1. Università di Napoli Federico II
CHIMICA
Prof. A. Costantini
Prof. G. Luciani

2. Corso di Chimica
Materiale DidatticoMateriale Didattico
 Testi:
- Martin S. Silberberg, Chimica, McGraw-Hill
- Oxtoby, Gillis, Campion, Chimica Moderna Edises
- M. Giomini, E. Balestrieri, M. Giustini,
Fondamenti di Stechiometria, Edises
- A. Buri, D. Caferra, A. Marotta, Chimica Problemi Numerici,
Liguori Editore
Sul Sito Docente: www.docenti.unina.it/a.costantini
www.docenti.unina.it/g.luciani
 Dispense del Corso
 Esercizi di Ricapitolazione

3. L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioni
Corso di Chimica
Accuratezza: 3 m
Armi
intelligenti
Tessuti intelligenti

4. Corso di Chimica
Tessuti IntelligentiTessuti Intelligenti
Tessuti Antiproiettile
Capaci di rilevare l’avvicinamento di un
proiettile e indurire per impedirne la
penetrazione
Tessuti Cosmetici la nostra pelle viene lentamente
rinfrescata e rivitalizzata
Tessuti Sensibili
all’Ambiente
In grado di regolare la
temperatura Corporea

5. L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioni
Corso di Chimica
Determinazione
delle proprietà
MATERIALI
Disponibili in natura Utilizzo
Selezione
Trasformazion
i
Modifica
delle
proprietà

6. L’uomo la materia e le trasformazioniL’uomo la materia e le trasformazioni
Corso di Chimica
Le prime trasformazioni consistevano in: cambio di forma
e/o assemblaggio di componenti
Gli oggetti conservano la loro costituzione (composizione)
Solo successivamente le trasformazioni hanno portato
all’ottenimento di nuovi materiali :
-Metalli e leghe metalliche
- Materiali plastici (Polimeri sintetici)
- Materiali Compositi
- Materiali Ibridi

7. Corso di Chimica
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia
NanoDynamics Inc., Buffalo (NY)
Palle da golf progettate per evitare
spostamenti di peso durante la
rotazione
Il costo è confrontabile con quello
delle palline ordinarie.
Pirelli Winter Sottozero
Migliore resistenza e stabilità
Materiali con prestazioni migliorate
Le palle da tennis “double
core” rimangono gonfie
più a lungo
Racchette da
tennis più
resistenti e +
leggere

8. Corso di Chimica
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia

9. Corso di Chimica
Tessuti senza pieghe, senza
macchie, impermeabili,
traspiranti
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia

10. Corso di Chimica
I Successi e le sfide della TecnologiaI Successi e le sfide della Tecnologia
Materiali Intelligenti
Sono chiari, e scuriscono quando la luce
solare raggiunge una certa intensità
evitando problemi di abbagliamento
Materiali in grado di rispondere a stimoli differenti ed
adattare la sua risposta all’esigenza.
Vetri Fotocromici
Imballaggi Attivi
Lo spot cambia colore in
relazione alla
generazione di aromi
della maturazione

11. Corso di Chimica
Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia
1m2
di superficie terrestre esposta riceve mediamente 6
KW-h di energia solare al giorno.
Se riuscissimo ad accumulare in modo efficiente l’energia
solare basterebbe una superficie di SOLI 5 m2
per
soddisfare il fabbisogno giornaliero di una famiglia.
Applicazioni Fotovoltaiche

12. Corso di Chimica
Accumulo eAccumulo e Conservazione di EnergiaConservazione di Energia
Celle Fotovoltaiche : I RequisitiCelle Fotovoltaiche : I Requisiti
• Efficienza
• Costo Contenuto
• Ridotto impatto ambientale
Le celle foto-voltaiche attualmente prodotte sono costose, mentre
il loro rendimento è basso.
Le celle di silicio cristallino hanno un rendimento di circa il 15%:
trasformano in elettricità solo un sesto dell'energia dei raggi
solari.
Il costo per installare 1 kiloWatt di potenza elettrica fotovoltaica è
di circa 8.000 €. Quello per installare 1 kW idroelettrico o
termoelettrico è poco più di 1.000 €.

