Saggi alla fiamma e fuochi d'artificio

Quando una piccola quantità di sale viene portata sulla fiamma di un bunsen è possibile osservare colori diversi a seconda del catione presente nel metallo.

Il fenomeno è dovuto alle transizioni elettroniche ovvero al passaggio di uno o più elettroni del metallo dallo stato fondamentale ad uno stato eccitato. Questa condizione instabile è immediatamente seguita dal ritorno degli elettroni allo stato originario. L’energia termica che era stata assorbita per compiere il salto di energia viene restituita all’ambiente sotto forma di radiazione che viene da noi percepita come luce colorata.

Disegno di Francesco Mauro - Classe II A - a.s. 2015/16

Il fenomeno è lo stesso che si osserva nei fuochi d’artificio. La reazione che avviene all’esplosione dei fuochi è una reazione di combustione delle cosiddetta polvere nera, o polvere pirica, in presenza di un comburente, che non è l’ossigeno, ma un ossidante solido presente nella stessa miscela. La reazione molto veloce produce gas che si espandono a raggiera. La miscela iniziale comprende diversi prodotti chimici ognuno con una specifica funzione:  acidi organici sono responsabili dell’effetto sonoro, metalli allo stato elementare provocano l’incandescenza ovvero l’emissione di luce per effetto dell’alta temperatura, metalli presenti sotto forma di sali generano le diverse colorazioni dei fuochi.

Nel video che segue una panoramica delle reazioni che avvengono con emissione di radiazioni:

La relazione di laboratorio

La relazione di laboratorio è la documentazione scritta dell’attività pratica che  si è svolta o a cui si è assistito. E’ uno strumento di comunicazione che deve consentire ad altri di ripetere la stessa identica attività. Per questo deve essere chiara e ordinata, deve utilizzare la terminologia specifica in modo sintetico e completo. La relazione deve permettere di individuare senza ambiguità cosa si è fatto, perché, come, e quali conclusioni sono state tratte. Sono da evitare:

-le descrizioni generiche (per esempio “la soluzione è stata riscaldata per qualche minuto” deve essere puntualizzato che “la soluzione è stata riscaldata a 60 °C per 5 minuti”)

-dimenticanze o cambi di ordine nella sequenza di un elenco di operazioni

-valutazioni soggettive (per esempio “l’esperienza è stata interessante”)

La relazione deve essere suddivisa in sette parti:

TITOLO deve contenere l’oggetto dell’esperienza in poche precise parole

OBIETTIVO deve indicare cosa si voleva ottenere dall’esperienza, per esempio mettere in pratica una tecnica oppure dimostrare una legge

MATERIALI è l’elenco dei materiali utilizzati da suddividere in ATTREZZATURE e REAGENTI

PROCEDIMENTO è la descrizione di tutte  le operazioni utilizzate per la realizzazione dell’esperienza. Può eventualmente contenere calcoli.

DISEGNO è la rappresentazione schematica della strumentazione o dei materiali utilizzati scegliendoli tra quelli più rappresentativi dell’esperienza

RICHIAMI TEORICI è una breve sintesi della parte di programma di teoria associata all’esperienza

CONCLUSIONI devono contenere  l’analisi dei risultati ottenuti. Devono fare riferimento all’obiettivo indicando se è stato raggiunto e, in caso negativo, devono motivare il risultato ottenuto.

La sicurezza nel laboratorio chimico

Le etichette dei prodotti chimici

Le confezioni dei prodotti chimici, sia quelle del laboratorio chimico che quelle dei prodotti di uso domestico,  riportano direttamente sulle etichette simboli e sigle facilmente comprensibili in tutti i paesi.

                      

I simboli di pericolo devono comparire obbligatoriamente sulle confezioni di determinate sostanze. Essi indicano, in modo sintetico, che la sostanza chimica contenuta è potenzialmente pericolosa, e permettono di individuare a colpo d’occhio di quale tipo di pericolo si tratta.  Tali simboli, detti pittogrammi, sono neri su sfondo arancio, ma sono in fase di sostituzione con  nuovi simboli neri su sfondo bianco e cornice rossa, adottati dalla nuova normativa europea.

In aggiunta è possibile trovare sulle confezioni le cosiddette frasi di rischio che danno indicazioni più precise sul tipo di rischio. Si chiamano frasi H (dall’inglese hazard= pericolo). Sono indicate con la lettera H seguita da un codice di 3 numeri. Anche le frasi H saranno sostituite dalle frasi R che hanno lo stesso significato. Es. R35= provoca gravi ustioni.

Ancora è possibile trovare le cosiddette frasi S che spiegano come comportarsi quando si utilizza una sostanza. Le frasi S saranno sostituite dalle frasi P (consigli di prudenza) Es. P260= non respirare la polvere.

Particolare dell'etichetta di una confezione di acido solforico

I nuovi simboli di pericolo

Per saperne di più:

https://www.youtube.com/watch?v=GbuJ-hk_5D8

https://www.youtube.com/watch?v=KN2grWEPyvc

https://www.youtube.com/watch?v=TxREAHiowIg

Le norme di comportamento

E’ OBBLIGATORIO

1.Seguire scrupolosamente le indicazioni di lavoro per essere sempre consapevoli del modo di operare e del significato  delle operazioni che ci si accinge ad eseguire

2.Indossare il camice chiuso, i guanti e gli occhiali di protezione

3.Indossare calzature chiuse

4.Tenere raccolti i capelli lunghi

5.Lavorare sotto la cappa aspirante in presenza di vapori nocivi

6. Leggere le etichette dei prodotti chimici prima dell’uso

7.Usare sempre le pinze per prelevare contenitori riscaldati

8.Tenere pulito e in ordine il banco di lavoro

9.Tenere sgombri i pavimenti per non intralciare il passaggio con zaini  o altri oggetti

10.Smaltire correttamente i rifiuti

E’ VIETATO

1.Mescolare reagenti a caso

2.Annusare o assaggiare reattivi di qualsiasi natura

3.Usare le attrezzature di laboratorio in modo improprio

4.Lasciare aperti e fuori posto i contenitori dei reattivi

5.Mangiare o bere nel laboratorio

6. Muoversi in modo brusco

7.Tenere nelle tasche forbici, provette di vetro, spatole di acciaio

Attrezzature da laboratorio chimico

Nei laboratori chimici le attrezzature più comunemente utilizzate sono in vetro pyrex che è particolarmente resistente al calore. I contenitori in porcellana sono adatti anche per sopportare la fiamma diretta. Tutti i contenitori devono essere rigorosamente puliti e asciutti prima dell’uso.

