Cosa è la chimica?
La chimica (da kemà, il libro dei segreti dell’arte egizia, da cui l’arabo “al-kimiaa” “الكيمياء”) è la scienza naturale che studia la composizione, la struttura e le proprietà della materia, sotto forma di elementi, specie, composti, miscele o altre sostanze, nonché i cambiamenti che subiscono durante le reazioni e la loro relazione con l’energia chimica. Studia anche la loro associazione attraverso legami chimici che producono composti molecolari stabili o intermedi più o meno instabili.
Linus Pauling l’ha definita come la scienza che studia le sostanze, la loro struttura (ovvero il tipo e la disposizione degli atomi) e le loro proprietà, nonché le reazioni che le trasformano nel tempo in altre sostanze.
Attraverso una delle sue branche, nota come chimica supramolecolare, la chimica si occupa principalmente di gruppi supramolecolari come gas, molecole, cristalli e metalli, studiandone la composizione, le proprietà statistiche, le trasformazioni e le reazioni. La chimica generale, invece, include anche la comprensione, le proprietà e le interazioni della materia su scala atomica.
Cenni storici dell’evoluzione della Chimica
Branche della Chimica
La chimica è una scienza complessa e multiforme che si suddivide in diverse branche, ciascuna delle quali si concentra su aspetti specifici della materia e delle sue trasformazioni. Le principali branche della chimica sono:
Chimica organica
La chimica organica è il ramo della chimica che studia i composti del carbonio, generalmente in combinazione con altri elementi come l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto, lo zolfo e gli alogeni. Questa disciplina è fondamentale perché il carbonio è alla base delle molecole biologiche, quindi è essenziale per comprendere la vita. Tuttavia, la chimica organica va ben oltre il mondo biologico e include lo studio di polimeri, farmaci, coloranti, plastiche e molti altri materiali di sintesi.
Principali aree di interesse:
- Chimica dei polimeri: Studia le grandi molecole composte da molte unità ripetute (monomeri), come plastica, gomma e fibre sintetiche.
- Farmacochimica: Sviluppo e analisi di farmaci e composti terapeutici.
- Chimica dei materiali organici: Studio di materiali come i semiconduttori organici e i cristalli liquidi.
Chimica inorganica
La chimica inorganica si occupa di tutti i composti che non rientrano nel campo della chimica organica. Questo include i composti di metalli, minerali, sali, ossidi, e un’ampia gamma di materiali non a base di carbonio. La chimica inorganica è particolarmente importante nello studio dei materiali utilizzati nell’industria, come i catalizzatori, i semiconduttori e i composti utilizzati in batterie e celle a combustibile.
Principali aree di interesse:
- Chimica dei metalli di transizione: Analisi delle proprietà e delle reazioni dei metalli di transizione, come ferro, cobalto e nichel.
- Chimica dei materiali ceramici: Studio dei materiali inorganici che sono durevoli e resistenti al calore, come i ceramici utilizzati nei motori o nei reattori nucleari.
- Chimica dei complessi: Studio dei composti formati da un atomo centrale (solitamente un metallo) circondato da molecole o ioni.
Chimica fisica
La chimica fisica combina i principi della chimica e della fisica per studiare i processi chimici a livello molecolare e atomico, con un focus particolare sui meccanismi delle reazioni, l’energia coinvolta e la struttura della materia. Si occupa anche di studiare fenomeni termodinamici, cinematici e spettroscopici per comprendere meglio come avvengono le reazioni chimiche.
Principali aree di interesse:
- Termodinamica chimica: Studio delle relazioni tra calore, lavoro, energia e le trasformazioni chimiche.
- Cinetica chimica: Analisi della velocità delle reazioni chimiche e dei meccanismi attraverso cui avvengono.
- Spettroscopia: Utilizzo della luce per studiare la struttura e le proprietà delle molecole.
- Meccanica quantistica applicata alla chimica: Studio dei comportamenti delle particelle su scala atomica e subatomica, e delle loro implicazioni per la chimica.
Chimica analitica
La chimica analitica è il ramo della chimica dedicato all’identificazione e alla quantificazione delle sostanze chimiche in un campione. Questo ramo si basa su tecniche avanzate per separare, identificare e misurare gli elementi e i composti presenti in materiali complessi. Viene ampiamente utilizzata in laboratori di ricerca, controllo qualità e diagnostica medica.
Principali aree di interesse:
- Analisi qualitativa: Determinazione dei componenti presenti in un campione.
- Analisi quantitativa: Misurazione precisa della quantità di una sostanza in un campione.
- Spettrometria di massa: Tecnica avanzata che consente di identificare le molecole in base al loro peso molecolare.
- Cromatografia: Tecnica di separazione utilizzata per isolare i componenti di una miscela.