13. Corso di Chimica
Celle FotovoltaicheCelle Fotovoltaiche
Celle solari: in materiale flessibile
Celle solari parzialmente trasparenti, come parti integranti di
realizzazioni architettoniche.
Pannelli adesivi fotovoltaici per la copertura di superfici;
Coperture plastiche fotovoltaiche per la realizzazione di serre e
ambienti autonomi energeticamente;
Realizzazione di vernici fotovoltaiche per la copertura di
superfici mobili;

14. Corso di Chimica
Prototipi di illuminazione diffusaPrototipi di illuminazione diffusa
Gli stessi dispositivi fotovoltaici possono essere utilizzati per
l’illuminazione: luce diffusa su ampie superfici grazie a film sottili
polimerici regolabili in colore e intensità con pile autoricaricabili
Il nuovo schermo TV della
Sony fatto con OLED

15. Corso di Chimica
InformaticaInformatica
Peso: ca. 30 t
N. elementi: 19000 tubes
Consumo: 200 kW
ENIAC: il I computer (1944)
Peso: ca. 5 kg
N. elementi: 55 millions di
transistor (pentium 4)
Consumo: ca. 100 W
Dimensione degli elementi
(min): ca. 100 nm
Computer moderni (2004)
Miniaturizzazione

16. Corso di Chimica
Informatica: Il FuturoInformatica: Il Futuro
Ci si appresta a lanciare entro il 2015
un nano-processore per PC (con
grandezza pari a 22 nanometri contro i
44/65 nanometri attuali). Queste
dimensioni consentiranno di contenere
oltre 400 milioni di transistor in un
chip capace di girare ad una frequenza
di 10 gigahertz.
Impariamo dalla NaturaImpariamo dalla Natura
Il computer biologico: DNA
In grado di conservare ed elaborare
molte informazioni complesse in soli
20 nm !

17. Corso di Chimica
MedicinaMedicina
Utilizzando le note proprietà
antibatteriche dell’argento,
sono in commercio garze
contenenti argento per
curare le ferite provocate da
ustioni in modo migliore
rispetto ai cerotti
tradizionali.
Protesi e dispositivi artificiali in grado di
migliorare o sostituire funzionalità ai tessuti
viventi
Il presente

18. Corso di Chimica
Medicina: Il futuroMedicina: Il futuro
Farmaci Intelligenti
I nanorobot potranno rallentare il
processo di invecchiamento ed
essere programmati per eseguire
delicati interventi chirurgici –
migliaia di volte più precisi del più
affilato bisturi - senza lasciare
cicatrici.
Proiettili intelligenti in grado
di:
Riconoscere le cellule
malate
Evidenziarle
Eliminarle
Nanorobot

19. Corso di Chimica
Medicina: Il futuroMedicina: Il futuro
Globuli Rossi Artificiali
Materiali intelligenti in grado di sfruttare la capacità rigenerativa
dei tessuti, promuovendo proliferazione e differenziazione
cellulare

20. L’uomo, la materia e le trasformazioniL’uomo, la materia e le trasformazioni
Corso di Chimica
L’esigenza: Utilizzare la materia, sottoponendola a
trasformazioni, per migliorare la qualità della vita
Progettazione
Empirica: Ottenimento del materiale
per l’applicazione richiesta senza
comprensione e controllo delle proprietà
Ingegnerizzazione: Si basa sulla
comprensione e il controllo delle
proprietà ai fini di ottimizzarle per
l’applicazione richiesta.
Comprensione
delle proprietà
Individuazione dei fattori
che le determinano

21. Corso di Chimica
Focalizziamo il Problema:Focalizziamo il Problema:
Da cosa dipendono le proprietà e le trasformazioni
della materia ?
Composizione: indica ciò di cui è fatto il campione
di materia (entità costitutive)
Struttura: organizzazione delle entità costitutive
nello spazio tridimensionale
Grafite Diamante
Diamante Rame

22. Corso di Chimica
Proprietà e StrutturaProprietà e Struttura

23. Corso di Chimica
Comprensione e Controllo delleComprensione e Controllo delle
ProprietàProprietà
Proprietà e Trasformazioni della Materia
Composizione e Struttura

24. Corso di Chimica
Chimica: definizioneChimica: definizione
 Disciplina scientifico-sperimentale che studia
la composizione, la struttura, le proprietà e
le trasformazioni della materia.