Attrezzature da laboratorio.
Da "The golden book of chemistry experimens" by Robert Brent - Golden Press New York

 La  vetreria comune comprende contenitori come becher, beute, palloni, provette, e strumenti di misura del volume di liquidi come cilindri, matracci, burette, pipette. I contenitori per la misura di volumi possono avere diverse capacità. Si dicono graduati quando presentano una scala che consente di misurare diversi volumi (cilindri e burette); si dicono tarati quando presentano un'unica tacca che consente di misurare un unico volume (matracci e alcuni tipi di pipette). Le beute e i becher, pur essendo graduati, consentono una misura del volume molto approssimata. I contenitori in porcellana sono mortai e crogioli. Altri strumenti sono in metallo: pinze, spatole, sostegni. Esistono anche provette monouso in plastica e di questo materiale sono fatti anche i porta provette e le spruzzette che servono a contenere l’acqua distillata.

In questo video una rapida panoramica della vetreria più comune:

https://www.youtube.com/watch?v=J40jZ6MxL3E

Modelli molecolari

Esistono diversi tipi di modelli molecolari:

I modelli a sfere e bastoncini (ball and stick), come quelli della foto, contengono sfere di plastica che rappresentano gli atomi e  cannucce che servono a legare tra loro le sfere e quindi a rappresentare i legami chimici.

I modelli a spazio pieno (space filling) utilizzano solo sfere di dimensioni opportune, collegabili tra loro, che rappresentano in scala il volume reale degli atomi e quindi danno un’ idea più realistica della forma delle molecole.

Nel caso dell'acqua:

E’ possibile prevedere la geometria di una molecola con la teoria VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) basata sull’assunto che gli elettroni di valenza, sia quelli che partecipano alla formazione di legami, sia quelli non condivisi, si respingono tra loro e tendono perciò a disporsi tra loro il più lontano possibile.

Esistono però anche metodi diversi per creare modelli molecolari, anche con materiali riciclati, come illustrato nel seguente video:

http://www.scienzainrete.it/documenti/video/modelli-molecolari-riciclabili/may-2012

Materiali leganti

In edilizia i leganti sono materiali che hanno la funzione di legare tra loro gli elementi delle costruzioni. Si presentano sotto forma di polveri che impastate con acqua danno luogo alle cosiddette malte. Queste hanno la capacità di far presa nel tempo e quindi di trasformarsi in materiali solidi. Si dividono in leganti aerei che fanno presa all’aria e leganti idraulici che fanno presa anche in presenza di acqua. Rientrano nei leganti aerei la calce e il gesso. Il più comune legante idraulico è il cemento che, quando viene utilizzato in presenza di materiali lapidei, viene indicato come calcestruzzo e utilizzato come materiale strutturale.

CALCE

La calce è un materiale antico, che ha segnato le tappe fondamentali della storia millenaria dell'edilizia e dell'architettura. La calce aerea, così chiamata perchè indurisce per assorbimento dell'anidride carbonica dall'aria, è il prodotto della cottura di calcari puri cioè di  rocce ad alto contenuto di carbonato di calcio CaCO₃

"Intonaco" è il termine usato in architettura per indicare la parte più esterna del rivestimento superficiale delle strutture verticali. 
L'uso di rifinire le superfici murarie con intonaci di calce ha origini antichissime. La calce è disponibile sul mercato in polvere o in pasta. In questo video è descritto il ciclo della calce:

GESSO

Il gesso è un materiale di aspetto bianco-grigio e polveroso, è un legante aereo utilizzato in edilizia sotto forma di malta per la finitura di pareti lisce o con particolari effetti estetici e sottofondi lisci per pavimenti o carta da parati. In arte è usato per la realizzazione di calchi, modelli e statue. Dal punto di vista chimico è composto da solfato di calcio CaSO_4. La produzione del gesso si basa sulla macinazione e seguente cottura di rocce gessose, dunque contenenti CaSO₄· 2H₂O solfato di calcio biidrato. Nel corso della cottura, una volta giunti a 130 °C, la roccia gessosa perde i  3/4 dell'acqua di cristallizzazione: si forma così un semiidrato di calcio (CaSO₄ · 0,5 H₂O). A temperature più alte l'acqua di cristallizzazione viene eliminata completamente. Per l'impiego il gesso cotto viene macinato finemente e insaccato. I gessi da costruzione che si trovano in commercio sono costituiti da gesso semiidrato che, come nel caso della calce aerea, fa presa all’aria riconvertensosi in solfato di calcio biidrato (meno solubile del semiidrato).

CEMENTO

Il cemento viene preparato con una miscela di calcare e argilla che viene macinata e riscaldata fino alla fusione. Da tale cottura si ottiene una miscela di ossidi:

CaO e MgO ossido di calcio e ossido di magnesio, provenienti dal calcare, sono ossidi metallici o basici

SiO₂ biossido di silicio, proveniente dall’argilla, è un ossido non metallico o acido

Al₂O₃ e Fe₂O₃ triossido di dialuminio e triossido di biferro, provenienti anch’essi dall’argilla, si dicono anfoteri perché possono comportarsi da acidi o da basi secondo l’ambiente circostante

Tutti questi ossidi risultano essere i principali componenti del cemento, anche se nel corso della preparazione si combinano tra loro a formare strutture più complesse.

Le quantità degli ossidi determinano le caratteristiche di idraulicità delle malte, attraverso l’indice di idraulicità ovvero il rapporto tra le quantità di ossidi acidi e anfoteri e le quantità di ossidi basici:

I = SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ / CaO + MgO

Quanto più alto è l’indice tanto più il legante è idraulico, cioè in grado di far presa in presenza di acqua.

