Chimica fisica

Le basi della chimica fisica

Abbiamo già parlato degli atomi. Ma cosa sono realmente?

Sono le fondamenta della chimica, ma ci sono alcune altre definizioni piuttosto importanti che dovresti sapere:

• Un elemento è una sostanza pura contenente solo atomi che hanno tutti lo stesso numero di protoni nel nucleo. È uno scioglilingua, ma significa che, ad esempio, tutti gli atomi di carbonio hanno esattamente sei protoni, né più né meno. Sopra, abbiamo già parlato di protoni. Il numero di protoni di un atomo determina esattamente l'elemento a cui appartiene.
• Se si mettono due atomi insieme, si ottiene una molecola. Una molecola è costituita da due o più atomi legati tra loro chimicamente.
• Le molecole formate da elementi diversi sono chiamate composti. Un composto è semplicemente costituito da due o più atomi di elementi diversi, legati tra loro chimicamente.
• In chimica, si parla spesso di specie. Una specie è un gruppo di entità identiche, siano esse atomi, ioni, molecole o particelle.
• La tavola periodica è un diagramma che mostra tutti i diversi elementi, ordinati in base al numero di protoni e alle loro proprietà. Le colonne sono definite gruppi mentre le righe periodi.

Argomenti di chimica fisica

Nel corso di chimica fisica, si studiano diversi argomenti. Si va dalla struttura atomica, dove si scoprono le particelle all'interno di un atomo, alla cinetica, dove si scopre come avvengono le reazioni e come si possono manipolare. Altri argomenti includono acidi e basi, la quantità di sostanza e gli equilibri.

Struttura atomica

Dovresti già sapere cos'è un atomo. È la più piccola unità di un elemento che non può essere ulteriormente scomposta da alcun tipo di reazione chimica. Ma questo non significa che gli atomi non contengano le loro parti costitutive. Abbiamo già visto come gli atomi siano costituiti da particelle subatomiche note come protoni, neutroni ed elettroni. In "Struttura Atomica", imparerai come queste particelle sono disposte all'interno degli atomi. Scoprirai come la variazione del loro numero cambia l'atomo, e imparerai a definire parole come ione, isotopo ed energia di ionizzazione.

Ad esempio, qual'è la differenza tra un atomo di idrogeno e un atomo di elio? Come possiamo distinguerli? Possiamo passare da uno all'altro e, se non è possibile, perché?

Figura 3. Sinistra: un atomo di idrogeno. Destra: un atomo di elio. Riesci ad individuare le differenze? Fonte: commons.wikimedia.org

Quantità di sostanza

Dopo aver imparato a riconoscere gli atomi e gli elementi, si può iniziare a vedere come reagiscono tra loro. Prima di farlo, però, è necessario comprendere le basi delle reazioni e come i chimici lavorano con esse. In ''Quantità di sostanza'', affronterai argomenti come la massa molecolare, le formule empiriche e la mole.

Le moli non hanno nulla a che fare con l'animale: una mole è invece una quantità specifica di atomi o molecole. Rendono le equazioni di reazione molto più facili da lavorare.

Figura 4. Costante di Avogadro

Ci sono 6 x 10²³ molecole di sostanza in una mole di sostanza. Questo valore è noto come Costante di Avogadro.StudySmarter Originals

Ad esempio, se conosciamo valori come la massa di un campione e la sua formula chimica, possiamo calcolare non solo il numero di moli che contiene, ma anche quante moli di prodotto ci aspettiamo che produca una reazione.

Se il prodotto non è ottenuto nella quantità prevista. Si potrebbe dire che la reazione ha una bassa resa percentuale. In ''Quantità di sostanza'', imparerai anche come calcolare questa resa percentuale e perché a volte è così bassa.

Legami

Sappiamo che gli atomi reagiscono spostando i loro elettroni. Gli atomi vogliono trovarsi nello stato più stabile possibile e lo fanno perdendo o acquistando elettroni. Troppi elettroni? Ne cedono alcuni. Non sono abbastanza? Cercheranno di acquistarne qualcuno.

In “Legami”, esplorerai alcuni dei modi in cui gli atomi spostano i loro elettroni, dalla donazione ad altri atomi alla condivisione tra di loro. Il movimento degli elettroni forma legami e imparerai a conoscere i diversi tipi di legami tra gli atomi. Verrà inoltre definita la cosiddetta elettronegatività.

Questo argomento si basa sulla conoscenza della struttura atomica. Inoltre, include le conoscenze sulle forze e sull'attrazione. Ad esempio, quali forze tengono insieme un legame? Perché alcuni legami sono più forti di altri?

Dopo aver esaminato i legami da un punto di vista subatomico, avrai modo di considerarli a livello molecolare e applicare nuovamente le tue conoscenze sulle forze per spiegare perché le diverse molecole hanno forme diverse e come i legami tra le molecole conferiscano alle sostanze proprietà così diverse.

Figura 5. Alcuni esempi della geometria delle molecole.Fonte: commons.wikimedia.org

Energetica e termodinamica

Cosa determina la reazione tra due sostanze? Si tratta della fattibilità di una reazione, che ha a che fare con le variazioni di energia. In "Energetica" e "Termodinamica", imparerai due concetti correlati, noti come entalpia ed entropia.