25. Corso di Chimica
La materiaLa materia
 La materia è tutto ciò che si trova nell'universo ed è
dotato di massa propria e occupa spazio.
Stati di aggregazione della materia
Forme in cui la materia può presentarsi: Solido, liquido, gassoso.
Stato di
aggreazione
Volume Forma Compressibilità
Solido Ha volume proprio Ha forma propria Incompressibile
Liquido Ha volume proprio Non ha forma
propria, ma assume
quella del recipiente
che lo contiene
Incompressibile
Gas Non ha volume proprio.
Si conforma al volume
del recipiente che lo
contiene
Non ha forma
propria, ma assume
quella del recipiente
che lo contiene
Compressibile

26. Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia
 Proprietà fisiche: Caratteristiche che possono essere
osservate o misurate senza alterare l’identità chimica
(composizione) del materiale
EsempiEsempi
Densità
Punto di fusione
Compressibilità
Colore
Odore
Durezza

27. Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia
 Proprietà chimiche: Caratteristiche che possono essere
osservate o misurate SOLO alterando l’identità chimica
(composizione) del materiale
Il carbonato di calcio, contenuto in un pezzo
intonaco, reagisce con una soluzione acquosa di
acido cloridrico formando delle bollicine di
anidride carbonica.
CaCO3 + 2HCl CaCl2+CO2+H2O
EsempiEsempi
L’idrogeno può reagire con l’ossigeno (brucia) producendo acqua.
Trasformazione (Reazione) Chimica
2 H2 + O2 2 H2O

28. Corso di Chimica
(a) La brina che si forma sulle piante nelle notti fredde e
umide
(b) Una pianta che nasce e si sviluppa da un seme
innaffiato e fertilizzato
(c) L’esplosione della dinamite che si trasforma in una
miscela gassosa
(d) L’evaporazione del sudore dopo aver fatto jogging
(e) L’annerimento di una forchetta all’aria
FENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICIFENOMENI FISICI vs FENOMENI CHIMICI
PROBLEMA: Decidete se i processi seguenti sono chimici o fisici

29. Corso di Chimica
Proprietà della materiaProprietà della materia
– Proprietà estensive: dipendono dalla
quantità di materia del campione
(es. volume, lunghezza ).
– Proprietà intensive: non dipendono
dalla quantità di materia del campione
(es. temperatura, densità ).

30. Corso di Chimica
Osservazione del fenomeno
Raccolta di dati sperimentali
Formulazione della legge
Sperimentazione
L’ipotesi e’ verificata?
Si
No
Realizzazione di altri esperimenti
Formulazione di una teoria
Formulazione di ipotesi
Il Metodo ScientificoIl Metodo Scientifico

31. Corso di Chimica
Definizione di modello in campo
scientifico
 Per modello si intende la rappresentazione
semplificata e pertanto idealizzata del fenomeno
 Si fonda su una serie di ipotesi o postulati che
identificano le caratteristiche salienti del fenomeno
e pertanto ne consentono la spiegazione
 Il modello formulato non deve essere considerato
una riproduzione in miniatura di una realtà
macroscopica ( es. un modellino di nave ), bensì
uno strumento concettuale di cui ci si serve per
interpretare il comportamento delle cose.

32. Corso di Chimica
La Teoria AtomicaLa Teoria Atomica
John Dalton (1766-1844) formulò la teoria atomica
sulla base delle seguenti osservazioni sperimentali
(leggi):
• Legge di conservazione della massa
• Legge delle proporzioni definite

33. Corso di Chimica
Le leggi fondamentaliLe leggi fondamentali
In un sistema chiuso, durante una qualsiasi
trasformazione la massa si conserva
Legge delle Proporzioni definite (Proust)Legge delle Proporzioni definite (Proust)
La % in peso degli elementi in un composto è definita e
costante e non dipende dall’origine del composto.
Es. Acqua
Massa
Compost
o
Massa
Ossigen
o
Massa
Idrogen
o
%
massa
Ossigen
o
%
massa
Idrogen
o
18.0 g 16.0 g 2.0 g 88.9 11.1
Legge di conservazione della MassaLegge di conservazione della Massa

34. Corso di Chimica
La Teoria Atomica di DaltonLa Teoria Atomica di Dalton
Dalton fu il primo a proporre una teoria atomica,
basata sui seguenti postulati:
1) La materia è costituita da particelle elementari,
indivisibili, chiamate atomi.
2) Gli atomi della stessa specie chimica sono tutti
uguali tra di loro.
3) Gli atomi sono indivisibili e indistruttibili. In una
trasformazione chimica essi si combinano tra di
loro secondo un rapporto ben definito e costante,
espresso da numeri interi

