es.
Cl2O7 anidride perclorica;
Nomenclatura ufficiale
Anche i composti tra ossigeno e non metalli sono chiamati ossidi; si utilizzano sempre i
prefissi relativi al numero di atomi degli elementi.
Ad esempio: SO2 biossido di zolfo (+4); SO3 triossido di zolfo (+6)¸ Cl2O ossido di
dicloro (+1); Cl2O3 triossido di dicloro (+3); Cl2O5 pentaossido di dicloro (+5); Cl2O7
eptaossido di dicloro (+7). Se il metallo ha più numeri di ossidazione, al nome del
non metallo si fa seguire il numero di ossidazione messo tra parentesi,
Idracidi
Sono composti binari formati da H (idrogeno) e uno dei seguenti non metalli S
(zolfo), Se (selenio), F (fluoro), Cl (cloro), Br (bromo) e I (iodio).Questi composti
possono essere sciolti in acqua e in questo caso si comportano come acidi.
Sono composti covalenti polari ed a temperatura ambiente sono tutti gassosi, tranne
HF, che è liquido a causa del legame a ponte di idrogeno.
Il nome tradizionale viene attribuito aggiungendo la desinenza -idrico alla radice del
nome del non metallo, preceduto dalla parola acido.
Il nome IUPAC è formato dal nome non metallo, terminante in URO, seguito da “di
idrogeno”; il numero degli atomi di idrogeno viene indicato da un prefisso prima
della parola “idrogeno” : HF fluoruro di idrogeno; HCl cloruro di idrogeno; HBr
bromuro di idrogeno; HI ioduro di idrogeno; H2S solfuro di diidrogeno; H2Se seleniuro
di didrogeno
Idrossidi o basi.
Composti ionici ternari (ovvero tre elementi) formati da un catione metallico
(numero ossidazione +) e da tanti ioni idrossido (OH-) quanti ne occorrono per
neutralizzare la carica del catione.
es. idrossido di calcio Ca(OH)2
Gli idrossidi si preparano facendo reagire gli ossidi basici con l'acqua. Gli idrossidi
sono tutti composti ionici e quindi solidi a temperatura ambiente.
La nomenclatura tradizionale in questo caso si ottiene sostituendo la parola
idrossido a quella dell'ossido corrispondente.
Per la nomenclatura IUPAC Si indica il numero dei gruppi ossidrile ponendo i soliti
prefissi davanti al termine “idrossido”, cui segue “di” ed il nome del metallo; se il
metallo ha più numeri di ossidazione, al nome del metallo si fa seguire il numero di
ossidazione messo tra parentesi
Na(OH) idrossido di sodio; Fe(OH)2 diidrossido di ferro (+2);
Fe(OH)3 triidrossido di ferro (+3); Pb(OH)4 tetraidrossido di piombo (+4).
Ossiacidi o acidi ossigenati
Composti ternari molecolari formati da idrogeno, un non metallo oppure un
metallo di transizione e ossigeno, scritti nella formula in quest'ordine. Sono
composti covalenti polari solidi o liquidi a temperatura ambiente
Derivano dalla reazione tra anidridi e acqua (tutti gli elementi mantengono il
proprio numero di ossidazione); inoltre nella formula dell’ossiacido il non metallo
è presente, tranne qualche eccezione, sempre con un solo atomo
La nomenclatura tradizionale deriva da quella degli anidridi, sostituendo alla
parola anidridi la parola acido mantenendo invariati prefissi e desinenze.
es. acido borico; acido carbonico...
Per la nomenclatura IUPAC, al temine acido si attribuisce un aggettivo riferito al
numero di atomi di ossigeno presenti nell’acido ed al nome del non metallo,
terminante in ICO; segue poi, tra parentesi, il numero di ossidazione del non
metallo
•Ad es. HClO acido ossoclorico (+1); HClO2 acido diossoclorico (+3);
•HClO3 acido triossoclorico (+5); HClO4 acido tetraossoclorico (+7);
•H2SO4 acido tetraossosolforico (+6); H2SO3 acido triossosolforico (+4)
Sali
Sono composti ionici formalmente derivati dagli acidi per
sostituzione totale o parziale degli atomi di idrogeno con uno
o più cationi metallici.
Per scrivere la formula del sale, (che è un composto neutro)
si deve considerare che la somma delle cariche positive dei
cationi (derivanti dalla dissociazione degli idrossidi) dovrà
essere uguale alla somma delle cariche negative degli anioni
(derivanti dalla dissociazione degli acidi).