Biochimica
La biochimica è una scienza interdisciplinare che studia i processi chimici all’interno e intorno alle cellule, ponendo particolare attenzione alle reazioni chimiche che sostengono la vita. Si concentra su biomolecole come proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici e sul loro ruolo nei processi cellulari e metabolici.
Principali aree di interesse:
- Metabolismo: Studio delle reazioni chimiche che avvengono all’interno di un organismo per sostenere la vita.
- Genetica molecolare: Analisi del DNA, RNA e delle proteine coinvolte nell’espressione genica.
- Enzimologia: Studio degli enzimi, catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche all’interno degli organismi viventi.
- Bioenergetica: Studio dei processi attraverso cui le cellule trasformano l’energia chimica, come la respirazione cellulare e la fotosintesi.
Chimica industriale
La chimica industriale è l’applicazione pratica della chimica nei processi di produzione su larga scala. Questo ramo si concentra sulla progettazione e ottimizzazione dei processi industriali per la produzione di materiali e composti chimici, come plastiche, farmaci, carburanti, fertilizzanti e metalli. Il suo scopo è garantire che i processi chimici siano efficienti, sicuri e sostenibili.
Principali aree di interesse:
- Processi chimici: Ottimizzazione delle reazioni chimiche su larga scala per la produzione industriale.
- Chimica ambientale: Studio degli impatti dei processi industriali sull’ambiente e sviluppo di soluzioni sostenibili.
- Produzione di energia: Studio di combustibili, energia nucleare, energia da fonti rinnovabili e altri metodi di produzione energetica.
Chimica teorica e computazionale
La chimica teorica usa modelli matematici e simulazioni al computer per prevedere e spiegare le proprietà e il comportamento delle molecole e dei materiali. Questo campo si basa su concetti di fisica quantistica e termodinamica, e consente di analizzare le reazioni chimiche e le strutture molecolari a un livello dettagliato.
Principali aree di interesse:
- Meccanica quantistica: Applicazione delle leggi della fisica quantistica per descrivere il comportamento di elettroni e nuclei nelle molecole.
- Dinamica molecolare: Simulazione dei movimenti e delle interazioni tra le molecole nel tempo.
- Chimica computazionale: Utilizzo di potenti algoritmi per prevedere la struttura e la reattività delle molecole.
Chimica ambientale
La chimica ambientale studia le interazioni tra la chimica e l’ambiente, analizzando come le sostanze chimiche presenti nell’aria, nell’acqua e nel suolo influiscono sugli ecosistemi e sulla salute umana. Questo ramo cerca di comprendere e mitigare gli impatti negativi delle attività umane sull’ambiente, come l’inquinamento e il cambiamento climatico.
Principali aree di interesse:
- Chimica dell’aria: Studio degli inquinanti atmosferici e del loro impatto sul clima e sulla salute.
- Chimica dell’acqua: Analisi della qualità dell’acqua e delle sostanze inquinanti presenti in fiumi, mari e falde acquifere.
- Tossicologia ambientale: Studio degli effetti tossici di sostanze chimiche sull’ambiente e sugli organismi viventi.
Elettrochimica
L’elettrochimica è lo studio delle interazioni tra l’energia elettrica e le reazioni chimiche. Questo campo ha applicazioni in vari settori, come le batterie, le celle a combustibile, la corrosione dei metalli e l’elettronica.
Principali aree di interesse:
- Batterie e accumulatori: Sviluppo e miglioramento di batterie e dispositivi per l’immagazzinamento dell’energia.
- Corrosione: Studio dei processi di degrado dei materiali causati da reazioni elettrochimiche.
- Celle a combustibile: Sistemi elettrochimici che convertono energia chimica in elettricità in modo efficiente e sostenibile.
Chimica nucleare
La chimica nucleare si occupa delle reazioni che coinvolgono i nuclei atomici, piuttosto che gli elettroni. Questo campo ha un ruolo cruciale nella produzione di energia nucleare, nella medicina nucleare e nello studio della radioattività.
Principali aree di interesse:
- Radiochimica: Studio delle sostanze radioattive e delle loro proprietà.
- Medicina nucleare: Utilizzo di isotopi radioattivi per diagnosticare e trattare malattie.
- Fissione e fusione nucleare: Studio delle reazioni che liberano grandi quantità di energia sfruttando l’energia nucleare.
La materia
La materia viene definita sia in Chimica che in Fisica, come qualsiasi sostanza (composta da vari tipi di particelle) che ha massa, inerzia e occupa spazio fisico (avendo volume). La materia si può classificare secondo gli stati di aggregazione, oppure suddividere in organica e inorganica e può appartenere a uno dei tre regni della natura (minerale, vegetale, animale).
Tutte queste classificazioni cessano però di essere rigorose quando la materia viene studiata nei suoi costituenti elementari (atomi, molecole, particelle). La materia risulta allora avere un’origine unica ma le proprietà solitamente a essa attribuite (impenetrabilità, divisibilità, compressibilità ecc.) non si possono più considerare valide.