I polimeri

I polimeri sono macromolecole formate dall’unione di molecole più piccole dette monomeri legati tra loro con legami covalenti. Le proprietà dei polimeri dipendono dal tipo e dal numero di monomeri legati. L’unione avviene mediante due tipi di reazione come illustrato nel video:

https://www.youtube.com/watch?v=xGmsIHi5pao

Polimeri in tavola

I polimeri naturali che vengono prodotti nelle cellule animali e vegetali sono polisaccaridi, proteine e acidi nucleici.

Tra i polisaccaridi troviamo l’amido, componente principale della farina, formato da centinaia di monomeri di glucosio, e la cellulosa, componente di piante e fibre naturali. Anche la cellulosa è costituita da molecole di glucosio ma il legame ha una struttura diversa che ne modifica le proprietà e la rende non digeribile dagli esseri umani.

Le proteine sono formati dall’unione di un gran numero di monomeri detti amminoacidi. Gli amminoacidi presenti nelle proteine umane sono solo venti e la sequenza con cui si susseguono nel polimero determina il tipo di proteina. Le proteine svolgono importanti funzioni negli organismi poiché si trovano nei muscoli, nella cartilagine, nei capelli, nelle unghie. Anche gli enzimi sono proteine.

Gli acidi nucleici sono il DNA (acido deossiribonucleico) e l’RNA (acido ribonucleico) polimeri formati dall’unione di soli quattro tipi di monomeri detti nucleotidi. Gli acidi nucleici contenuti nelle cellule portano l’informazione per l’assemblaggio degli amminoacidi nella sintesi proteica.

I polimeri sintetici come il polietilene (PE), il polistirene (PS), il polivinilcloruro (PVC) si ottengono dall’unione di piccoli idrocarburi di derivazione petrolifera e sono alla base delle materie plastiche. Sono polimeri anche la gomma sintetica, molte sostanze adesive, e il nylon, una fibra sintetica più forte della fibra di seta  naturale.

Il ciclo del carbonio

Il carbonio è il costituente fondamentale degli organismi animali e vegetali, si trova nelle rocce come carbonato, nell'atmosfera sotto forma di anidride carbonica. 

In questo racconto di Primo Levi seguiamo il percorso di un atomo di carbonio.

L'AVVENTUROSA STORIA DI UN ATOMO DI CARBONIO

tratto da "Il sistema periodico" di Primo Levi  (1975)

Il nostro personaggio giace da centinaia di milioni di anni, legato a tre atomi d’ossigeno e a uno di calcio, sotto forma di roccia calcarea: ha già una lunghissima storia cosmica alle spalle ma la ignoreremo. Per lui il tempo non esiste, o esiste solo sotto forma di pigre variazioni di temperatura, giornaliere e stagionali, se, per la fortuna di questo racconto, la sua giacitura non è troppo lontana dalla superficie del suolo.

Giace, infatti,  alla portata dell’uomo e, nell’anno 1840, un colpo di piccone lo staccò e gli diede l’avvio verso il forno a calce, precipitandolo nel mondo delle cose che mutano. Venne arrostito affinché si separasse dal calcio, il quale rimase per così dire con i piedi per terra e andò incontro a un destino meno brillante che non narreremo; lui, tuttora fermamente abbarbicato a due dei tre suoi compagni ossigeni di prima, uscì per il camino e prese la via dell’aria. La sua storia, da immobile, si fece tumultuosa. Fu colto dal vento, abbattuto al suolo, sollevato a dieci chilometri. Fu respirato da un falco, discese nei suoi polmoni precipitosi, ma non penetrò nel suo sangue ricco, e fu espulso. Si sciolse per tre volte nell’acqua del mare, una volta nell’acqua di un torrente in cascata, e ancora fu espulso. Viaggiò col vento per otto anni, ora alto, ora basso, sul mare e fra le nubi, sopra foreste, deserti e smisurate distese di ghiaccio; poi incappò nella cattura e nell’avventura organica.

Fu dunque condotto dal vento, nell’anno 1848, lungo un filare di viti. Ebbe la fortuna di rasentare una foglia,di penetrarvi, e di essere inchiodato da un raggio di sole. Ecco dunque che entra nella foglia, collidendo con altre innumerevoli molecole di azoto e ossigeno. Aderisce a una grossa e complicata molecola che lo attiva, e simultaneamente riceve il decisivo messaggio dal cielo, sotto la forma folgorante di un pacchetto di luce solare: in un istante, come un insetto preda del ragno, viene separato dal suo ossigeno e combinato con idrogeno.

Ora il nostro atomo è inserito: fa parte di una struttura, nel senso degli architetti; si è imparentato e legato con cinque compagni, talmente identici a lui che solo la finzione del racconto mi permette di distinguerli. E’ una bella struttura ad anello, un esagono quasi regolare. E’ entrato a far parte di una molecola di glucosio.

Il carbonio, infatti, è un elemento singolare: è il solo che sappia legarsi con se stesso in lunghe catene stabili senza grande spesa di energia, ed alla vita sulla terra (la sola che finora conosciamo) occorrono appunto lunghe catene. Perciò il carbonio è l’elemento chiave della sostanza vivente: ma la sua promozione, il suo ingresso nel mondo vivo, non è agevole, e deve seguire un cammino obbligato, intricato, chiarito solo in questi ultimi anni.

Il nostro atomo di carbonio viaggiò dunque, col lento passo dei succhi vegetali, dalla foglia per il picciolo e per il tralcio fino al tronco, e di qui discese fino a un grappolo quasi maturo. Quello che seguì è di pertinenza dei vinai: a noi interessa solo precisare che sfuggì (con nostro vantaggio, perché non lo sapremmo ridurre in parole)alla fermentazione alcoolica, e giunse al vino senza mutare natura.E’ destino del vino essere bevuto, ed è destino del glucosio essere ossidato. Ma non fu ossidato subito: il suo bevitore se lo tenne nel fegato per più di una settimana, bene aggomitolato e tranquillo, come alimento di riserva per uno sforzo improvviso; sforzo che fu costretto a fare la domenica seguente, inseguendo un cavallo che si era adombrato.

