Chimica - Scuola e cultura

La chimica è la scienza che studia la composizione della materia e il suo comportamento in base a tale composizione. Essa viene divisa in moltissime discipline; per esempio, l’astrochimica studia la chimica dei corpi presenti nello spazio, la stereochimica studia le proprietà spaziali delle molecole ecc.

Le principali branche sono:

chimica fisica (generale)
chimica inorganica
chimica organica.

La chimica fisica è la branca che studia le leggi fisiche che sottostanno ai processi chimici (le trasformazioni chimiche ed energetiche della materia, con riferimento alle strutture di quest’ultima allo stato atomico e molecolare); essa quindi ha forti legami con la fisica, soprattutto per ciò che concerne la descrizione della materia. La definizione delle unità di misura, la struttura della materia, la termodinamica, la chimico-fisica nucleare ecc. sono comuni sia alla fisica che alla chimica.

La chimica inorganica è quella branca della chimica che studia gli elementi (raggruppati opportunamente nella tavola degli elementi), la sintesi e la caratterizzazione dei composti inorganici, un termine, quest’ultimo, che oggi indica soltanto che non appartengono alla chimica del carbonio.

Gli atomi di carbonio sono in grado di legarsi in un numero enorme (alcuni milioni) di molecole (composti organici, il 98% di tutte le sostanze a oggi note); tale comportamento giustifica un’opportuna branca della chimica, quella del carbonio o chimica organica. La chimica organica studia i composti del carbonio a eccezione di carbonati, monossido di carbonio, anidride carbonica e cianuri metallici; secondo alcuni una definizione più appropriata sarebbe quella di disciplina che studia i composti contenenti legami carbonio-carbonio, anche se si deve rilevare che il metano ha una molecola con un solo atomo di carbonio.

La versatilità del carbonio deriva da alcune proprietà fondamentali:

la tetravalenza dell’atomo di carbonio;
le piccole dimensioni;
la sua non elevata elettronegatività. I primi tre punti permettono la formazione di fino a quattro legami covalenti a geometria spaziale tetraedrica;
la possibilità di formare, con altri atomi di carbonio, catene, di lunghezza molto variabile, a struttura lineare, ramificata o ad anello;
la capacità di formare un enorme numero di isomeri (molecole costituite dagli stessi atomi, quindi con la stessa formula bruta, ma disposti in modo differente, quindi con differenti caratteristiche chimiche).

Originariamente si pensava che i composti organici potessero essere sintetizzati da organismi viventi (da qui il termine organica), ma all’inizio del XIX sec. Wöhler sintetizzò l’urea (componente dell’urina, quindi organica) riscaldando un sale inorganico, il cianato d’ammonio.

Dato il gran numero di sostanza organiche si è abbandonata la vecchia nomenclatura basata sull’origine o sulla proprietà (per esempio l’acido citrico era così detto perché presente nel frutto del cedro) e si sono fissate precise regole internazionali.

Legata alla biologia è la biochimica che studia la chimica della vita, cioè studia le reazioni chimiche complesse che danno origine alla vita; si occupa della struttura e delle trasformazioni dei componenti delle cellule (proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici ecc.), dell’azione catalizzatrice degli enzimi, in generale del metabolismo cellulare. Altri filoni importanti della biochimica sono lo studio del codice genetico, la sintesi proteica e il meccanismo di trasporto della membrana cellulare.

Prettamente applicativa è la chimica analitica che studia il riconoscimento (analisi qualitativa) e la quantificazione (analisi quantitativa) delle sostanze. In passato, l’analisi qualitativa era condotta con l’uso di particolari reagenti, oggi si usano praticamente metodi automatici basati sulla spettroscopia. L’analisi quantitativa è ancora oggi pesantemente demandata all’operatore, seppure aiutato da tecniche strumentali. La chimica analitica si occupa anche della corretta elaborazione statistica dei risultati, nonché della qualità e affidabilità di essi.

La materia

Elementi, composti e miscugli

Si definisce sistema una quantità di materia oggetto di studio; ciò che circonda il sistema è detto ambiente. Se il sistema presenta confini definiti e in ogni punto ha le stesse caratteristiche chimico-fisiche esso è detto omogeneo (altrimenti è detto eterogeneo) e la quantità di materia è detta fase.

Una trasformazione fisica è il mutamento determinato dalla variazione dei parametri caratterizzanti le condizioni di un sistema materiale, senza che venga mutata la sua natura chimica. Una trasformazione si dice aperta quando stato iniziale e stato finale di un sistema sono diversi; si dice chiusa quando i due stati, iniziale e finale, sono uguali. La trasformazione è reversibile quando, senza apportare mutazioni all’ambiente circostante, si può ricondurre il sistema alla sua condizione iniziale. La reversibilità è solo teorica in quanto in natura tutte le trasformazioni sono irreversibili.