35. Corso di Chimica
L’Atomo: Entità MicroscopicaL’Atomo: Entità Microscopica
 Gli atomi sono stati assimilati a particelle
sferiche a partire dalla Teoria Atomica (Modello)
 Soltanto due secoli dopo, grazie al progresso
tecnologico è stato possibile confermare tale
ipotesi.
Gli ordini di
grandezza:
Raggio ≅ 10-10
m = 1 Å
Massa ≅ 10-24
g
Le entità costitutive, sono formate da un numero
discreto di atomi, che in qualche caso può anche
essere pari a 1
ENTITA’ MICROSCOPICHE

36. Corso di Chimica
LivelloLivello
macroscopicomacroscopico
Proprietà e trasformazioni di oggetti
grandi e visibili
LivelloLivello
microscopicomicroscopico
Tipologia delle entità costitutive e loro organizzazione
(composizione e struttura), modifica dell’organizzazione
degli atomi costituenti (trasformazione chimica)
Simboli Chimici
+
relazioni
matematiche
Cristalli di quarzo (SiO2). La struttura si può rappresentare in funzione di unità tetraedriche SiO4
collegate tramite atomi di ossigeno
L’obiettivo dei ChimiciL’obiettivo dei Chimici

37. Corso di Chimica
Classificazione della Materia
Materia
Proprietà chimico-fisiche
uniformi?
OmogeneaEterogenea
NO SI
Sistema eterogeneo
Acqua + Ghiaccio

38. Corso di Chimica
Classificazione della materia
Fase: Ogni porzione percettibile di materia chimicamente e
fisicamente omogenea.
Sistema eterogeneoSistema eterogeneo Due o più fasi
Sistema OmogeneoSistema Omogeneo Una fase

39. Corso di Chimica
Classificazione dei Sistemi Omogenei
Sistema Omogeneo
Soluzione
Separabile con metodi fisici ?
SI NO
Separabile con metodi chimici ?
SI NO
Composto Elemento
Sostanza
Perché una sostanza non è separabile con metodi fisici?

40. Corso di Chimica
Miscele
 Sistemi di due o più sostanze pure che si ottengono tramite
un processo fisico (Mescolamento o Solubilizzazione)
 Possono essere separate nelle sostanze costituenti
attraverso metodi fisici
 Le sostanze componenti conservano la propria identità
chimica

41. Corso di Chimica
Metodi di separazione delle miscele
Sfruttano le diverse proprietà fisiche dei componenti.
 Sedimentazione
 Filtrazione (pressione atmosferica o sotto vuoto).
 Decantazione
Miscele EterogeneeMiscele Eterogenee
Miscele OmogeneeMiscele Omogenee
 Distillazione: Sfrutta la differenza di volatilità delle
sostanze che compongono la miscela

42. Corso di Chimica
Composti e Elementi
ElementiElementi
Sostanze pure costituite da un solo tipo di atomi
Esempi: Rame (Cu), idrogeno (H2), ossigeno (O2)
CompostiComposti
Sostanze pure ottenute tramite una trasformazione chimica di
due o più elementi chimici
Esempio: Acqua (H2O)
Gli elementi costituenti si
combinano sempre secondo un
rapporto definito e costante
(Legge delle proporzione
definite)
Profonda modifica delle proprietà
I composti hanno
composizione definita
Formula Punto Ebollizione
(°C)
Densità
(g/dm3
)
Proprietà
Chimiche
Idrogeno H2 -253 0.90 Infiammabile
Ossigeno O2 -183 1.14 Comburente
Acqua H2O 100 1000 Non infiammabile

43. Corso di Chimica
Atomi Elementi e Composti
NO
L’entità microscopica è
costituita da atomi
della stessa natura
chimica ?
SI
Composto Elemento
Trasformazione Chimica
Elemento
Trasformazione Chimica
SOSTANZ
A
In un composto gli atomi di elementi diversi non sono
fisicamente vicini, ma interagiscono profondamente
Sconvolgimento delle Proprietà

44. Corso di Chimica
Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole
 Atomo: La più piccola particella di un elemento che ne conservi
le proprietà chimiche.
 Elemento: sostanza costituita da un’unica specie di atomi

45. Corso di Chimica
L’Atomo
Le particelle subatomiche principali

46. Corso di Chimica
La Struttura dell’Atomo
Il Modello di Thomson
Il modello atomico di
Thomson (detto plum
pudding) fu uno dei primi a
giustificare la stabilità e la
neutralità dell’atomo, data
la presenza in egual
numero di particelle
positive e negative sparse
nell’atomo stesso.