L’esempio più semplice di particelle di materia sono gli atomi, che sono la più piccola unità di materia composta da elettroni, protoni e neutroni (conservando tutte le proprietà chimiche di un elemento). Le particelle prive di massa come i fotoni, i fenomeni energetici o le onde come la luce o il suono, non sono incluse in questa definizione.
Un’altra suddivisione della materia possibile è tra: sostanze pure e miscele. Una sostanza chimica può essere costituita da atomi dello stesso elemento (elementi chimici) oppure da atomi di elementi differenti (composti chimici).
Stati di aggregazione della materia
Gli stati di aggregazione della materia dipendono sia dalla natura della materia che dalla temperatura e dalla pressione dell’ambiente in cui essa si trova; in base alle variazioni di questi due parametri ambientali avvengono delle trasformazioni fisiche dette anche passaggi di stato. La materia può dunque esistere in diversi stati, chiamati anche fasi; i quattro stati fondamentali sono:
- stato solido;
- stato liquido;
- stato gassoso;
- stato plasmatico (plasma).
Passaggi di stato della materia
In particolare si hanno i seguenti passaggi di stato:
- fusione è il passaggio dallo stato solido a quello liquido;
- evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme;
- ebollizione è il passaggio tumultuoso dallo stato liquido a quello aeriforme;
- condensazione è il passaggio dallo stato aeriforme (vapore) allo stato liquido;
- liquefazione è il passaggio dallo stato aeriforme (gas) allo stato liquido;
- solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido;
- sublimazione è il passaggio dallo stato solido allo stato aeriforme;
- brinamento è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato solido.
L’atomo
Legami chimici
I legami chimici possono essere definiti come degli accoppiamenti di tipo energetico tra atomi; in altre parole quando un atomo non è in grado di acquistare un elettrone di cui ha però necessità, oppure quando è disposto a cedere un elettrone di cui invece non ha bisogno, allora si “mette in società” con un altro atomo, dando origine a quello che definiamo appunto “legame chimico”. In sostanza un legame chimico si manifesta in presenza di una forza elettrostatica che tiene uniti più atomi; si possono avere legami forti (detti anche primari o intramolecolari) che generalmente si instaurano tra atomi, oppure legami deboli (detti anche secondari o intermolecolari), i quali si manifestano generalmente tra molecole.
Come è possibile immaginare, i legami chimici “più forti” hanno un potenziale energetico maggiore e sono più difficili da rompere, mentre i legami deboli hanno un contenuto energetico minore e sono più facili da rompere. Da ciò deriva che le molecole che hanno al loro interno legami chimici più deboli sono più instabili.
Studiando la tavola periodica, si vede che tutti gli elementi, fatta eccezione per i gas nobili (quelli cioè dell’ultima colonna a destra), presentano gli ultimi strati energetici solo parzialmente occupati da elettroni: questo significa che ciascun elemento tende a cedere o ad acquistare elettroni in modo da raggiungere la configurazione di massima stabilità. In particolare, acquistando uno o più elettroni, un elemento tende a raggiungere la configurazione del gas nobile che lo segue, mentre invece, cedendo uno o più elettroni, tende a raggiungere la configurazione del gas nobile che lo precede.
Chiaramente, la tendenza ad acquistare o cedere elettroni è più o meno forte a seconda proprio del numero di elettroni più esterni, ossia a quello che potremmo definire il “grado di occupazione” degli orbitali più esterni: se sono molti gli orbitali vuoti con un solo elettrone, allora la tendenza sarà a cedere gli elettroni; se invece ci sono pochi orbitali non completi, allora la tendenza sarà a riempirli, acquistando elettroni.
Le teorie dei vari legami chimici devono essere in grado di spiegare una serie di importanti fenomeni riscontrati nella pratica:
- in primo luogo, devono spiegare perché gli elementi si combinano, per formare i composti, secondo determinati rapporti e non altri;
- in secondo luogo, dato che ogni reazione chimica che porta ad una trasformazione delle sostanze reagenti, come accade nella formazione di un composto, è sempre accompagnata da uno sviluppo o da un assorbimento di calore, esse devono predire la quantità di energia in gioco;
- ancora, l’esistenza di particolari composti, chiamati isomeri, aventi la stessa formula bruta ma diverse proprietà chimiche e fisiche, impone la necessità di conoscere con esattezza come gli atomi siano legati tra loro negli elementi semplici e nei composti;
- inoltre, le varie teorie devono poter interpretare sia la geometria delle molecole (ciò che si definisce configurazione sterica) sia anche le variazioni che si osservano nelle lunghezze di legame tra gli stessi elementi in composti diversi;
- infine, devono aiutare a prevedere l’esistenza e le proprietà di composti non ancora noti.