Le trasformazioni chimiche, o reazioni chimiche, sono quelle per cui un materiale è trasformato in un nuovo tipo di materiale, con proprietà chimiche diverse. Le trasformazioni chimiche sono generalmente irreversibili, vale a dire che nella maggior parte dei casi lo stato iniziale del sistema è irrecuperabile.

Se consideriamo un determinato materiale potremmo scoprire che:

è formato da una sostanza con specifiche proprietà uguali in ogni punto; se tale sostanza non può essere decomposta per mezzo di processi chimici in sostanze più semplici è detta elemento, altrimenti è detta composto;
è formato da due o più sostanze e si definisce miscuglio; il miscuglio è omeogeno se in ogni punto i componenti non sono più distinguibili, neppure al microscopio.Altrimenti è detto eterogeneo.

Gli elementi sono formati da atomi di un solo tipo, atomi che hanno lo stesso numero di protoni e differente numero di neutroni.

I composti sono formati da due o più elementi chimicamente differenti combinati secondo determinati rapporti fissi, identici in qualunque porzione di materia considerata (i composti, per mezzo di processi chimici, possono essere separati negli elementi costituenti).

I miscugli omogenei sono anche detti soluzioni. In una soluzione il componente presente in quantità preponderante è detto solvente, mentre l’altro è detto soluto.

L’atomo

Il termine atomo è di origine greca (deriva dal termine àtomos, indivisibile) e fu definito così in quanto alcuni filosofi greci, per la precisione gli atomisti Democrito, Epicuro e Leucippo, lo consideravano l’unità più piccola e indivisibile della materia. La definizione è rimasta invariata, anche se, come vedremo, esso è un’entità divisibile.La moderna teoria atomica si fa risalire al principio del XIX sec. a Dalton, dopo che numerose osservazioni avevano stabilito che le reazioni chimiche si svolgono secondo determinate leggi (nella formulazione moderna all’originario termine di “peso” si è sostituito quello di “massa”).
La massa atomica
La mole
L’atomo (La struttura – L’orbitale)
Configurazione elettronica – Elettronegatività – Ioni
La tavola periodica
Metalli, non-metalli e semimetalli
Il legame chimico

Chimica inorganica

I composti chimici si suddividono classicamente in inorganici e organici (legati alla chimica del carbonio e oggetto di studio della chimica organica).

I composti inorganici hanno una nomenclatura tradizionalmente imprecisa; solo negli anni ’70 del XX sec. il sistema IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ha introdotto un sistema di classificazione razionale, basato sulla distinzione dei composti inorganici in binari (formati da due elementi) e ternari (formati da tre elementi) in modo da risalire alla formula del composto dal nome e viceversa.

I vari composti si formano a partire dalle caratteristiche metalliche o non metalliche degli elementi e dall’interazione soprattutto con l’acqua e con l’ossigeno, molto diffusi in natura.

Per definire la nomenclatura si usano sia la valenza sia il numero di ossidazione (n.o.) che rappresenta la carica formale che si può attribuire a un elemento in un composto, supponendo che tutti i legami siano di tipo ionico, in modo da assegnare gli elettroni di legame all’atomo più elettronegativo. Nel caso degli ioni, il numero di ossidazione corrisponde alla carica ionica. Contrariamente alla valenza, può assumere valori positivi, negativi o nulli.

Purtroppo, la situazione è complicata dal fatto che uno stesso elemento può assumere più numeri di ossidazione; per esempio, lo ione Fe²⁺ è detto ione ferroso, mentre quello Fe³⁺è detto ione ferrico.

Termodinamica

La termodinamica studia gli scambi di energia tra il sistema e l’ambiente per individuare le condizioni di equilibrio del sistema oppure quelle in cui tende a evolvere spontaneamente.

In equilibrio, il sistema termodinamico ha caratteristiche macroscopiche (temperatura pressione, volume, concentrazione) costanti nel tempo.

Un sistema è detto:

chiuso, se può scambiare con l’ambiente solo energia;
aperto, se può scambiare con l’ambiente energia e materia;
isolato, se non può scambiare con l’ambiente né materia né energia.

L’energia interna (U) di un sistema termodinamico è data dalla somma di tutte le energie, cinetica e potenziale, delle particelle che lo compongono.

Lo stato di un sistema è definito dal valore delle grandezze che lo caratterizzano; se il valore delle grandezze è indipendente dal modo in cui il sistema è stato ottenuto, ma dipendono solo dalla condizione in cui è il sistema, esse vengono dette funzioni di stato. Per esempio, sono funzioni di stato la temperatura o la pressione.

Le grandezze che non sono indipendenti dal modo in cui il sistema è stato ottenuto si dicono funzioni di percorso, per esempio il calore o il lavoro.

Gli stati della materia

Lo stato gassoso è uno dei quattro stati fondamentali della materia (gli altri sono solido, liquido e plasma. Il termine gas fu coniato da van Helmont (deriva dal greco chaos) per indicare una sostanza le cui molecole hanno un’energia di reciproca attrazione trascurabile rispetto all’energia cinetica. In funzione di ciò, un gas è una sostanza aeriforme che non ha volume proprio e tende a riempire tutto lo spazio nel quale è contenuto, poiché le forze di coesione fra le sue molecole sono minime. Un gas, a differenza di un vapore, non è liquefacibile per sola compressione, essendo al di sopra della propria temperatura critica, cioè della temperatura alla quale può diventare liquido: occorre perciò anche un forte raffreddamento.