Nomenclatura degli anioni monoatomici
In entrambe le nomenclature il nome dell’anione monoatomico si ottiene
aggiungendo la desinenza uro al nome del non metallo.
F- anione fluoruro; Cl- anione cloruro; Br- anione bromuro; I- anione
ioduro; S2- anione solfuro; Se2- anione seleniuro.
Nomenclatura tradizionale degli anioni poliatomici
I nomi degli anioni poliatomici sono simili a quelli degli acidi da cui derivano
ICO
OSO
→
→
ATO
ITO
Federico malato,
valoroso e ferito
Acido
ternario
→
Anione
poliatomico
Ipo….oso
→
Ipo….ito
….oso
→
….ito
….ico
→
….ato
Per….ico
→
Per….ato
Nomenclatura ufficiale degli anioni poliatomici
I termine anione è seguito da un aggettivo indicante, coi soliti prefissi, il
numero degli atomi di ossigeno presenti e contenente il nome del non
metallo con desinenza ato; segue, tra parentesi, il numero di ossidazione
di questo
ClO- anione ossoclorato (1); ClO2- anione diossoclorato (3); ClO3- anione
triossoclorato (5); ClO4- anione tetraossoclorato (7)
SALI BINARI
Sono composti ionici, formati da un metallo e da un non metallo, che
derivano dalla reazione tra un acido binario ed un idrossido
Nomenclatura tradizionale
a) se il metallo ha un solo numero di ossidazione:
nome non metallo terminante in URO + di nome metallo
Ad es. cloruro di sodio (NaCl), fluoruro di potassio (KF);
b) se il metallo ha due numeri di ossidazione:
nome non metallo terminante in URO + nome metallo con desinenza OSO,
per il numero di ossidazione minore. Ad es. cloruro ferroso FeCl2 (+2);
nome non metallo terminante in URO + nome metallo con desinenza ICO,
per il numero di ossidazione maggiore. Ad es. cloruro ferrico FeCl3 (+3).
Nomenclatura IUPAC
Si scrive il nome del non metallo, terminante in URO, cui segue di ed il nome del
metallo; ciascuno nome viene preceduto dai soliti prefissi riferiti al numero di atomi
di ciascun elemento.
Ad esempio: FeCl2 dicloruro di ferro; FeCl3 tricloruro di ferro; NaCl cloruro di
sodio; Al2S3 trisolfuro di dialluminio; Li2S solfuro di dilitio.
SALI TERNARI
Sono composti ionici, formati da metallo, non metallo ed ossigeno, che derivano
dalla reazione tra un acido ternario ed un idrossido
Nomenclatura tradizionale
Si indica per primo il nome dell’anione poliatomico derivante dalla
decomposizione dell’acido, cui segue il nome del catione metallico
•Se il metallo ha un solo numero di ossidazione lo si indica con di + nome
metallo
•Se il metallo ha due numeri di ossidazione si utilizzano le solite desinenze
OSO per il numero di ossidazione minore ed ICO per il numero di
ossidazione maggiore.
Nomenclatura ufficiale
Nome del non metallo, terminante in ATO (seguito tra parentesi dal suo numero di
ossidazione), + di ed il nome del metallo (seguito tra parentesi dal suo numero di
ossidazione, qualora ne abbia più di uno). Il nome del non metallo viene preceduto
da un prefisso indicante il numero di atomi di ossigeno (diosso, triosso ecc) presenti
nell’anione e viene dal numero di ossidazione del non metallo; il nome del metallo
viene seguito da un prefisso (di, tri..) indicante il numero dei cationi e seguito dal
numero di ossidazione del metallo
Es. Na2SO3 triossosolfato (4) di di sodio
Schema generale dei principali composti inorganici
Formule chimiche
Esistono diversi tipi di formule:
• Formula bruta: formula che indica esclusivamente il tipo e
il numero di atomi che compongono la molecola.
• Formula di struttura: indica la disposizione spaziale degli
atomi della molecola, mostrando come gli atomi sono
legati tra loro e con quale tipo di legame
Nella formula minima il numero degli atomi di ciascun
elemento che formano il composto sono nel rapporto minimo
di combinazione
E' possibile calcolare la formula minima di una molecola se si
conosce la percentuale in peso di ogni elemento:
Per conoscere la percentuale dei singoli elementi in un
composto ho bisogno di conoscere quanti atomi di
ciascun elemento sono presenti nella molecola