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Dott. Pietro CandoriDott. Pietro CandoriDipartimento di Ingegneria Civile ed AmbientaleDipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale
Università degli Studi di PerugiaUniversità degli Studi di Perugia
atomo@dyn.unipg.itatomo@dyn.unipg.it
CHIMICACHIMICA
http://www.dica.unipg.it/DICA/
Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale
DIDATTICA Insegnamenti Orario delle lezioni Programma dei corsi Ricevimento studenti Calendario esami Tesi di Laurea
STAFF Elenco telefonico Posta elettronica Coordinatore di sezione
ATTIVITA SCIENTIFICA Chimica Fisica Chimica Teorica Chimica Organica Chimica Inorganica Scienza e Tecnologia dei Materiali
COLLEGAMENTIDipartimento di Chimica I.N.F.M. Siti Web di Chimica Tabella Periodica NIST WebBook di Chimica Teaching Chemistry Interactive Chemistry Course
Esame di CHIMICAGIOVEDI 10 GENNAIOore 15 - aule del biennio
Esame di:TECNOLOGIE DI CHIMICAAPPLICATA (VO, NO Meccanica) GIOVEDI 11 APRILE ore 15,30 - aule del biennio
http://www.tech.ing.unipg.it/
D. W. Oxtoby, H. P. Gillis, N. H. NachtriebD. W. Oxtoby, H. P. Gillis, N. H. Nachtrieb††
CHIMICA MODERNACHIMICA MODERNA
EdiSES srl, Napoli, edizione 2001EdiSES srl, Napoli, edizione 2001
Che cos’Che cos’è la CHIMICA?è la CHIMICA?
Disciplina scientifica che studia: proprietà, struttura e trasformazione delle sostanze materiali.
Scienza che più di ogni altra ha influenzato la civilizzazione dell’uomo.
Vi è una strettissima correlazione tra chimica e sviluppo positivo delle condizioni di vita dell’uomo.
MATERIAMATERIA
OMOGENEAOMOGENEA ETEROGENEA ETEROGENEA
SOLUZIONESOLUZIONE SOSTANZASOSTANZA
COMPOSTOCOMPOSTO ELEMENTOELEMENTO
Metodi fisici:Filtrazione, centrifugazione, etc.
Metodi fisici:Distillazione, etc.
Metodi chimici
Antoine Laurent LavoisierParigi 1743 - Parigi 1794
- Applicazione del metodo scientifico alla chimica- Classificazione delle reazioni chimiche- Rapporti in peso nelle reazioni chimiche
Conservazione della massa
“In un procedimento chimico la quantità di materia prima e dopo il processo rimane la stessa.”
John DaltonEaglesfield 1766 - Manchester 1844
- Studia reazioni in fase gassosa- Formula la teoria atomica
ossigenoidrogeno
azoto
carbonio
Acqua
Idrogeno carburato(etilene)
Amedeo Lorenzo Romano Carlo Avogadroconte di Quaregna e Cerreto Torino 1776 - Torino1856
- Distinzione tra atomo e molecola- Ipotesi di Avogadro (1811): “Due gas di egual volume, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole”
Cannizzaro, Stanislao Palermo 1826, Roma 1910
AcquaH2O
Reazioni di combustione = Reazione con l’ossigeno dell’ariaReazioni di combustione = Reazione con l’ossigeno dell’aria
CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l)metano + ossigeno anidride carbonica + acqua
C6H12O6(s) + O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l)glucosio + ossigeno anidride carbonica + acqua
2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)idrogeno + ossigeno acqua
2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s)magnesio + ossigeno ossido di magnesio
2 Mg(s) + O2(g) 2 MgO(s)magnesio + ossigeno ossido di magnesio
magnesio + ossigeno magnesio + ossigeno ossido di magnesio ossido di magnesio
2 Mg(2 Mg(ss) + O) + O22((gg) ) 2 MgO( 2 MgO(ss))