Addio alla struttura esagonale: nel giro di pochi istanti il gomitolo fu dipanato e ridivenne glucosio, questo venne trascinato dalla corrente del sangue fino ad una fibrilla muscolare di una coscia, e qui brutalmente spaccato in due molecole di acido lattico, il tristo araldo della fatica: solo più tardi, qualche minuto dopo, l’ansito dei polmoni poté procurare   l’ossigeno necessario ad ossidare con calma quest’ultimo. Così una nuova molecola di anidride carbonica ritornò all’atmosfera, ed una parcella dell’energia che il sole aveva ceduta al tralcio passò dallo stato di energia chimica a quello di energia meccanica e quindi si adagiò nell’ignava condizione di calore, riscaldando impercettibilmente l’aria smossa dalla corsa e il sangue del corridore.

Siamo di nuovo anidride carbonica: è un passaggio obbligato. Di nuovo vento, che questa volta porta lontano: supera gli Appennini e l’Adriatico, la Grecia l’Egeo e Cipro: siamo sul Libano e la danza si ripete. L’atomo di cui ci occupiamo è ora intrappolato in una struttura che promette di durare a lungo: è il tronco venerabile di un cedro, uno degli ultimi; è ripassato per gli stadi che abbiamo già descritti, ed il glucosio di cui fa parte appartiene, come il grano di un rosario, ad una lunga catena di cellulosa.

Dopo vent’anni (siamo nel 1868) se ne occupa un tarlo. Ha scavato la sua galleria fra il tronco e la corteccia, con la voracità cieca e ostinata della sua razza; trapanando è cresciuto, il suo cunicolo è andato ingrossando. Ecco, ha ingoiato e incastonato in se stesso il soggetto di questa storia; poi si è impupato, ed è uscito in primavera sotto forma di brutta farfalla grigia che ora si sta asciugando al sole,frastornata e abbagliata dallo splendore del giorno: lui è là , in uno dei mille occhi dell’insetto, e contribuisce alla visione sommaria e rozza con cui esso si orienta nello spazio. L’insetto viene fecondato, depone le uova e muore:il piccolo cadavere giace nel sottobosco, si svuota dei suoi umori, ma la corazza di chitina resiste a lungo, quasi indistruttibile. La neve e il sole ritornano sopra di lei senza intaccarla: è sepolta dalle foglie morte e dal terriccio, è diventata una spoglia, una “cosa”, ma la morte degli atomi, a differenza della nostra, non è mai irrevocabile.

Ecco al lavoro gli onnipresenti, gli instancabili e invisibili becchini del sottobosco, i microrganismi dell’humus. La corazza, con i suoi occhi ormai ciechi, è lentamente disintegrata, e l’ex bevitore, l’ex cedro, ex tarlo, ha nuovamente preso il volo (sotto forma di anidride carbonica).

Lo lasceremo volare per tre volte intorno al mondo, fino al 1960, ed a giustificazione di questo intervallo così lungo rispetto alla misura umana faremo notare che esso è assai più breve della media: questa, ci si assicura, è di duecento anni.

L’anidride carbonica, la forma aerea del carbonio di cui abbiamo finora parlato,  e che costituisce la materia prima della vita, non è uno dei componenti principali dell’aria,bensì un rimasuglio ridicolo, un’”impurezza” trenta volte meno abbondante dell’argon di cui nessuno si accorge. L’aria ne contiene lo 0,03 %: se l’Italia fosse l’aria, i soli italiani abilitati ad edificare la vita sarebbero ad esempio i 15000 abitanti di Milazzo, in provincia di Messina. Questo, in scala umana, è un’acrobazia ironica, uno scherzo da giocoliere,una incomprensibile ostentazione di onnipotenza-prepotenza, poiché da questa sempre rinnovata impurezza dell’aria veniamo noi: noi animali e noi piante, e noi specie umana, coi nostri quattro miliardi di opinioni discordi, i nostri millenni di storia, le nostre guerre e vergogne e nobiltà e orgoglio.

Ogni duecento anni, ogni atomo di carbonio che non sia congelato in materiali ormai stabili (come appunto il calcare, o il carbon fossile, o il diamante, o certe materie plastiche) entra e rientra nel ciclo della vita, attraverso la porta stretta della fotosintesi.

Esistono alte porte? Sono porte ancora molto più strette di quella del verde vegetale: consapevolmente o no, l’uomo non ha cercato finora di competere con la natura su questo terreno,e cioè non si è sforzato di attingere, dall’anidride carbonica dell’aria, il carbonio che gli è necessario per nutrirsi, per vestirsi, per riscaldarsi, e per i cento altri bisogni più sofisticati della vita moderna. Non lo ha fatto perché non ne ha avuto bisogno: ha trovato, e tuttora trova (ma per quanti decenni ancora?) gigantesche riserve di carbonio costituite dai giacimenti di carbon fossile e di petrolio: ma anche questi sono eredità di attività fotosintetiche compiute in epoche lontane, per cui si può bene affermare che la fotosintesi non è solo l’unica via per cui il carbonio si fa vivente, ma anche la sola per cui l’energia del sole si fa utilizzabile chimicamente.

Si può dimostrare che questa storia, del tutto arbitraria, è tuttavia vera. Potrei raccontare innumerevoli storie diverse, e sarebbero tutte vere: tutte letteralmente vere, nella natura dei trapassi, nel loro ordine e nella loro data.

Il numero degli atomi è tanto grande che se ne troverebbe sempre uno la cui storia coincida con una qualsiasi storia inventata a capriccio. Potrei raccontare storie a non finire, di atomi di carbonio che si fanno colore o profumo nei fiori; di altri che da alghe minute a piccoli crostacei, a pesci via via più grossi, ritornano anidride carbonica nelle acque del mare, in un perpetuo spaventoso girotondo di vita e di morte.

La chimica del carbonio

Fino alla metà dell'800 si riteneva che tutte le sostanze potessero essere suddivise in due categorie distinte: le sostanze organiche prodotte solo dagli organismi viventi e tutte le altre che venivano indicate come sostanze inorganiche. Nel 1828 il chimico tedesco F. Wholer riuscì a produrre l'urea (sostanza organica costituente dell'urina dei mammiferi) partendo dal cianato di ammonio che è un composto inorganico. Solo successivamente a questa scoperta si cominciò a delineare l'idea che non esista un confine netto tra le due branche della chimica. 

