Il linguaggio della chimica

Flashcards di ripasso per l'esame sul capitolo 'Il linguaggio della chimica', riguardanti la classificazione della materia, i metodi di separazione, le formule chimiche, le leggi ponderali, la struttura atomica, il concetto di mole e i fondamenti di chimica nucleare.

Di che cosa si occupa la chimica e quali aspetti della materia studia principalmente?

La chimica studia la struttura e la composizione della materia, le trasformazioni che la materia subisce e l'energia coinvolta in queste trasformazioni.

Qual è la definizione di sostanza pura?

Una porzione di materia formata da un solo tipo di unità fondamentale (atomi, ioni o molecole) che possiede una composizione uniforme e ben definita.

Qual è la differenza fondamentale tra una sostanza semplice (elementare) e una sostanza composta (composto)?

Una sostanza semplice è formata da atomi di un unico elemento (come per esempio $Fe$ o $O_2$), mentre una sostanza composta è formata da atomi di due o più elementi diversi (come $NaCl$ o $H_2O$).

Quali sono gli unici elementi chimici che si trovano in natura sotto forma di atomi singoli isolati?

I gas nobili.

Come sono definiti rispettivamente un atomo, una molecola e uno ione?

L'atomo è la più piccola particella che mantiene l'identità chimica di un elemento; la molecola è un aggregato stabile ed elettricamente neutro di atomi uniti da legami covalenti; lo ione è un atomo o gruppo di atomi con carica elettrica netta (catione se positivo, anione se negativo).

È corretto affermare che l'atomo è la più piccola parte di un composto che ne conserva le proprietà chimiche?

No, perché un composto deriva dalla combinazione di più elementi e possiede proprietà chimico-fisiche completamente differenti rispetto a quelle dei singoli elementi costituenti.

Come viene definita una fase in chimica e come si classificano le miscele in base al numero di fasi?

Una fase è una porzione di materia le cui proprietà chimiche e fisiche sono costanti in ogni punto. Le miscele con una sola fase sono dette omogenee (o soluzioni); quelle con due o più fasi sono dette eterogenee.

Dal punto di vista chimico, come vengono classificati latte, zucchero, acqua minerale e sale da cucina?

Il latte è una miscela eterogenea (emulsione), lo zucchero (saccarosio) è una sostanza pura, l'acqua minerale è una miscela omogenea (soluzione) e il sale da cucina ($NaCl$) è una sostanza pura.

Qual è il principio di funzionamento del metodo di separazione per filtrazione?

Sfrutta le diverse dimensioni delle particelle facendo passare la miscela attraverso un filtro a maglie idonee, separando componenti di una miscela eterogenea (tipicamente un solido sospeso da un liquido o polveri da un gas).

Quale proprietà fisica sfrutta la distillazione e quale differenza sussiste tra distillazione semplice e frazionata?

Sfrutta la diversa temperatura di ebollizione dei componenti; la distillazione semplice si effettua in un solo stadio di evaporazione/condensazione (es. acqua distillata), mentre la distillazione frazionata prevede più stadi ripetuti (es. frazionamento del petrolio).

Come funziona la separazione mediante cromatografia?

I componenti si separano in base alla diversa velocità con cui migrano su una fase stazionaria (supporto fisso) trasportati da una fase mobile (eluente): la sostanza più affine alla fase stazionaria si muove più lentamente, quella più affine all'eluente più rapidamente.

Quali principi fisici governano la centrifugazione e l'estrazione con solventi?

La centrifugazione sfrutta la differente densità delle sostanze accelerandone la separazione tramite forza centrifuga; l'estrazione con solventi sfrutta la solubilità selettiva del soluto da separare in un determinato solvente.

Qual è la differenza tra formula minima e formula molecolare di un composto covalente?

La formula minima esprime il rapporto minimo di combinazione tra gli atomi degli elementi costituenti, mentre la formula molecolare specifica il numero reale ed effettivo di atomi di ciascun elemento presenti in una singola molecola.

Quali sono le formule minime di benzene ($C_6H_6$), glucosio ($C_6H_{12}O_6$) e saccarosio ($C_{12}H_{22}O_{11}$)?

La formula minima del benzene è $CH$, quella del glucosio è $CH_2O$, mentre quella del saccarosio rimane $C_{12}H_{22}O_{11}$ poiché i suoi indici non sono ulteriormente semplificabili.

Cosa afferma la legge di conservazione della massa (Lavoisier, $1789$)?

Nel corso di una reazione chimica, la massa totale del sistema rimane costante: se i reagenti reagiscono in rapporti stechiometrici, la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti.

Che cosa stabilisce la legge delle proporzioni definite (Proust, $1799$)?

In una sostanza pura, gli elementi che la costituiscono si combinano sempre secondo un rapporto di massa definito, fisso e costante.

Come viene formulata la legge delle proporzioni multiple (Dalton, $1803$)?

Quando due elementi si combinano per dare più di un composto, le diverse masse dell'uno che si legano con una quantità fissa dell'altro stanno tra loro in rapporti esprimibili con numeri interi piccoli.

Quali sono i postulati cardine della teoria atomica formulata da Dalton nel $1802$?

1) Gli elementi sono costituiti da atomi microscopici e indivisibili; 2) Gli atomi di uno stesso elemento sono identici e hanno le stesse proprietà, differendo da quelli di altri elementi; 3) Nelle reazioni chimiche gli atomi conservano la loro identità e si combinano in rapporti numerici interi e costanti per formare composti.

Quali particelle formano l'atomo e qual è il valore del rapporto fra il raggio atomico e il raggio nucleare?