Tutti i gas, indipendentemente dalla loro natura chimica, possiedono proprietà fisiche simili; le caratteristiche fondamentali di un gas sono la temperatura, il volume e la pressione: questi parametri sono legati tra loro dall’equazione di stato del gas e cioè dalla legge che descrive il comportamento del gas al variare delle condizioni fisiche imposte. La temperatura e la pressione sono i parametri che a livello statistico descrivono lo stato di moto (agitazione termica) delle singole molecole componenti: la pressione esercitata da un gas sulle pareti del contenitore è la risultante degli urti delle molecole sulla parete.

Lo stato liquido è quello stato di aggregazione della materia che costituisce una delle due forme dello stato fluido (insieme allo stato gassoso). La materia in questo stato ha un volume determinato ed è quasi incomprimibile, ma le forze di coesione tra le molecole, pur essendo più forti di quelle che legano le particelle in un gas, non impediscono loro di muoversi. Il liquido può diventare solido attraverso lo stato di solidificazione o aeriforme attraverso lo stato di evaporazione.

Lo stato solido è lo stato di aggregazione della materia nel quale la forza di coesione fra le molecole è superiore a quella che si manifesta nello stato liquido o gassoso (cioè l’energia cinetica delle molecole è piccola). Si può pensare alla posizione di ogni molecola come mediamente fissa all’interno del corpo; grazie a questa configurazione, un corpo solido ha forma e volume invariabili per sollecitazioni non troppo intense.

In genere, i solidi si presentano come cristalli con struttura tridimensionale periodica, formati da celle disposte a intervalli regolari nelle tre dimensioni dello spazio. I solidi che non presentano forma cristallina si dicono amorfi.

La mineralogia

La mineralogia è la scienza che studia la composizione chimica, la struttura cristallina e le caratteristiche fisiche (per esempio durezza, magnetismo e proprietà ottiche) dei minerali, nonché la loro genesi, la loro trasformazione e il loro impiego da parte dell’uomo.

A volte considerata una sezione della geologia, in realtà fa parte delle scienze della Terra con astronomia, geofisica, paleontologia ecc.

Da un punto di vista culturale, molti concetti della mineralogia sono comuni alla chimica generale e inorganica che usualmente studia i minerali associandoli alle loro caratteristiche di solidi (cristalli) o agli elementi di cui sono costituiti (chimica inorganica). Per cui le basi della mineralogia vengono trattate in questa sede.

In mineralogia vengono studiate le proprietà fisiche e chimiche dei minerali e ne viene data una classificazione. Alcune caratteristiche sono descrittive come lo studio dei concrescimenti (associazioni di cristalli della stessa specie o differenti) o delle geminazioni (associazione non parallela di due o più minerali della stessa specie), delle striature, della lucentezza, del colore, della sfaldatura e della modalità di fratturazione; altre sono tipicamente quantitative come il peso specifico, il magnetismo, la radioattività.

Soluzioni chimiche

Gli elementi chimici

Un elemento chimico è un atomo con un determinato numero di protoni (numero atomico Z). Se nel nucleo dell’atomo cambia il numero di neutroni, avremo una differente massa atomica e differenti istopi dellos tesso elemento. A differenza dei composti chimici, gli elementi chimici non possono essere scomposti in sostanze più semplici da nessuna reazione chimica.

Fino al 2022 sono stati scoperti 118 elementi chimici; essi sono ordinati per numero atomico crescente nella tavola periodica degli elementi.

Descriveremo gli elementi chimici culturalmente rilevanti, trattandoli in ordine di numero atomico crescente. Pochi elementi chimici erano chiaramente noti fin dall’antichità, molti di essi furono scoperti fra la metà del XVIII sec. e la metà del XIX sec.; in tale periodo vennero anche riconosciuti come elementi, quelli che, come lo zolfo, erano già usati da secoli.

Gli elementi più importanti vengono descritti singolarmente (vedasi il menu generale di Chimica). Qui di seguito elenchiamo gli elementi che non sono stati trattati (fra parentesi il numero atomico) perché di scarsa utilità culturale: scandio (21), kripton (36), rubidio (37). ittrio (39), niobio (41), tecnezio (43), rutenio (44), tellurio (52), lantanidi (più modernamente lantanoidi, elementi con numero atomico dal 57 al 71; lantanio, cerio, praseodimio, neodimio, promezio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, olmio, erbio, tulio, itterbio, lutezio. L’unico importante culturalmente è il gadolinio), afnio (72), tantalio (73), renio (75), astato (85), francio (87), attinio (89), torio (90), protoattinio (91). 17 di questi elementi costituiscono le terre rare.

Chimica organica

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