Energia di legame
Si definisce energia di legame o “energia di dissociazione” quella quantità di energia che è necessaria per rompere il legame chimico (qualunque esso sia) tra due atomi in una molecola. L’energia di legame varia, a seconda del contorno, con scarti sostanzialmente piccoli; dunque è possibile distinguere diverse tipologie di energia di legame, a seconda del caso in cui si prenda in considerazione un atomo, una molecola, oppure interazioni sub-nucleari:
- per un atomo, l’energia di legame è data dall’interazione elettromagnetica e prende il nome di energia di legame atomico;
- in una molecola, l’energia di legame tiene uniti gli atomi costituenti mediante dei legami chimici; rappresenta l’energia che bisogna somministrare a una mole di molecole per suddividerle in singoli atomi. Quanto maggiore è l’energia per dissociare la molecola tanto maggiore deve essere l’energia di legame che tiene uniti i due atomi;
- per un nucleo atomico l’energia di legame è l’energia necessaria a comporre il nucleo a partire dai singoli protoni e neutroni. Tale energia è data dall’forza nucleare forte, mediata dai pioni, e prende il nome di energia di legame nucleare;
- in caso di interazioni subnucleari rappresenta l’energia che lega i vari quark all’interno di un adrone.
Legame | kcal/mol |
---|---|
H−H | 104,2 |
C−C | 83,1 |
O−O | 33,2 |
C−O | 84 |
Na−Na | 18 |
O−H | 110,6 |
Na−Cl | 98 |
Distanze ed angoli di legame
Le distanze di legame e gli angoli di legame servono a descrivere la geometria dei legami con cui due o più atomi si mettono insieme per formare molecole o agglomerati di atomi. Le distanze di legame dipendono molto dal tipo di atomi che si legano e dall’ordine di legame (che può essere semplice o multiplo); al contrario, dipendono poco dal particolare contorno. Gli angoli di legame, invece, dipendono per lo più dalle proprietà dell’atomo che si considera, il che spiega la regolarità osservata nelle geometrie delle molecole.
Tipologie di legame chimico
In tutti i legami tra atomi, a prescindere dalla loro natura (dei legami e degli atomi), sono sempre coinvolti gli elettroni periferici, altrimenti detti elettroni di valenza. In natura, esistono tre legami chimici diversi:
- Legame ionico
- Legame covalente
- Legame metallico
Legame ionico
Si definisce legame ionico quella tipologia di legame chimico di natura elettrostatica che si forma quando gli atomi possiedono un’elevata differenza di elettronegatività, ovvero una bassa energia di ionizzazione e un’alta affinità elettronica.
Le sostanze di tipo ionico sono quelle evidentemente costituite da ioni, si presentano generalmente allo stato solido cristallino quando sono a temperatura ambiente; il loro punto di fusione è in genere elevato (ossia è necessario arrivare ad alte temperature per avere il passaggio allo stato liquido); sono buoni conduttori termici, mentre, per quanto riguarda la conducibilità elettrica, sono quasi isolanti allo stato solido e buoni conduttori allo stato fuso o in soluzione, ossia se immersi in qualche liquido.
Legame covalente
Le sostanze di tipo covalente sono caratterizzate dal fatto che il legame chimico tra gli atomi consiste nella “condivisione di elettroni” da parte di 2 o più atomi; il numero di elettroni generalmente condivisi è 2, uno per parte, ma ci sono dei casi in cui ne vengono condivisi 4 o anche 6.
Le sostanze in cui predomina il legame covalente sono per lo più isolanti elettrici. Per quanto concerne il punto di fusione, si fa una distinzione: ci sono le sostanze molecolari (formate da molecole costituite da un numero discreto di atomi) che fondono a temperature anche basse e sono generalmente allo stato gassoso a temperatura ambiente; poi ci sono le sostanze macromolecolari (formate da un numero indefinito di atomi, legati in modo covalente) che invece fondono a temperature elevate.
Legame metallico
Le sostanze di tipo metallico sono invece quelle in cui il legame chimico tra gli atomi è costituito da “elettroni delocalizzati”, cioè condivisi da tutti gli atomi del reticolo; sono in genere buone conduttrici sia elettriche sia termiche. Il punto di fusione è invece variabile (il mercurio fonde a bassa temperatura, mentre il tungsteno fonde a temperatura elevatissima).
Notare che ognuno dei tre legami rappresenta un caso limite ideale e che sono molto poche le sostanze in cui sia presente un solo tipo di tali legame. Nella pratica, perciò, noi definiamo una sostanza ionica, covalente o metallica a seconda di quale sia il legame prevalente. È possibile costruire un diagramma nel quale si evidenzia il carattere ionico e/o covalente e/o metallico delle principali specie chimiche con cui si ha a che fare.
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Autori
- DE CAROLIS CARLO
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