Il nome chimica organica viene tutt'oggi utilizzato per indicare la chimica dei composti del carbonio. Questo elemento infatti forma un numero enorme di composti diversi per struttura e proprietà.

Tra le più importanti classi di composti del carbonio troviamo gli idrocarburi che contengono solo carbonio e idrogeno, e che sono contenuti nei combustibili fossili formati dai resti di piante e animali. Sono combustibili fossili il carbone, il gas naturale e il petrolio.

Come si forma il petrolio:
https://www.youtube.com/watch?v=tGsTSISXqzo

Altre classi di composti organici contengono anche l'ossigeno oltre a carbonio e idrogeno. Sono alcoli, eteri, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri.

Tra le sostanze di uso comune troviamo per esempio:

-L’alcool etilico o etanolo di formula C₂H₅OH appartenente alla categoria degli alcoli. Viene ottenuto per distillazione di liquidi zuccherini fermentati come vini di scarto, oppure da sostanze amidacee sottoposte all’azione di lieviti fermentanti. L’alcol assoluto è l’alcol puro usato per la preparazione di bevande. L’alcol denaturato è quello utilizzato come disinfettante. Non è puro ma addizionato di sostanze estranee, in genere idrocarburi, che ne impediscono l’uso alimentare. E’ destinato ad altre preparazioni industriali ed è esente da imposta.

-L’acetone è il costituente dei solventi per smalti. Ha formula CH₃COCH₃, è un liquido infiammabile e volatile appartenente alla classe dei chetoni. Molto utilizzato come solvente anche nell’industria.

-L'acido  acetico CH3COOH è uno dei membri più piccoli della famiglia acidi carbossilici ed è un acido debole contenuto nell'aceto.

-Il saccarosio che è il  comune zucchero da tavola ha formula C₁₂H₂₂O₁₁. Fa parte della serie di composti complessivamente indicati come zuccheri, glucidi o carboidrati. Questa classe di sostanze molto comuni comprende tre grosse famiglie: i monosaccaridi come il glucosio o il fruttosio, i disaccaridi come il lattosio e il saccarosio (composti da due monosaccaridi legati tra loro), i polisaccaridi  come l’amido  e la cellulosa (composti da un gran numero di monosaccaridi legati tra loro). Il saccarosio, in particolare, contiene glucosio e fruttosio perciò è un disaccaride. Viene ottenuto dalla barbabietola da zucchero o dalla canna da zucchero.

Fanno parte della chimica organica anche le cosiddette biomolecole: carboidrati, lipidi, proteine, acidi nucleici

Rivedi la lezione in video:

La velocità delle reazioni

Ogni reazione ha la sua velocità: esistono reazioni lente come la formazione della ruggine, e reazioni veloci come quelle esplosive. In ogni caso la velocità è definita come il rapporto tra la variazione della quantità di un reagente o di prodotto e il tempo impiegato per la variazione.

Diversi fattori influenzano la velocità di reazione e sono illustrati in questo video:

https://www.youtube.com/watch?v=6a4G85J4R7Y

Catalizzatori

I catalizzatori sono materiali che aumentano la velocità di una reazione senza parteciparvi direttamente, ma abbassando l'energia di attivazione. Diversi metalli nobili come l'oro, argento e il platino trovano applicazione come catalizzatori nei processi industriali. Il platino viene utilizzato anche nelle marmitte catalitiche delle auto dove catalizza la reazione di ossidazione delle componenti più nocive dei gas di scarico: idrocarburi incombusti, monossido di carbonio e ossidi di azoto.
Il ruolo dei catalizzatori è essenziale anche nei processi biologici. La maggior parte delle reazioni che avvengono negli organismi viventi sono catalizzate da particolari proteine dette enzimi. Senza di essi la velocità delle reazioni non sarebbe sufficiente. Per esempio l'enzima lattasi è quello che permette la digestione del latte perché consente di separare il disaccaride lattosio in galattosio e glucosio. L'enzima è localizzato sulla parete intestinale e quando manca o è in quantità insufficiente si manifesta l'intolleranza al lattosio Per le persone che hanno questo problema esiste in commercio il latte HD (High Digestibility) in cui il latte viene pretrattato per decomporre il lattosio.

Celle elettrolitiche

In una cella elettrolitica viene utilizzata l’energia elettrica per realizzare reazioni redox non

spontanee e produrre energia chimica.

Per esempio nel caso dell’elettrolisi dell’acqua:

 https://www.youtube.com/watch?v=vTj-4hbjFnQ

-Al catodo (riduzione):

2 H₂O + 2e^-    =  H₂  +  2 OH ^–

-All’anodo (ossidazione):

H₂O =  ½ O₂  +  2 H ⁺ + 2e^-

Reazione globale:

H₂O  =   H₂  + ½ O₂

Il volume di H₂ prodotto è doppio rispetto a quello di O₂.

L’elettrolisi viene utilizzata industrialmente per produrre cloro da cloruro di sodio, alluminio dall’ossido e anche per creare rivestimenti metallici su superfici di ferro o acciaio da proteggere dalla corrosione.

Le pile

In una cella galvanica o voltaica (detta comunemente pila) l’energia chimica prodotta da una reazione redox spontanea viene trasformata in energia elettrica.

Il primo dispositivo capace di produrre corrente elettrica fu creato da Alessandro Volta nel 1799. La pila di Volta era composta da una serie di dischi alternati di rame e zinco a contatto con un panno imbevuto di soluzione acida. Il primo e l’ultimo disco erano collegati a fili di rame tra i quali si generava una differenza di potenziale (ddp) in grado di produrre corrente elettrica. Questo dispositivo fu utilizzato per studiare la contrazione muscolare in un noto esperimento con rane morte e sezionate.