47. Corso di Chimica
LA STRUTTURA DELL’ATOMOLA STRUTTURA DELL’ATOMO
Esperimento di Rutherford di diffusione delle
particelle α e scoperta del nucleo atomico

48. Corso di Chimica
La Confutazione di RutherfordLa Confutazione di Rutherford
Secondo il modello di
Thomson, le particelle
alfa avrebbero dovuto
attraversare indisturbate
la lamina d’oro e
raggiungere il rivelatore
(fig.1). Rutherford,
tuttavia, osservò che
una piccola parte dei
raggi veniva deviata o
addirittura totalmente
riflessa. (fig.2)
Fig. 1
Fig. 2

49. Corso di Chimica
Caratteristiche generali dell’atomoCaratteristiche generali dell’atomo

50. Corso di Chimica
Rappresentazione dell’atomoRappresentazione dell’atomo

51. Corso di Chimica
Numero Atomico e di MassaNumero Atomico e di Massa
 Numero atomico: Numero dei protoni contenuti nel nucleo
atomico: è il parametro che identifica un elemento. Si indica con la
lettera Z.
 Numero di massa: Numero totale dei nucleoni (protoni più
neutroni) presenti nel nucleo di un dato atomo: è il parametro che
identifica i vari isotopi di uno stesso elemento. Si indica con la
lettera A (oppure M).

52. Corso di Chimica
Le Dimensioni degli AtomiLe Dimensioni degli Atomi
 Un atomo ha un diametro di circa 10-10
m.
 Il nucleo ha un diametro di circa 10-14
m.
 Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli
oggetti si contrarrebbero di 104
volte conservando la stessa
massa.
 L’Everest diventerebbe una montagna alta 80 cm.

53. Corso di Chimica
IsotopiIsotopi
 Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono
un numero di neutroni differente. Gli isotopi di uno stesso
elemento hanno eguale numero atomico (Z) ma differente
numero di massa (A). Esempio: 12C, 13C e 14C sono tutti e
tre isotopi del carbonio.
 Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse proprietà
chimiche.

54. Corso di Chimica
Unità di Massa AtomicaUnità di Massa Atomica
Unità di Massa Atomica (UMA) =1/12 della massa dell’isotopo 12
C
1 UMA = 1.6605402x10-27 kg

55. Corso di Chimica
 Molecola: Specie poliatomica, isolabile sperimentalmente, che
costituisce la più piccola particella responsabile delle proprietà
chimiche delle sostanze molecolari.
 Ione: Atomo o specie poliatomica che possiedono una carica
elettrica. Si formano quando la specie chimica perde od acquista
elettroni rispetto a quelli che bilanciano la carica nucleare.
Atomi, elementi e molecoleAtomi, elementi e molecole

56. Corso di Chimica
Sistema SISistema SI
• Lunghezza: Metro – Simbolo: m.
• Massa: Chilogrammo – Simbolo: kg
• Tempo: secondo – Simbolo: s
• Corrente Elettrica: Ampere – Simbolo: A
• Temperatura: Kelvin – Simbolo: K
• Quantità di materia: mole – Simbolo: mol
• Intensità Luminosa: candela – Simbolo:cd

57. Corso di Chimica
Multipli delle Unità SIMultipli delle Unità SI
Prefisso Moltiplicator
e
Simbolo
Yotta 1024
Y
Zetta 1021
Z
Exa 1018
E
Peta 1015
P
Tera 1012
T
Giga 109
G
Mega 106
M
Kilo 103
K
2

58. Corso di Chimica
Multipli delle Unità SIMultipli delle Unità SI
Prefisso Moltiplicator
e
Simbolo
Yocto 10-24
y
Zepto 10-21
z
Atto 10-18
a
Femto 10-15
f
Pico 10-12
p
Nano 10-9
n
Micro 10-6
µ
Milli 10-3
M
-2