2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno = 2 molecole di ossido di magnesio2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno = 2 molecole di ossido di magnesio
2N atomi di magnesio + N molecole di ossigeno = 2N molecole di ossido di magnesio2N atomi di magnesio + N molecole di ossigeno = 2N molecole di ossido di magnesio
Nucleo, formato da Nucleo, formato da protoni e neutroniprotoni e neutroni
Guscio di elettroni in Guscio di elettroni in movimentomovimento
atomoatomo
protoniprotoni mmpp
neutronineutroni mmnn
elettronielettroni mmee
mmp p :: m mnn : : mmee 1 1 :: 1 1 : :
0,000540,00054
nucleonucleo
ISOTOPIISOTOPI
Esempio:Esempio: 3535Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 18 neutroniCl : 17 protoni + 17 elettroni + 18 neutroni
3737Cl : 17 protoni + 17 elettroni + 20 neutroniCl : 17 protoni + 17 elettroni + 20 neutroni
Unità di massa atomica:Unità di massa atomica:
1/12 della massa di 1/12 della massa di 1212C ( = 1,6606C ( = 1,6606×10×10-27-27 kkg)g)
HH 1,0081,008HeHe 4,0034,003LiLi 6,9416,941BeBe 9,0129,012BB 10,81110,811CC 12,01112,011NN 14,00714,007OO 15,99915,999FF 18,99818,998
NeNe 20,18020,180NaNa 22,99022,990MgMg 24,30524,305AlAl 26,98226,982SiSi 28,08628,086PP 30,97430,974SS 32,06632,066ClCl 35,45335,453ArAr 39,94839,948
Alcune masse atomiche (pesi atomici):Alcune masse atomiche (pesi atomici):
Massa molecolare (peso molecolare) = Massa molecolare (peso molecolare) = somma delle masse atomiche della molecolasomma delle masse atomiche della molecola
Esempi:Esempi:
HH22SOSO44: massa molecolare = 2: massa molecolare = 2×1,008 + 32,066 + 4×15,999 = 98,078×1,008 + 32,066 + 4×15,999 = 98,078
CC66HH1212OO66: massa mol. = 6×12,011 + 12×1,008 + 6×15,999 = 180,156: massa mol. = 6×12,011 + 12×1,008 + 6×15,999 = 180,156
magnesio + ossigeno magnesio + ossigeno ossido di magnesio ossido di magnesio
2 Mg(2 Mg(ss) + O) + O22((gg) ) 2 MgO( 2 MgO(ss))
2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno = 2 molecole di ossido di magnesio2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno = 2 molecole di ossido di magnesio
2N atomi di magnesio + N molecola di ossigeno = 2N molecole di ossido di magnesio2N atomi di magnesio + N molecola di ossigeno = 2N molecole di ossido di magnesio
Si sceglie il valore di N in modo che N molecole abbiano una massa in grammi numericamente uguale alla massa molecolare.
N = 6,0221415×1023 (Numero di Avogadro)
N particelle (atomi, molecole, etc.) = 1 moleN particelle (atomi, molecole, etc.) = 1 mole
N particelle (atomi, molecole, etc.) = 1 moleN particelle (atomi, molecole, etc.) = 1 mole
2 Mg(2 Mg(ss) + O) + O22((gg) ) 2 MgO( 2 MgO(ss))
2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno 2 atomi di magnesio + 1 molecola di ossigeno
= 2 molecole di ossido di magnesio= 2 molecole di ossido di magnesio
2 moli di atomi di magnesio + 1 mole di molecole di ossigeno 2 moli di atomi di magnesio + 1 mole di molecole di ossigeno
= 2 moli di molecole di ossido di magnesio= 2 moli di molecole di ossido di magnesio
[2 [2 × × 24,305 = 48,610 g di Mg] + 24,305 = 48,610 g di Mg] + [2 [2 × × 15,999 = 31,998 g di O15,999 = 31,998 g di O22] = ] =
2 2 ×( ×( 24,305+15,999) = 80,608 g di MgO24,305+15,999) = 80,608 g di MgO
Stato Stato gassosogassoso
SOLIDO:SOLIDO:Forma e Forma e
volume propri.volume propri.
