imparare la chimica

Richiami di matematica di base per lo studio della chimica

di Pellegrino Conte

INTRODUZIONE

Nella chimica, come nelle altre scienze di base, lo scopo fondamentale è l’analisi e la comprensione descrittiva dei fenomeni al fine di individuare delle leggi generali in grado di fare delle previsioni. La base fondamentale del metodo scientifico risiede, quindi, nell’osservazione del fenomeno, nella sua ripetibilità e conseguente misurabilità. Un fenomeno casuale, ovvero non ripetibile, non è misurabile. Come conseguenza, non è possibile trarre per esso delle leggi previsionali.
scienze integrateCi sono diversi motivi per cui un fenomeno può essere casuale. Tra questi grande importanza hanno gli errori nelle misure sperimentali oppure il fatto che il fenomeno sia avvenuto senza il controllo delle condizioni al contorno, cioè si sia verificato un cambiamento nelle condizioni sperimentali durante l’esecuzione dell’esperimento. Un esempio potrebbe essere una variazione di temperatura, pressione o altro di cui non ci si è accorti.
Da quanto argomentato, il metodo scientifico si basa sulla misura sperimentale che a sua volta si basa sull’interpretazione dei numeri che sono come l’alfabeto per una lingua: senza di esso non è possibile costruire né le parole né tantomeno le frasi per affrontare un discorso di senso compiuto.
Lo scopo di questi appunti è quello di fornire i primi rudimenti del linguaggio matematico usato per l’interpretazione dei risultati sperimentali con particolare attenzione ai bisogni della chimica.   Continua...

Il concetto di equilibrio in chimica: dalla definizione alle conseguenze pratiche

CHE COS’E’ L’EQUILIBRIO CHIMICO?

Il concetto di equilibrio in chimica si riferisce ad un processo di trasformazione che, potendo avvenire sia in una direzione che in quella ad essa contraria, appare dal punto di vista macroscopico di un osservatore esterno in una situazione di stasi caratterizzata da un avanzamento solo parziale della trasformazione, quando in realtà a livello microscopico si svolgono continui e molteplici processi di trasformazione nelle due direzione possibili.  In una condizione di equilibrio, semplicemente, tante sono le trasformazioni che avvengono in un senso, quante sono quelle che avvengono in senso contrario.
equilibrio chimicoQuando parliamo di equilibrio in chimica pariamo dunque di entità macroscopiche, misurabili sperimentalmente con le scale dell’uomo (es. minuti, grammi o moli, concentrazioni di sostanze in soluzione, ecc) ma, come accade quasi sempre in questa disciplina, le ragioni dei comportamenti osservati risiedono nelle dinamiche su scala molecolare.  Se avessimo la possibilità di considerare singolarmente la storia ed il destino di una singola molecola o di un atomo o di uno ione, il concetto di “equilibrio” non avrebbe proprio alcun significato, trattandosi questo di un concetto, almeno nel campo della chimica, più di natura statistica che deterministica.
Dalla dissociazione degli acidi alle reazioni tra molecole organiche, dalla formazione dei complessi di coordinazione alla solubilità dei sali, e molti altri esempi si potrebbero fare ancora: vista così, la chimica sembrerebbe essere una scienza all’insegna dell’equilibrio.   Continua...

che cos’è la cromatografia?

spazioLa cromatografia è fondamentalmente una tecnica che consente di separare sostanze chimiche fra loro diverse inizialmente in miscela, o meglio in soluzione, restituendole singolarmente nel tempo e, come implicito nel concetto stesso di “separazione” isolandole anche nello spazio.

separazione cromatografica su strato sottile (TLC) di una miscela di sostanze colorateInutile dire che dietro a questa semplice definizione, che più generica davvero non si può, si nascondono decine di tecniche fra loro estremamente diverse in relazione ai principi chimici e chimico-fisici sfruttati, alle caratteristiche delle sostanze da separare e dei coadiuvanti chimici coinvolti, delle finalità della separazione e così via.   Un piccolo mondo interno alla chimica che attraversa il primo luogo il campo dell’analisi per sfociare in applicazioni preparative sia su scala da laboratorio che industriale e che coinvolge una percentuale insospettabilmente alta degli addetti chimici di un po’ tutti i settori produttivi e di controllo: dal campo medico a quello agronomico, da quello ambientale a quello petrolchimico, da quello farmaceutico a quello ambientale e così via.

