Chimica

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La chimica è la scienza, o più precisamente quella branca delle scienze naturali, che interpreta e razionalizza la struttura, le proprietà della materia e le sue trasformazioni.

Storicamente lo studio di tali argomenti ha interessato, anche per motivi pratici derivanti dalle sue applicazioni tecnologiche, le varie popolazioni dell'umanità fin dai tempi antichi. Dal II secolo a.C. si sviluppò, a partire dall'Egitto tolomaico, l'alchimia, un insieme di conoscenze sulla materia e le sue trasformazioni legate a convizioni filosofiche ed esoteriche. Da essa derivò, in seguito alla rivoluzione scientifica, e più precisamente alla rivoluzione chimica (fine del XVIII secolo), la chimica moderna. Anche nel periodo seguente la chimica continuò ad evolversi, perché sempre nuove scoperte ne ampiarono campi d'interesse, metodi e possibilità di studio.

Oggetto di studio della chimica sono le proprietà e le strutture dei costituenti della materia, atomi, molecole, cristalli e altri aggregati, sia da soli che in combinazione tra di loro per produrre i vari stati della materia che formano noi stessi e tutto ciò che ci circonda.

Tale studio della materia non è limitato alle sue proprietà e struttura in un dato istante, ma riguarda anche le sue trasformazioni, dette reazioni chimiche.

Sono studiati anche gli effetti di tali proprietà e interazioni tra i componenti della materia su quelle degli oggetti e della materia con cui comunemente abbiamo a che fare, e le relazioni tra di essi, il che determina un'ampia importanza pratica di tali studi.

Si tratta quindi di un campo di studi molto vasto, i cui settori sono tradizionalmente suddivisi in base al tipo di materia di cui si occupano o al tipo di studio.

La conoscenza della struttura elettronica degli atomi è alla base della chimica convenzionale, mentre la conoscenza della struttura del nucleo e delle sue trasformazioni spontanee ed indotte è alla base della chimica nucleare.

La rottura e la formazione dei legami tra gli atomi e le molecole sono responsabili della trasformazione della materia.

La chimica può essere definita come "la scienza centrale" perché connette le altre scienza naturali, come l'astronomia, la fisica, le scienze dei materiali, la biologia e la geologia.^[1][2]

Indice 1 Concetti base 1.1 Atomi e molecole 1.2 Reazioni chimiche 1.3 I legami chimici e le forze di attrazione intermolecolare 1.4 Equilibrio chimico 1.5 I composti chimici 1.6 Stati e aggregazione della materia 1.7 Leggi della chimica e della fisica 1.8 Meccanica quantistica 2 Storia della chimica 3 Discipline della Chimica 3.1 Altre discipline 4 Note 5 Bibliografia 6 Voci correlate 7 Altri progetti 8 Collegamenti esterni

[modifica] Concetti base

[modifica] Atomi e molecole

La materia è formata da particelle elementari chiamate atomi: in natura ne esistono un centinaio di tipi, e ognuno di essi ha struttura e proprietà differenti. Quando gli atomi si combinano fra loro si generano delle molecole. Queste ultime possono essere costituite da atomi tutti uguali fra loro formando quelle che vengono definite sostanze semplici (ad esempio N₂, O₂, S₈, ecc.), mentre le molecole costituite da atomi diversi sono caratteristiche delle sostanze composte (ad esempio H₂O, C₁₂H₂₂O₁₁, H₂SO₄, ecc.). Una mole di sostanza risulta costituita da un numero di Avogadro di atomi o molecole (6,022 x 10²³).

• La struttura dell'atomo
• La tavola periodica degli elementi
• Numero atomico, peso atomico, numero di massa
• Elettronegatività, energia di ionizzazione e affinità elettronica
• Metalli, nonmetalli, semimetalli, gas nobili
• La molecola e la struttura molecolare
• Gli ioni, anioni e cationi
• I radicali
• Formula chimica, isomeria, chiralità
• IUPAC, nomenclatura chimica

[modifica] Reazioni chimiche

Una reazione chimica è un processo chimico tramite il quale atomi o molecole che costituiscono i reagenti iniziali si combinano fra loro originando i prodotti finali. La composizione e proprietà chimiche e fisiche dei prodotti sono differenti rispetto ai reagenti: di fatto una reazione chimica porta alla formazione di nuovi composti.

I reagenti prendono parte alla reazione secondo rapporti in massa ben stabiliti in base al loro coefficiente stechiometrico; la stessa stechiometria di reazione permette anche di calcolare il quantitativo teorico di prodotti ottenibili.

Una reazione che avviene svolgendo calore viene detta esotermica, mentre una reazione che avviene assorbendo calore dall'ambiente esterno viene detta endotermica.