Sul sistema zinco-rame è basata anche la pila Daniell (1831) composta da due soluzioni dette semicelle, collegate da un ponte salino, e contenenti i due elettrodi metallici come nello schema:

semireazione di ossidazione Zn  =  Zn ²⁺  + 2 e^-

semireazione di riduzione Cu ²⁺  +  2e^-  =  Cu

reazione globale Zn (s) + CuSO₄ (aq)  =  ZnSO₄ (aq) + Cu (s)

Il voltmetro posto nel circuito esterno misura una tensione, o differenza di potenziale, (ddp) in volt che rappresenta la tendenza dello zinco ad ossidarsi e del rame a ridursi.

Tipo di pila	Caratteristiche
Pila a secco o zinco–carbone o Leclanché	Anodo di zinco e catodo costituito da una bacchetta di grafite a contatto con biossido di manganese. Lo zinco si ossida, il manganese si riduce. ddp=1,48 volt
Pile alcaline	Hanno sostituito le pile zinco-carbone, la reazione redox è la stessa, ma struttura diversa garantisce una ddp più stabile. ddp=1,5 volt
Pila Mallory o pila a bottone	E’ basata sulla reazione tra zinco e ossido di mercurio. La reazione di riduzione produce mercurio metallico tossico e pericoloso per l’ambiente. Usata per orologi e calcolatrici. ddp=1,3 volt
Pile ricaricabili	Al nichel-cadmio. Per la presenza del cadmio tossico si tende a sostituirle con le pile agli ioni litio e Ni-idruro metallico. Utilizzate per svariati prodotti elettronici. ddp=1,2 volt
Accumulatore al piombo	E’ composto da una serie di pile i cui elettrodi, costituiti da lamine di piombo e da lastre di piombo rivestito di biossido di piombo, sono immersi in una soluzione di acido solforico. Utilizzato nelle automobili, è ricaricabile. Per ogni pila ddp= 2 volt

Le pile esauste vengono classificate come Rifiuti Urbani Pericolosi e perciò devono essere smaltite negli appositi contenitori. Le batterie delle auto vanno smaltite nei centri di raccolta, il piombo viene riciclato con grande vantaggio per l'economia e per l'ambiente.

Rivedi la lezione in video:

I fenomeni di corrosione dei metalli, come per esempio la formazione della ruggine sul ferro, sono basati su reazioni di ossidoriduzione. Il ferro infatti reagisce con l’ossigeno dell’aria in presenza di acqua o di umidità e forma vari ossidi passando dallo stato di ossidazione 0 a +2 o +3. L’insieme di ossidi e idrossidi prodotti prende il nome di ruggine. Questa, essendo polverosa e friabile viene rimossa scoprendo altri strati superficiali di ferro per cui la corrosione continua.

Rappresentazione del fenomeno della corrosione

La torre Eiffel costruita a Parigi nel 1889 e composta di ferro a basso contenuto di carbonio viene protetta dalla corrosione con la completa verniciatura che viene effettuata ogni sette anni.

Altri metalli come rame, stagno, zinco, alluminio reagiscono con l’ossigeno dell’aria ricoprendosi di uno strato di ossido che funziona come superficie protettiva. Per questo motivo in alternativa alla verniciatura antiruggine è possibile ricoprire il ferro con uno strato di metallo diverso come zinco  o alluminio.

Rivedi la lezione in video:

Reazioni di ossidoriduzione

Tutte le reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni da una specie che li cede (si ossida) ad un’altra specie che li acquista (si riduce) si chiamano reazioni di ossidoriduzione (o redox).

Esse possono essere individuate osservando la variazione del numero di ossidazione delle specie coinvolte.

Il numero di ossidazione (n.o.) è la carica formale (cioè convenzionale) che viene attribuita a un atomo all’interno di una molecola o di uno ione poliatomico, assegnando gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo.

Le regole per assegnare il n.o. sono le seguenti:

1.Allo stato elementare tutti gli atomi hanno n.o. zero.

2.La somma dei n.o. di tutti gli atomi deve risultare zero per una molecola neutra e pari alla carica per uno ione poliatomico.

3.Gli ioni monoatomici hanno tutti n.o. pari alla loro carica.

4.In un legame covalente si assegnano formalmente i due elettroni di legame all’atomo più elettronegativo.

5.L’idrogeno ha sempre n.o. +1 tranne negli idruri che è –1.

6.In tutti i composti l’ossigeno ha n.o. –2, tranne nei perossidi che è –1

L’ossidazione è un processo in cui una specie chimica perde elettroni con conseguente aumento del numero di ossidazione. La riduzione è un processo in cui una specie chimica acquista elettroni con conseguente diminuzione del numero di ossidazione. In una reazione di ossido-riduzione i due processi avvengono contemporaneamente.

L’agente riducente è la sostanza che si ossida. L’agente ossidante è la sostanza che si riduce. Gli elettroni ceduti dal riducente sono sempre pari a quelli acquistati dall’ossidante.

Per es. nella reazione tra zinco e acido cloridrico

Zn + HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn passa da numero di ossidazione 0 nel metallo a +2 nel sale ZnCl₂ perciò perde 2 elettroni e si ossida

H passa da numero di ossidazione +1 in HCl a 0 in H₂ perciò acquista 1 elettrone e si riduce

Nella reazione bilanciata il numero degli elettroni persi è uguale a quello degli elettroni acquistati:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂

La dismutazione (o disproporzione) è una reazione redox in cui una stessa specie chimica in parte si ossida e in parte si riduce:

Cl₂ (g) + 2 OH^- (aq)  =  Cl^- (aq)  +  ClO^-  (aq) +  H₂O (l)

In questa reazione del cloro gassoso in ambiente basico si ha il passaggio da n. di ossidazione 0 del Cl₂ a -1 nello ione cloruro Cl^- (riduzione) e a +1 nello ione ipoclorito ClO^- (ossidazione).

Rivedi la lezione in video:

Nel prossimo video una divertente esperienza basata sulla dismutazione del perossido di idrogeno (acqua ossigenata)

https://www.youtube.com/watch?v=ezsur0L0L1c

Qui la spiegazione dettagliata:http://www.chimicare.org/curiosita/la-chimica-sensazionale/video-il-
dentifricio-dellelefante-interpretazione-di-una-dismutazione-spettacolare/

L'acqua ossigenata (perossido di idrogeno) ha formula H₂O₂ (nei perossidi il numero di ossidazione dell'ossigeno è -1). E' un liquido incolore, corrosivo, con un odore pungente e per questo motivo viene commercializzato e utilizzato in soluzione acquosa. 