L'atomo è formato da un nucleo centrale contenente protoni e neutroni (nucleoni) e da elettroni circostanti. Il raggio atomico misura circa $10^{-10}\,m$ ($1\,\text{Å}$) e il raggio nucleare $10^{-15}\,m$ ($10^{-5}\,Å$), per un rapporto pari a $10^5$.

A quanti coulomb ($C$) corrisponde la carica elementare $e$ e qual è il valore in chilogrammi dell'unità di massa atomica ($u$)?

$1\,e = 1{,}6 \times 10^{-19}\,C$ e $1\,u = 1{,}67 \times 10^{-27}\,kg$ (pari a $1{,}67 \times 10^{-24}\,g$).

Qual è il rapporto numerico tra la massa di un nucleone e la massa di un elettrone?

Il rapporto è pari a $1836$.

Che cosa indicano rispettivamente il numero atomico ($Z$) e il numero di massa ($A$)?

$Z$ (numero atomico) indica il numero di protoni nel nucleo; $A$ (numero di massa) indica il numero totale di nucleoni, ossia la somma dei protoni e dei neutroni.

Come sono definiti gli isotopi e quali nomi assumono i tre isotopi naturali dell'idrogeno?

Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con uguale numero atomico $Z$ ma diverso numero di massa $A$ (diverso numero di neutroni). Gli isotopi dell'idrogeno sono: prozio ($^1H$, 0 neutroni), deuterio ($^2H$, 1 neutrone) e trizio ($^3H$, 2 neutroni).

Da quanti protoni, neutroni ed elettroni sono costituiti rispettivamente lo ione alluminio $Al^{3+}$ ($Z=13$, $A=27$) e lo ione cloruro $Cl^{-}$ ($Z=17$, $A=35$)?

$Al^{3+}$ ha $13$ protoni, $14$ neutroni ($27 - 13$) e $10$ elettroni; $Cl^{-}$ possiede $17$ protoni, $18$ neutroni ($35 - 17$) e $18$ elettroni.

Come viene definita rigorosamente l'unità di massa atomica ($u$)?

Viene definita come la dodicesima parte ($\frac{1}{12}$) della massa di un atomo dell'isotopo 12 del carbonio ($^{12}C$), a cui è convenzionalmente assegnata una massa di $12\,u$.

Qual è la definizione di mole nel Sistema Internazionale e qual è il valore della costante di Avogadro ($N_A$)?

La mole è la quantità di sostanza che contiene un numero di unità elementari pari a quello presente in $12\,g$ di carbonio-12; la costante di Avogadro ($N_A$) vale $6{,}02 \times 10^{23}\,mol^{-1}$.

Cosa enuncia la legge di Avogadro per i gas e quanto vale il volume molare in condizioni STP ($0\,^\circ\text{C}$, $1\,atm$)?

A parità di pressione e temperatura, volumi uguali di gas diversi ideali contengono lo stesso numero di particelle; a condizioni standard ($0\,^\circ\text{C}$, $1\,atm$) una mole di qualsiasi gas ideale occupa un volume di $22{,}4\,L$.

Quale formula mette in relazione la massa ($m$), la massa molare ($MM$) e la quantità di sostanza in moli ($n$)?

$n = \frac{m}{MM}$ oppure $m = n \times MM$.

Come viene definito il difetto di massa ($\Delta m$) del nucleo atomico?

È la differenza tra la massa a riposo di tutti i singoli nucleoni liberi e la massa effettiva del nucleo atomico legato; secondo la relazione di Einstein ($1905$), corrisponde all'energia di legame nucleare.

Quali trasformazioni subiscono il numero di massa ($A$) e il numero atomico ($Z$) in un decadimento $\alpha$?

Viene emesso un nucleo di elio-4 ($2$ protoni e $2$ neutroni); pertanto $A$ diminuisce di 4 ($\Delta A = -4$) e $Z$ diminuisce di 2 ($\Delta Z = -2$). Il decadimento è caratteristico dei nuclidi pesanti con $Z > 83$.

Cosa avviene a livello nucleare durante i decadimenti $\beta^-$ e $\beta^+$?

Nel decadimento $\beta^-$ un neutrone si trasforma in protone emettendo un elettrone e un antineutrino ($\Delta A = 0$, $\Delta Z = +1$); nel decadimento $\beta^+$ un protone si converte in neutrone emettendo un positrone e un neutrino ($\Delta A = 0$, $\Delta Z = -1$).

Quali sono le unità di misura nel Sistema Internazionale per l'attività radioattiva, la dose assorbita e la dose equivalente?

L'attività si misura in becquerel ($1\,Bq = 1\,\text{disintegrazione/s}$); la dose assorbita in gray ($1\,Gy = 1\,J/kg$); la dose equivalente in sievert ($1\,Sv = 1\,Gy \times Q$, dove $Q$ è il fattore di pericolosità).

Qual è la differenza fondamentale tra effetti biologici stocastici e deterministici causati da radiazioni ionizzanti?

Gli effetti deterministici (es. ustioni, sterilità) si manifestano al di sopra di una dose soglia prefissata e la gravità cresce con la dose; gli effetti stocastici (es. mutazioni, neoplasie) non possiedono soglia di sicurezza e la probabilità che compaiano aumenta con la dose assorbita.

Quali caratteristiche deve possedere un nucleo atomico per essere attivo all'indagine tramite spettroscopia NMR e quale nucleo è impiegato principalmente nella risonanza per immagini (MRI)?

Il nucleo deve possedere un numero dispari di protoni o di neutroni (avendo così momento magnetico e spin nucleare non nulli); l'esame di diagnostica MRI impiega prevalentemente il nucleo dell'idrogeno-1 ($^1H$).