Mentre la termochimica permette di stabilire se una data reazione può avvenire spontaneamente in determinate condizioni, la cinetica chimica si occupa invece di analizzare il meccanismo di reazione e di determinare se una data reazione chimica possa procedere con una velocità di reazione accettabile. Molte reazioni spontanee in realtà non avrebbero luogo senza la presenza di un catalizzatore proprio perché presenterebbero altrimenti una velocità minima.

Tra le più comuni reazioni chimiche si annoverano:

• Ossido-riduzioni
  • Es. K₂Cr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 3Fe₂(SO₄)₃ + 7H₂O
• Reazioni acido-base
  • Es. NaOH + HCl → NaCl + H₂O
• Decomposizione
  • Es. CaCO₃ → CaO + CO₂
• Doppio scambio
  • Es. KCl + NH₄NO₃ → KNO₃ + NH₄Cl
• Precipitazione
  • Es. AgNO₃ + NaCl → NaNO₃ + AgCl↓
• Complessazione
  • Es. CuCl₂ + NH₃ → [Cu(NH₃)₄]Cl₂
• Reazioni organiche
  • Es. l'acetilazione dell'acido salicilico con anidride acetica a formare acido acetilsalicilico e acido acetico:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

[modifica] I legami chimici e le forze di attrazione intermolecolare

Gli atomi possono legarsi fra loro, e la forza di natura elettrostatica che li unisce viene definita legame chimico. Tale legame, caratterizzato da intensità differente in relazione al composto a cui dà origine, è fondamentale nel conferire la particolare reattività e stabilità del composto stesso, nonché nel determinarne la struttura e geometria molecolare caratteristica.

Esistono poi forze intermolecolari, di minore intensità rispetto al legame chimico, che attraggono atomi e molecole fra di loro. Tali forze originano quello che viene comunemente definito legame chimico secondario e hanno un ruolo importante nel determinare lo stato fisico di una sostanza. Sono inoltre responsabili anche della struttura secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine.

[modifica] Equilibrio chimico

L'equilibrio chimico è una condizione di equilibrio dinamico che si ha quando i prodotti di una reazione chimica reagiscono a loro volta fra loro riformando i reagenti di partenza.

Una reazione di equilibrio viene indicata utilizzando le doppie frecce che puntano in verso opposto, invece di utilizzare la classica freccia che punta dai reagenti verso i prodotti. Un esempio generico è il seguente:

In teoria tutte le reazioni chimiche sono al limite considerabili di equilibrio, ma nella pratica comune quelle caratterizzate da valore di costante di equilibrio molto bassa sono assimilate a reazioni a completamento (che avvengono verso una sola direzione). La costante d'equilibrio K è definita dalla relazione matematica

che stabilisce quindi che il rapporto fra le concentrazioni dei prodotti e quelle dei reagenti, ognuna elevata al proprio coefficiente stechiometrico, è una costante in condizioni di temperatura costante (e pressione costante, nel caso dei gas). La costante di equilibrio può essere espressa anche in termini di rapporti tra pressioni parziali o anche frazioni molari.

[modifica] I composti chimici

Quando gli atomi si legano fra loro in proporzioni definite e costanti si ottengono dei composti chimici (ad esempio l'acqua, H₂O). I composti, oltre ad avere composizione chimica differente rispetto alle sostanze originarie che li hanno prodotti, hanno anche differenti proprietà chimiche e fisiche rispetto a tali sostanze.

Semplici aggregati di più composti vengono definiti miscugli (ad esempio la cioccolata) e non sono caratterizzati da alcuna trasformazione chimica.

[modifica] Stati e aggregazione della materia

I composti chimici possono mostrare diverse fasi. Le più note sono la fase solida, quella liquida e quella gassosa: a bassa temperatura le molecole sono attratte fra loro in maniera forte e non si spostano, ma vibrano, e si mostrano nello stato solido; all'aumentare della temperatura acquistano energia e "scivolano" fra di loro, passando allo stato liquido; aumentando ancora la temperatura acquistano così tanta energia da "schizzare" in tutte le direzioni, formando un gas.
Nell'ambito di queste fasi si possono poi avere diversi tipi di aggregazione omogenea o eterogenea (come la soluzione o la dispersione).

[modifica] Leggi della chimica e della fisica

Tutte le reazioni chimiche e le trasformazioni fisiche avvengono secondo leggi chimico-fisiche.