La concentrazione delle soluzioni viene espressa in volumi che indicano il numero di litri di ossigeno ottenibili da 1 litro di soluzione in seguito alla decomposizione  2 H₂O₂ (l) =   2 H₂O (l)  +  O₂  (g) fatta avvenire in condizioni standard (°C e 1 atm). 

La reazione di decomposizione è accelerata dalla luce per questo la soluzione è conservata in contenitori non trasparenti. L'acqua ossigenata è utilizzata come decolorante e sbiancante in processi industriali e come disinfettante per escoriazioni, ferite, ulcere, L'azione disinfettante è dovuta al fatto che denatura le proteine, distruggendo i batteri, e alla formazione di bollicine di ossigeno che puliscono meccanicamente la ferita.

Reazioni di neutralizzazione

Le reazioni di neutralizzazione sono reazioni in cui una soluzione acida e una basica vengono mescolate ottenendo un sale e acqua:

HCl_(aq)  +  NaOH _(aq)  =  H₂O _(l) + NaCl _(aq)

Essendo sostanze ionizzate in acqua la reazione avviene tra gli ioni H⁺ dell’acido e ioni OH^- della base che portano alla formazione di acqua. Gli altri ioni presenti in soluzione non partecipano alla reazione:

H⁺_(aq)  +  Cl^–_{(aq)   +}   Na⁺_(aq)  + OH- _(aq)  =  H₂O _{(l)  )}  +  Cl^–_{(aq)   +}  Na⁺_(aq) 

Il meccanismo è quello di uno scambio doppio e l’acqua è sempre il prodotto della reazione, il sale che si forma dipende dall’acido e dalla base utilizzati Gli acidi binari con l’idrossido danno sali binari. Gli acidi ternari con l’idrossido danno sali ternari.

Quando tutto l’acido ha reagito con la base la soluzione diventa neutra.

Rivedi la lezione in video:

La neutralizzazione è alla base di una tecnica analitica detta titolazione acido-base. Essa consente di determinare la concentrazione di una soluzione acida (o basica), per aggiunta di una soluzione basica (o acida) a concentrazione e volume noti. 

Compresse antiacido

Le compresse utilizzate per combattere l’acidità di stomaco contengono una base debole in grado di neutralizzare l’acidità con produzione di sali neutri.

Il più comune rimedio antiacido è il bicarbonato di sodio. La reazione con l’acido cloridrico dello stomaco porta alla formazione di cloruro di sodio, acqua e anidride carbonica:

NaHCO₃  +  HCl  = NaCl + CO₂ + H₂O

La reazione con sviluppo di gas può essere osservata facilmente aggiungendo qualche goccia di limone o aceto ad una soluzione acquosa contente bicarbonato di sodio disciolto.

Acidi e basi. Il pH

Gli acidi e le basi sono due classi di composti appartenenti alla categoria degli elettroliti.In questo video vediamo anche altre caratteristiche degli acidi e delle basi e scopriamo che cosa è il pH:

Nel seguente video una prova sperimentale con acidi e basi molto  comuni

https://www.youtube.com/watch?v=Y9IrY8WFaig

Soluzioni elettrolitiche

Quando si prepara una soluzione acquosa le molecole di acqua circondano le particelle del soluto in un processo detto idratazione. Questo fenomeno si verifica per qualsiasi tipo di soluto. Alcuni tipi di soluto a contatto con l’acqua generano ioni e tali soluzioni si dicono elettrolitiche perché conducono la corrente elettrica. Vediamo come in questo video:

I soluti che danno soluzioni elettrolitiche sono di tre tipi:

-I sali solubili in acqua sono composti ionici e in acqua liberano i loro ioni. Il fenomeno sia chiama dissociazione:

NaCl_(s)  =  Na⁺_(aq)  +  Cl^-_(aq)

-Gli idrossidi solubili in acqua danno lo stesso fenomeno:

NaOH (s) =  Na⁺_(aq)  + OH- (aq)

-Gli acidi sono composti molecolari polari e in acqua danno luogo ad una vera e propria reazione chimica in cui si spezza i legame covalente tra l’idrogeno che diventa positivo e il resto della molecola che genera un anione. Il processo si chiama ionizzazione:

HCl_(g) = H⁺_(aq)  +  Cl^–_(aq)

Nella dissociazione e nella ionizzazione gli ioni vengono circondati dalle molecole d’acqua orientate in modo che il polo positivo sia rivolto verso lo ione negativo, e il polo negativo verso lo ione positivo.

Altre sostanze molecolari polari come il saccarosio si sciolgono in acqua idratandosi, senza formare ioni. Queste soluzioni non conducono la corrente elettrica.

Esistono altre proprietà delle soluzioni: per esempio l'innalzamento ebullioscopico per il quale una soluzione bolle a temperatura più elevata del solvente puro, e l'abbassamento crioscopico per cui una soluzione congela a temperatura più bassa rispetto al solvente puro. Quest'ultimo fenomeno spiega il motivo per cui le strade innevate vengono cosparse di sale. I dettagli in questo link:

http://www.chimicare.org/curiosita/la-chimica-nella-vita-domestica/come-agisce-il-sale-antighiaccio/

Reazioni chimiche e stechiometria

La stechiometria è il ramo della chimica che si occupa delle relazioni quantitative fra i reagenti e i prodotti di una reazione. Quando si deve far avvenire una reazione la quantità dei reagenti non può essere scelta a caso, ma tenendo conto  della composizione dei prodotti che si ottengono e oltre che della quantità che si desidera ottenere .

La reazione bilanciata ci indica il numero di molecole coinvolte per ciascuna specie, ma per passare dal livello microscopico a quello macroscopico è necessario calcolare le quantità in grammi. Tali quantità, nella giusta proporzione, vengono indicate come quantità stechiometriche. Le quantità da utilizzare in concreto potranno essere multipli o sottomultipli delle quantità stechiometriche.