LIQUIDO:LIQUIDO:Forma del Forma del
recipiente in cui è recipiente in cui è contenuto, ma contenuto, ma
volume proprio.volume proprio.
GASSOSO:GASSOSO:Forma e Forma e
volume del volume del recipiente in recipiente in
cui è contenuto.cui è contenuto.
Parametri di statoParametri di statoVolume: Volume: in min m33, oppure (non ufficialmente) in L, oppure (non ufficialmente) in LMassa: Massa: in kg, oppure in molin kg, oppure in molPressione:Pressione: in N min N m-2-2 = Pa, oppure in atm = Pa, oppure in atmTemperatura:Temperatura: in K, oppure in K, oppure (non ufficialmente) in (non ufficialmente) in °°CC
Stati di aggregazione della materiaStati di aggregazione della materia
AriaAria
• Antica Grecia: Uno degli elementi fondamentali in natura è l’aria.
• XVII secolo: Si inizia a studiare alcune proprietà come la resistenza alla compressione.
• XVIII secolo: Lavoiser e Priesley (scopritore di O2) dimostrano che l’aria è composta principalmente da ossigeno ed azoto.
• XIX secolo: Viene dimostrato che azoto (N2) e ossigeno (O2) costituiscono solo il 99% dell’aria. L’altro 1% è una miscela di gas che cambia leggermente a secondo della regione di analisi.
Costituenti dell’ariaCostituenti dell'aria Nome Formula Percentuale in volume
Azoto N2 78,110 Ossigeno O2 20,953
Argon Ar 0,0934 Biossido di carbonio CO2 0,0034
Neon Ne 1,82 10-3
Elio He 5,2 10-4 Metano CH4 1,5 10-4 Krypton Kr 1,1 10-4 Idrogeno H2 5 10-5
Ossido d’azoto N2O 3 10-5 Xenon Xe 8,7 10-6
Reazioni in fase Reazioni in fase gassosagassosa
)g(2)l(Calore
(s) OHg2HgO 2 +⏐⏐⏐ →⏐
)g(2)s(Calore
(s)3 COCaOCaCO +⏐⏐⏐ →⏐
(g)3(g)Calore
(s)4 NHHClClNH +⏐⏐⏐ →⏐
( ) (g)2(g)2(g)2(g)2Calore
(l)3353 OH10OCO12N6NOHC4 +++⏐⏐⏐ →⏐( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )g2g2g
gg2g2
g3g2g2
g2g2s
NO2ONO2
NO2ON
SO2OSO2
SOOS
→+
→+
→+
→+
Torricelli
MISURA DELLA PRESSIONE DEI GASMISURA DELLA PRESSIONE DEI GAS
Evangelista Torricelli (1608-1647)
vuoto
mercurio
76,0 cm
h = 76 cm
Mercurio
Vuoto
(a) (b)
Mercurioaltezza h
Sezione d’area, A
Aria
~ 150 km
Robert Boyle, 1629-1691
1/V
P
P 1/V
con T,n = cost.
P
Patm
P = Patm + P
V
ESPERIMENTO DI BOYLEESPERIMENTO DI BOYLE
A. Avogadro (1776 – 1856)
Legge di Avogadro (1811): “Due gas di egual volume, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole”
P ncon T,V = cost.
Charles e Gay -Lussac
Joseph Louis Gay-Lussac(1778-1850)
Jacques Charles(1746-1823)
-273,15 -273,15 °C°C
P
t (°C)0 °C
P
T (K)0 K
gradi Kelvin = gradi Celsius + 273,15
P T
con V,n = cost.
Scale termometricheScale termometriche
FahrenheitDaniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Inventore del termometro ad alcool e del termometro a mercurio.
Lo zero è fissato alla temperatura di una miscela di acqua e ghiaccio. La temperatura di ebollizione dell’acqua è posta uguale a 212 ° mentre quella di fusione del ghiaccio è posta uguale a 32°.