Tornando alla definizione inizialmente fornita, la cromatografia non è in effetti l’unico approccio possibile per realizzare una separazione come quella descritta.   L’elettroforesi per esempio potrebbe rispondere anch’essa molto bene a questa definizione, e persino la distillazione e la cristallizzazione frazionata se opportunamente gestite possono essere utilizzate per la separazione di sostanze chimiche diverse in miscela, o meglio in soluzione, restituendole nel tempo in forma virtualmente pura, ovvero separandole l’una dall’altra. Continua...

Elettrofilo e Nucleofilo: significato dei termini ed implicazioni nella reattività organica

I TERMINI ELETTROFILO E NUCLEOFILO NELLA CHIMICA ORGANICA 

In chimica organica si sente parlare con estrema frequenza di elettrofilo e nucleofilo, oppure delle loro proprietà, l’elettrofilia e nucleofilia.
reazioni chimiche organiche scritte su fogliSi legge spesso, per fare un esempio, che una certa molecola è elettrofila, mentre un’altra è nucleofila, e magari quest’ultima è un nucleofilo più debole di un’altra specie chimica anch’essa nucleofila.  Comprendiamo bene, già dalla ricorsività dei termini, che deve trattarsi di un importante concetto di base, al quale purtroppo la scuola secondaria di secondo grado non sempre e non sufficientemente è solita affrontare in modo adeguato.  Alla base di questo vi è un’impostazione prevalentemente descrittiva della chimica organica, che punta ancora molto al raggiungimento di capacità nella nomenclatura delle molecole ed alla loro classificazione sistematica, cercando di leggere in questa chiave anche la reattività delle molecole organiche.  La chimica delle sostanze organiche naturali e la biochimica, a loro volta, sembrano ritagliare sempre più quello spazio normalmente dedicato alla chimica organica, impoverendo ulteriormente i programmi dalla chimica organica di base.  Ovviamente si tratta solo di osservazioni compiute su un numero limitato di scuole, in occasione dell’incontri didattici con singoli studenti, e la considerazione decade del tutto quando si parla di istituti tecnici a specifico indirizzo chimico. Continua...

Concetti matematici utili per la chimica (2° parte): integrali e metodo di separazione delle variabili

di Leonardo Petrillo

integrali matematiciQuesto articolo continua quanto iniziato nella 1° parte, ossia la descrizione, nel modo più semplice possibile, dei concetti matematici utili per la chimica.
Come anticipato, questa seconda parte sarà principalmente dedicata al processo inverso (ma altrettanto importante) della derivazione: l’integrazione.
Va segnalato fin d’ora che risolvere un integrale è un tantino più complicato rispetto allo svolgere una derivazione, tuttavia qui osserveremo solamente casi semplici e applicazioni in chimica e fisica delle regole illustrate.

IL CONCETTO DI INTEGRALE

Si consideri la funzione

Immagine 1

la quale può essere graficamente rappresentata in questo modo:

Immagine 2

La sua derivata, per via della regola di Leibniz, è semplicemente la costante 1/4 moltiplicata la derivata del polinomio che rimane, ovvero:

Immagine 3

Ma se si desiderasse tornare alla funzione di partenza partendo dalla derivata, cosa si dovrebbe fare?
Bisognerebbe semplicemente integrare la funzione derivata.
In simboli:

Immagine 4

Quel simbolo ∫ che assomiglia ad una sorta di s allungata è proprio il simbolo di integrale indefinito, mentre dx indica il cosiddetto differenziale della variabile di integrazione, il quale ci fa appunto capire in base a quale variabile bisogna integrare la funzione prescelta (nell’esempio, ovviamente in base alla x).
Ma come si procede?
Innanzitutto, nel caso dell’integrale di cui sopra, si può notare la presenza di una costante, che può essere semplicemente condotta fuori dall’integrale:

Immagine 5

Come nel processo di derivazione, quando si ha una somma algebrica di più funzioni da integrare, basta calcolare l’integrale della singola funzione e poi sommare il risultato all’integrale delle successive funzioni. Continua...