Scoprirai perché alcune sostanze emettono calore quando reagiscono e come si misura nel processo chiamato calorimetria. Successivamente, ti eserciterai a calcolare le variazioni di energia delle reazioni disegnando i diagrammi entalpici. Una volta terminato l'argomento, sarai in grado di prevedere la fattibilità di qualsiasi reazione osservando alcuni semplici valori di entalpia ed entropia.

Figura 6. Diagramma entalpico per una reazione esotermica.Fonte: commons.wikimedia.org

Cinetica ed equazioni di velocità

Ora che sappiamo perché gli atomi reagiscono da un punto di vista chimico, possiamo tornare ad occuparci di fisica. La "Cinetica" è lo studio del movimento delle particelle e di come questo influisce sul cambiamento dei sistemi. Prendiamo ad esempio, il ferro e l'acqua. Essi reagiscono per produrre ossido di ferro(III). A temperatura ambiente, questa reazione è molto lenta. Se invece si fa reagire il ferro con il vapore, la reazione avviene molto più velocemente. Perché accade questo ?

In "Cinetica", imparerai a conoscere la velocità delle diverse reazioni e come si possono manipolare. Il calore, è un modo per aumentare la velocità di una reazione. Tuttavia, esplorerai anche altri fattori come l'area superficiale e la concentrazione. Approfondirai questo aspetto in "Equazioni di velocità". Alla fine dell'argomento, saprai come calcolare la velocità delle reazioni sia a livello sperimentale che teorico.

Equilibri

In "Termodinamica" hai imparato a conoscere la fattibilità di una reazione. Infatti, alcune reazioni sono fattibili in entrambe le direzioni: c'è una reazione diretta e una reazione inversa.

Osserviamo il cloruro di ammonio, solido bianco, NH₄Cl. Si dissocia in ammoniaca gassosa e acido cloridrico.

Se la reazione avviene in un sistema chiuso, rimarrà sempre un po' di solido bianco, indipendentemente dal tempo di permanenza. La reazione non si completa. Questo tipo di reazione è nota come reversibile: mentre una parte del cloruro di ammonio si dissocia, una parte si riforma dall'ammoniaca e dall'acido cloridrico. Si forma un equilibrio.

Ma cosa succede se non vogliamo il cloruro di ammonio? Come possiamo influenzare la reazione per massimizzare la resa di ammoniaca e acido cloridrico? In "Equilibri", imparerai come cambiare le condizioni di reazione e spostare l’equilibrio ovvero favorire la reazione da una parte o dall'altra. Incontrerai il Principio di Le Châtelier e scoprirai di più sulle sue applicazioni industriali, come la produzione di etanolo. Esplorerai anche le costanti di equilibrio Kp e Kc. Sarai in grado di usarle per calcolare la composizione di una miscela all'equilibrio.

Redox

Sopra, abbiamo detto che l'ossido di ferro(III) si forma da ferro e acqua. Ma cosa significano i numeri romani indicati dopo il ferro?

Descrivono qualcosa chiamato stato di ossidazione. Lo scoprirai in "Redox". Gli stati di ossidazione, mostrano quanti elettroni un atomo ha perso o acquistato in una reazione. Nelle reazioni di ossidazione, gli atomi perdono elettroni, mentre nelle reazioni di riduzione gli atomi acquistano elettroni. Torneremo a parlare del movimento degli elettroni e ci eserciteremo a scrivere mezze equazioni per rappresentarlo.

Esplorerai poi le celle elettrochimiche. Immagina di collegare due metalli diversi a un filo e di immergerli in una soluzione salina. Cosa ti aspetti che accada? Perché si produce una corrente e come possiamo prevedere in che direzione scorrerà? Per rispondere a queste domande possiamo utilizzare ciò che già sappiamo sulla struttura atomica e l'elettronegatività.

Figura 7. Una cella elettrochimica. StudySmarter Originals

Acidi e basi

Nell’ultimo argomento "Acidi e basi", invece di concentrarci sul movimento degli elettroni, esamineremo il movimento dei protoni. In "Struttura Atomica" avrai appreso che lo ione idrogeno H⁺, contiene un solo protone e nessun elettrone o neutrone, per cui lo chiamiamo protone. Quando le sostanze chiamate acidi e basi reagiscono in reazioni note come reazioni di neutralizzazione, spostano i protoni. Le reazioni di neutralizzazione sono estremamente comuni nella vita quotidiana: ad esempio, i dentifrici neutralizzano i composti acidi prodotti dai batteri presenti nei nostri denti, mentre il lievito in polvere contiene una miscela di acidi e basi che, una volta disciolti in soluzione, producono i gas che fanno lievitare le torte.

Imparerai a conoscere la scala del pH, inventata da un biochimico danese che lavorava per un'azienda produttrice di birra. Scoprirai anche come calcolare il pH delle sostanze prima e dopo la neutralizzazione. Infine, esplorerai come cambia il pH nelle titolazioni.

Figura 8. La scala del pH. Le sostanze acide hanno un pH basso, quelle alcaline un pH alto.StudySmarter Originals