CelsiusAnders Celsius (1701-1744)
Lo zero è fissato alla temperatura di fusione del ghiaccio mentre la temperatura di ebollizione dell’acqua è posta a 100 °.
Confronto scale termometricheConfronto scale termometriche
Passaggio Fahrenheit- Celsius
°F = (°C * 1,8) + 32
Passaggio Celsius- Fahrenheit
°C = (°F -32) / 1,8
P 1/V con T,n = cost.
P n con T,V = cost.
P T con V,n = cost.
(Boyle)
(Avogadro)
(Gay Lussac, Charles)
R = costante universale dei gas = 0,0821 L atm mol-1 K-1
= 8,314 J mol-1 K-1
LEGGE DI STATO DEI GAS
P n T
Voppure PV = n R T
RTnPV =RT
M
gPV ;
M
g
molecolare peso
grammiin peson ===
gPV
RTMmolecolarepeso =
RT
PM
V
gdgassosadensità ==
MISCELE DI GASMISCELE DI GAS
PA
PB PC
PTOT = PA+ PB+ PC
nTOT = nA+ nB+ nC
TOT
CC
TOT
BB
TOT
AA n
nX ;
n
nX ;
n
nX ===
TOT
CC
TOT
BB
TOT
AA P
PX ;
P
PX ;
P
PX ===
VRT
nP AA =
James Clerk MaxwellEdimburgo 1831 - Cambridge 1879
Ludwig Eduard BoltzmannVienna 1844 - Duino (TS) 1906
TEORIA CINETICA DEI GASTEORIA CINETICA DEI GAS
Ipotesi di partenzaIpotesi di partenza:
1) Un gas è formato di molecole puntiformi (le dimensioni delle molecole sono molto più piccole del volume medio a disposizione per ogni molecola).
2) Il moto delle molecole è completamente casuale.
3) Le molecole non interagiscono tra loro (le traiettorie, tra una collisione e l’altra) sono rettilinee.
4) Le collisioni delle molecole con le pareti e tra le molecole stesse sono elastiche.
0
Numero di molecole
1000 °C
0 °C
um
urqm
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Velocità, v (m s-1)
2000 °C
DISTRIBUZIONE DI DISTRIBUZIONE DI MAXWELL-BOLTZMANNMAXWELL-BOLTZMANN
DELLE VELOCITÀ DELLE VELOCITÀ MOLECOLARIMOLECOLARI
upp
COMPRIMIBILITÀ DI UN GASCOMPRIMIBILITÀ DI UN GASnRT
PVZ =
Quando Z=1, si dice che il gas ha un comportamento ideale (gas ideale)
Quando Z1, si dice che il gas non ha un comportamento ideale (gas reale)
Rap
por
to d
i com
pri
mib
ilità
(z)
0,5
0
1
1,5
2
200 400 600 800 1000
Pressione (atm)
Gas ideale
H2
N2
CH4
Johannes Diderik van der WaalsLeyden 1837 – Amsterdam 1923
(Premio Nobel per la Fisica, 1910)
Repulsione a corta distanza.
Attrazione a grande distanza.
volume occupato da un gas reale > volume occupato da un gas ideale
bVV realeideale n−=
pressione di un gas reale < pressione di un gas ideale
2realeidealeV
aPP2n
+=
Equazione di stato di van der Waals dei gas reali
( ) RTbVV
aP
RTVP
2
idealeideal
nnn
n2
=−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
Gasa
(l2 atm mol-
2)
b(l mol-1)
H2 0,2444 0,02661
He 0,03412 0,02370
N2 1,390 0,03913
O2 1,360 0,03183
CO 1,485 0,03985
NO 1,340 0,02789
CO2 3,592 0,04267
H2O 5,464 0,03049
VTRna
Vbn
1
1z
Vn
TRa
bnVV
TRnVP
z
−−
=
−−
==
z > 1 Prevalgono forze repulsive (b)z < 1 Prevalgono forze attrattive (a)
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