Questo articolo è un'introduzione alla chimica fisica. Cominceremo a vedere cos'è la chimica fisica e perché è importante, prima di esplorare alcuni argomenti al suo interno.
Che cos’è la chimica fisica?
Prendi un atomo. Aprilo e guarda all'interno. Naturalmente non è possibile aprire un atomo in questo modo: è troppo piccolo per essere visto, se non con i più potenti microscopi elettronici. Ma se si potesse, cosa vedresti?
Al centro dell'atomo, si trova una massa densa chiamata nucleo. Immagina 6 milioni di automobili schiacciate insieme in una massa larga appena un metro, profonda un metro e alta un metro. Ecco quanto è denso il nucleo. Contiene protoni, che hanno carica positiva, e neutroni, che hanno carica neutra.
Intorno al nucleo, si trovano minuscole particelle cariche negativamente, chiamate elettroni. Agli scienziati piace immaginarli come particelle, ma in realtà a volte si comportano come onde, quasi come un'onda luminosa. Li immaginiamo muoversi intorno al nucleo in percorsi circolari chiamati orbitali. In realtà, l'atomo è per lo più uno spazio vuoto. Se un atomo fosse grande come una cattedrale, quanto pensi che sarebbe grande il suo nucleo? Risposta: la dimensione di una mosca.
Figura 1. La struttura di un atomo. Gli elettroni, rappresentati in rosso, orbitano intorno al nucleo che contiene una massa densa di protoni e neutroni.
Fonte: commons.wikimedia.org
Il comportamento degli atomi dipende dagli elettroni. Tutte le reazioni comportano il movimento di elettroni. A volte questo avviene da un atomo all'altro. In altri casi, il movimento avviene da un atomo ad un sistema delocalizzato, in cui gli elettroni non appartengono a nessun atomo specifico. Quanto più facilmente un atomo acquista o perde elettroni, tanto più è probabile che reagisca con un'altra sostanza. Gli atomi possono reagire insieme per formare una varietà di molecole e strutture diverse, che vanno da semplici molecole biatomiche a vasti reticoli.
Figura 2. Sinistra: una molecola biatomica. Destra: un reticolo gigante. Fonte: commons.wikimedia.org
Questo fa sorgere alcune domande: perché gli atomi perdono o acquistano elettroni? Perché non spostano i loro protoni? Cosa formano i reticoli e quali forze li tengono insieme? Perché alcune sostanze reagiscono così rapidamente e altre sono praticamente inerti, cioè non reagiscono affatto?
Per rispondere a queste domande, dobbiamo dare un'occhiata a ciò che è noto come chimica fisica.
La Chimica Fisica è una branca della chimica che studia il comportamento delle sostanze a livello atomico o molecolare.
In materie come la biologia, si studia il funzionamento di interi organismi, dai loro tessuti e organi a come interagiscono con l'ambiente. In fisica si studiano argomenti come la materia, le forze e l'energia. La chimica fisica combina le due cose. Fornisce spiegazioni chiare su come le leggi fisiche fondamentali che governano il nostro mondo fanno sì che atomi e molecole si comportino e, a loro volta, reagiscano per costruire strutture organiche come il cuore o il cervello. È il trampolino di lancio tra le forze semplici e la vita complessa.
Le basi della chimica fisica
Abbiamo già parlato degli atomi. Ma cosa sono realmente?
Gli atomi sono le più piccole unità di materia ordinaria che formano un elemento chimico.
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.
Uno ione è un atomo che ha perso o acquistato un elettrone per formare una particella carica.
Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con un numero diverso di neutroni.
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.
La massa molecolare è la somma delle masse atomiche di tutti gli atomi di una molecola.
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.
Elettronegatività è la capacità di un atomo di attrarre una coppia di elettroni di legame.
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.
L'entalpia è la variazione di calore di una reazione chimica a temperatura e pressione costanti. L'entalpia è in realtà solo una misura dell'energia.
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.
Un equilibrio chimico è un sistema di reazione con concentrazioni costanti di prodotti e reagenti, in cui la velocità della reazione diretta è uguale a quella della reazione inversa.
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
Chimica Fisica - Punti Chiave
- La chimica fisica è una branca della chimica che studia il comportamento delle sostanze a livello atomico o molecolare.
- La "Struttura atomica" riguarda la composizione degli atomi e il modo in cui gli atomi di elementi diversi variano l'uno dall'altro.
- La "Quantità di sostanza" comprende la resa di reazione, le formule empiriche e la mole.
- “Legami” esplora il modo in cui i diversi atomi spostano gli elettroni nelle reazioni chimiche e le strutture che si formano.
- "Energetica" e "Termodinamica" esplorano le variazioni di energia durante le reazioni, comprese l'entalpia e l'entropia.
- La "Cinetica" è lo studio del movimento delle particelle e di come questo influisce sul cambiamento dei sistemi.
- "Equilibri" esplora come modificare le condizioni delle reazioni di equilibrio e prevedere la composizione delle miscele di equilibrio.
- “Redox” analizza le reazioni di ossidazione e riduzione e le celle elettrochimiche.
- "Acidi e basi" analizza le reazioni di neutralizzazione e il movimento dei protoni.
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