• Legge di conservazione della massa: in una reazione chimica, la massa dei reagenti è esattamente uguale alla massa dei prodotti.
• Legge delle proporzioni definite: in un determinato composto chimico allo stato puro gli elementi che lo formano stanno fra loro in proporzioni di massa definite e costanti.
• Legge delle proporzioni multiple: quando due elementi si combinano in modi diversi per formare diversi composti, una certa massa di un elemento si combina con masse dell'altro che stanno tra loro in un rapporto che si può esprimere con frazioni semplici.
• Legge dell'azione di massa: la velocità di una reazione chimica è proporzionale alla concentrazione delle sostanze che vi partecipano.
• Legge dei gas perfetti: mette in relazione fra loro le funzioni di stato quantità di sostanza, pressione, volume e temperatura di un gas perfetto.
• Legge delle pressioni parziali: la pressione totale esercitata da una miscela ideale di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali che sarebbero esercitate dai gas se fossero presenti da soli in un eguale volume.
• Legge di Hess: la variazione di entalpia di una reazione chimica è indipendente dal percorso intermedio attraverso il quale dai reagenti si ottengono i prodotti.
• Legge di Boyle-Mariotte: in condizioni di temperatura costante la pressione di un gas è inversamente proporzionale al suo volume.
• Prima legge di Gay-Lussac: in condizioni di pressione costante il volume di un gas aumenta linearmente all'aumentare della temperatura.
• Seconda legge di Gay-Lussac: in condizioni di volume costante la pressione di un gas aumenta linearmente all'aumentare della temperatura.
• Legge di Van der Waals: mette in relazione fra loro le funzioni di stato quantità di sostanza, pressione, volume e temperatura di un gas reale.
• Legge di Henry: a temperatura costante, la quantità di gas che passa in soluzione in un determinato liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale del gas in equilibrio col liquido stesso.
• Legge di Debye-Hückel: definisce il coefficiente di attività medio delle soluzioni di elettroliti.
• Legge dell'indipendente mobilità degli ioni: la conduttanza equivalente di una soluzione di un elettrolita a diluizione infinita è uguale alla somma della mobilità del catione e dell'anione dai quali è formato l'elettrolita, mobilità che a diluizione infinita non si influenzano reciprocamente.
• Legge di Lambert-Beer: mette in relazione la quantità di luce assorbita da una sostanza con la sua natura chimica, la sua concentrazione e lo spessore del mezzo attraversato.
• Legge di Raoult: mette in relazione la pressione di vapore di un liquido in soluzione con la sua pressione di vapore allo stato puro e la sua concentrazione in termini di frazione molare.
• Principio di Le Chatelier: ogni sistema in equilibrio tende a reagire ad una modifica impostagli dall'esterno minimizzandone gli effetti.

[modifica] Meccanica quantistica

La meccanica quantistica è stato il settore della chimica fisica (una disciplina di confine con la fisica) che ha dato maggior impulso allo sviluppo della chimica moderna, spiegando la struttura e le caratteristiche degli atomi e creando i presupposti basilari per la trattazione matematica del legame chimico.

Lo spunto iniziale fu dato da De Broglie che nel 1924 ipotizzò la possibilità di associare a una particella in movimento quale l'elettrone un'onda di lunghezza d'onda λ ricavabile dalla relazione

dove h rappresenta la costante di Planck mentre il prodotto mv è la quantità di moto. Quindi, secondo De Broglie, una particella in movimento ha una doppia natura corpuscolo-ondulatoria e tanto minore è la massa tanto maggiore risulterà la lunghezza d'onda dell'onda associata alla massa stessa: a titolo di esempio per un elettrone (massa 9 x 10^-31 kg e velocità di rotazione attorno al nucleo di 2 x 10⁶ m/s) si ricava una λ = 3,68 Å, mentre a un pallone del peso di 500 g che si muove a velocità di 30 m/s corrisponde un'onda con λ = 4,4 x 10^-35 m.

Nel 1926 Erwin Schrödinger, basandosi sulla teoria di De Broglie, descrisse un'equazione che rappresenta la propagazione dell'onda materiale tridimensionale associata a un elettrone che orbita attorno al nucleo di un atomo idrogenoide. Le soluzioni matematiche di questa equazione costituiscono la funzione d'onda; sono fisicamente accettabili tutte quelle funzioni d'onda i cui numeri quantici (n, l, m) che le caratterizzano sottostanno alle regole di quantizzazione dettate dalla meccanica quantistica. L'orbitale è formalmente definito come la proiezione della funzione d'onda sulla base della posizione, ovvero rappresenta la componente spaziale della funzione d'onda. In accordo col principio di indeterminazione di Heisenberg, non è possibile conoscere contemporaneamente con la medesima accuratezza la posizione è la quantità di moto dell'elettrone. Approssimativamente, l'orbitale viene considerato come regione dello spazio in cui è massima la probabilità (90%) di rinvenire l'elettrone. Acquisendo o emettendo un quanto di energia l'elettrone è suscettibile di passare a livelli energetici rispettivamente maggiori o minori.

[modifica] Storia della chimica

Per approfondire, vedi la voce Storia della chimica.