In pratica è necessario considerare che  i coefficienti stechiometrici indicano sia il numero di molecole che partecipa alla reazione, sia il numero di moli. I passaggi da effettuare sono:

-scrivere la reazione bilanciata;

-determinare le masse molari delle specie coinvolte;

-calcolare la massa della specie richieste moltiplicando il numero di moli per le masse molari.

Esempio:

Riguardo alla reazione bilanciata:   2 H₂  + O₂  =  2 H₂O

sappiamo che due molecole di idrogeno reagiscono con una molecola di ossigeno per formare due molecole d’acqua. Allo stesso modo possiamo dire che due moli di idrogeno reagiscono con una mole di ossigeno per formare due moli d’acqua

Per passare ai grammi calcoliamo le masse molari:

 H₂ = 2 g/mol,

O₂ = 32 g/mol,

H₂O = 18 g/mol

Le quantità stechiometriche sono:

2 moli di H₂ = 2 mol x 2 g/mol = 4 g

1 mole di O₂ = 1 mol x 32 g/mol = 32 g

2 moli di H₂O = 2 x 18 g/mol = 36 g

dunque potremo far reagire 4 g di idrogeno con 32 di ossigeno per ottenere 36 g di acqua. E potremo scegliere quantità diverse, purché proporzionali a queste.

Quando in una reazione le quantità dei reagenti non rispettano il rapporto stechiometrico, si è in presenza:

-          di un reagente limitante se in quantità inferiore a quella stechiometrica;

-          di un reagente in eccesso se in quantità superiore rispetto alla quantità stechiometrica.

La quantità di prodotto che si forma dipende dalla quantità di reagente limitante. La quantità di reagente in eccesso si ritrova inalterata al termine della reazione.

Nomenclatura dei composti ternari

Nomenclatura degli idrossidi

Gli idrossidi sono composti ternari; contengono un metallo (catione) e tanti gruppi ossidrile OH ^– (anione) quante sono le cariche positive del metallo. Quando tali gruppi sono più di uno vengono indicati tra parentesi

Es.       NaOH idrossido di sodio contiene Na ⁺ e OH ^-

            Mg(OH)₂ idrossido di magnesio contiene Mg ²⁺ e due gruppi OH ^-

Gli idrossidi si ottengono facendo reagire un ossido metallico con l’acqua

Na₂O + H₂O  = 2 NaOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Al₂O₃ + 3 H₂O = 2 Al(OH)₃

La nomenclatura segue le stesse regole indicate per gli ossidi.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
LiOH	Idrossido di litio	Idrossido di litio
Ca(OH)2	Biidrossido di calcio	Idrossido di calcio
Fe(OH)2	Biidrossido di ferro	Idrossido ferroso
Fe(OH)3	Triidrossido di ferro	Idrossido ferrico

L'idratazione dell'ossido di calcio è uno dei passaggi fondamentali per la preparazione della calce aerea, materiale legante in edilizia.

Nomenclatura degli acidi ternari o ossiacidi

Gli ossiacidi contengono nell’ordine  H, un non metallo e O.

Si ottengono facendo reagire un ossido non metallico o anidride con l’acqua

SO₂ + H₂O = H₂SO₃

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

La nomenclatura IUPAC utilizza il nome acido seguito dal prefisso osso e il nome dell’elemento terminante in ico indipendentemente dal numero di ossidazione che viene indicato tra parentesi in numero romano. Secondo la nomenclatura tradizionale si utilizza la parola acido seguita dal nome del non metallo, con il suffisso oso o ico secondo il numero di ossidazione del non metallo. Quindi si ottiene lo stesso nome dell’anidride con la sola sostituzione della parola anidride con acido.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
HNO2	Acido diossonitrico (III)	Acido nitroso
HNO3	Acido triossonitrico (V)	Acido nitrico
H2SO3	Acido triossosolforico (IV)	Acido solforoso
H2SO4	Acido tetraossosolforico (VI)	Acido solforico

Le piogge acide 

La pioggia è per sua natura leggermente acida poiché normalmente reagisce con il biossido di carbonio  dell'aria formando acido carbonico. Da alcuni anni, però, si registrano in tutto il mondo, e con sempre maggiore frequenza, precipitazioni con valori di acidità molto più elevata. Il fenomeno è dovuto alla presenza, nell'atmosfera, di ossidi di zolfo e di azoto le cui principali fonti sono le emissioni delle centrali termoelettriche e dei motori a combustione interna. I gas, combinandosi con il vapore acqueo generano acido solforico e acido nitrico che cadono con la pioggia, la neve o la nebbia. Queste molecole, prima di precipitare, possono essere trascinate dai venti anche a grandi distanze dal sito in cui si sono formate. Le piogge acide corrodono edifici e monumenti, inoltre danneggiano irreparabilmente le foreste e le coltivazioni dilavando dal suolo preziosi sali come calcio e magnesio, avvelenano le acque dei laghi e dei fiumi con gravi conseguenze sulla fauna.

Nomenclatura dei sali ternari

 I sali ternari contengono nell’ordine un metallo, un non metallo e O. Si possono considerare derivati dagli acidi ternari per sostituzione dell’H con un metallo.

La nomenclatura IUPAC segue le stesse regole indicate per gli acidi ternari. La nomenclatura tradizionale utilizza il nome dell’acido sostituendo il suffisso ito se l’acido termina in oso, e il suffisso ato se l’acido termina in ico.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
KNO2	Diossonitrato (III) di potassio (I)	Nitrito di potassio
NaNO3	Triossonitrato (V) di sodio (I)	Nitrato di sodio
Li2SO3	Triossosolfato (IV) di litio (I)	Solfito di litio
CaSO4	Tetraossosolfato (VI) di calcio (II)	Solfato di calcio
CaCO3	Triossocarbonato (IV) di calcio(II)	Carbonato di calcio

Tra i sali ternari rivestono particolare importanza in edilizia il carbonato di calcio che è il composto di partenza per la preparazione della calce aerea e del cemento e il solfato di calcio alla base della composizione del gesso (materiali leganti).