Due erano le principali scuole di pensiero della filosofia naturale elaborata dai Greci: Democrito sosteneva che la natura fosse formata da corpuscoli indivisibili (gli atomi) che si uniscono e separano in uno spazio vuoto, mentre Aristotele ipotizzava la struttura continua della materia risultante dalla combinazione degli elementi acqua, aria, terra e fuoco. Tra il II e V secolo d.C. si sviluppa ad Alessandria d'Egitto l'alchimia, che conservava le origini filosofiche unite a una forte connotazione esoterica. In questo contesto l'alchimista, o "mago naturale", si poneva come tramite tra macrocosmo e microcosmo, Divino e umano. Due erano gli obiettivi fondamentali degli alchimisti, da realizzare con l'ausilio della pietra filosofale: la trasmutazione dei metalli in oro, che corrispondeva anche all'elevazione verso la perfezione delle qualità spirituali umane, e la possibilità di curare ogni genere di malattia e creare la vita. Nel XVI secolo assumeva autonomia propria la branca definita iatrochimica, che ebbe i maggiori contributori in Paracelso e Jan Baptist van Helmont e che si prefissava di correlare i processi chimici che avvengono all'interno dell'organismo umano con gli stati patologici e con i possibili rimedi.

Nella seconda metà del XVII secolo, con l'introduzione del metodo sperimentale da parte di Robert Boyle, si pongono le basi per lo sviluppo della chimica moderna. Successivamente il lavoro di Antoine Lavoisier, che enunciò per primo la legge della conservazione della massa e confutò la teoria del flogisto, segnò il definitivo superamento dell'alchimia. Nel 1807 Jöns Jacob Berzelius fu uno dei primi a utilizzare il termine "chimica organica" in riferimento alla chimica che caratterizzava i composti prodotti dal regno animale, contrapposti a quelli di origine minerale e di pertinenza della chimica inorganica; sarà Friedrich Wöhler nel 1828 a dimostrare che i composti organici possono essere ottenuti anche da sintesi in laboratorio, riuscendo a sintetizzare l'urea a partire da sostanze inorganiche. Nel 1937 l'italiano Emilio Segrè scoprì il tecnezio, primo elemento chimico artificiale, e negli anni avvenire verranno sintetizzati artificialmente molti altri nuovi elementi che andranno ad arricchire la tavola periodica.

[modifica] Discipline della Chimica

Le discipline fondamentali della chimica sono:

• Chimica inorganica
• Chimica organica
• Chimica fisica
• Chimica analitica
• Biochimica

[modifica] Altre discipline

Esistono numerosissime specializzazioni e discipline della chimica, che possono essere considerate parte delle discipline fondamentali; ad esempio: la chimica delle macromolecole, la chimica farmaceutica, la chimica industriale, la chimica degli alimenti, la chimica dello stato solido e delle superfici, la chimica combinatoria, l'astrochimica, l'ingegneria chimica, la chimica computazionale, l'elettrochimica, la geochimica, l'ingegneria dei materiali, la scienza dei materiali, la biologia molecolare, la citochimica, l'istochimica, la chimica clinica, la chimica nucleare, la radiochimica, la metallorganica, la stereochimica, la chimica ambientale, la chimica verde, la fotochimica, la chimica del suolo, la chimica radiofarmaceutica, l'aerotermochimica, la sonochimica, la chimica dei restauro, chimica dei beni culturali, la strutturistica chimica, la magnetochimica, la cosmochimica, la chimica quantistica.

[modifica] Note

1. ^ Theodore L. Brown, H. Eugene Lemay, Bruce Edward Bursten, H. Lemay. Chemistry: The Central Science. Prentice Hall; 8 edition (1999). ISBN 0130103101. Pages 3-4.
2. ^ Carsten Reinhardt. Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries. Wiley-VCH, 2001. ISBN 3527302719. Pages 1-2.

[modifica] Bibliografia

• Isaac Asimov. Breve storia della chimica - Introduzione alle idee della chimica. Bologna, Zanichelli [1965], 1968. ISBN 88-08-04064-X

[modifica] Voci correlate

• Premio Nobel per la chimica
• Chimici celebri

[modifica] Altri progetti

• Wikibooks contiene testi o manuali di Chimica
• Wikinotizie contiene notizie di attualità su Chimica

[modifica] Collegamenti esterni

• Società Chimica Italiana
• Origine della parola "Chimica"
• Come un grande psicologo si è innamorato della Chimica
• Problemi di Chimica 1.0 Software didattico gratuito per la

Concetti di base

• Problemi di Chimica 1.0 Esercizi sui concetti base che seguono possono essere effettuati utilizzando il software didattico gratuito

Chimica Generale

• (EN) IUPAC Nomenclature Home Page
• (EN) Programma didattico di simulazione chimica

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