Concetti matematici utili per la chimica (1° parte): limiti e derivate

di Leonardo Petrillo

Come asseriva Galileo Galilei ne Il Saggiatore (1623):

“La filosofia naturale è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi, io dico l’universo, ma non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua e conoscer i caratteri nei quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto”.

matematica nella chimicaLa matematica è infatti un linguaggio utilissimo per descrivere i fenomeni che avvengono in natura, fenomeni chimici inclusi.  Svariati concetti della chimica hanno bisogno, per essere descritti in modo preciso e rigoroso, di un linguaggio matematico avanzato.  Si pensi, ad esempio, al pH.  Esso non potrebbe essere definito rigorosamente se non si facesse ricorso alla nozione matematica di logaritmo.  Questo esempio, però, rappresenta solamente la “punta dell’iceberg”.
I concetti matematici utili per la chimica vanno ben oltre la semplice aritmetica, l’algebra e i logaritmi.
Di fondamentale importanza è infatti il calcolo infinitesimale.  Senza la sua conoscenza non si potrebbero capire in modo profondo branche intere della chimica, come la cinetica chimica e la termochimica, solo per fare due esempi significativi. Continua...

Dal gas ideale ai vapori: natura e proprietà generali degli aeriformi

DEFINIZIONI

palloncino chiuso contenente azoto biossido (sinistra) ed aria (destra)

palloncino chiuso contenente azoto biossido (sinistra) ed aria (destra)

Quello gassoso costituisce uno degli stati di aggregazione fondamentali – il più semplice – della materia, almeno di quella materia poco meno che esotica che siamo soliti immaginare organizzata in atomi.
Esattamente come per gli altri stati di aggregazione della materia (liquido e solido) anche un gas può essere composto da singoli atomi – ovvero da specie chimiche monoatomiche come per esempio i gas nobili – oppure da più atomi legati fra loro da un legame chimico, ovvero da molecole.  In questo secondo caso possiamo avere molecole omoatomiche, composte da due o più atomi dello stesso elemento legati fra loro (es. N2) oppure da atomi di elementi diversi come nel caso dell’anidride carbonica.

Spesso si fa una certa confusione tra i concetti di gas e di vapore, utilizzando questi termini un po’ come sinonimi l’uno dell’altro.  In verità entrambe le condizioni di esistenza della materia – comunemente definita “aeriforme” sono accomunate dal fatto che entrambi tendono ad occupare virtualmente “tutto” il volume nel quale sono confinati, adattando la distanza e quindi la rarefazione spaziale tra le particelle in funzione dell’entità di questo volume.
vapore acqueo emesso da ciminiereUna distinzione tra gas e vapore della stessa sostanza può essere effettuata sia su base teorica che sperimentale.   Continua...

I catalizzatori della materia vivente: gli enzimi

di Sergio Barocci

Un organismo vivente è un sistema chimico complesso nel quale la materia organica viene sintetizzata, riprodotta, trasformata e decomposta in un incessante ed intenso susseguirsi di reazioni e processi chimici attraverso i quali si svolgono tutte le funzioni biologiche.
Noi sappiamo che la materia vivente è costituita in gran parte da polimeri naturali riconducibili a tre tipi fondamentali : proteine, acidi nucleici, carboidrati.  A questi si aggiungono i lipidi, l’acqua , i sali minerali, altre sostanze particolari come le vitamine ed infine i catalizzatori biologici o enzimi, una categoria di proteine globulari protagonisti di reazioni chimiche che si svolgono normalmente all’interno delle cellule. Queste reazioni chimiche sono caratterizzate da un elevato valore dell’energia libera di attivazione (l’energia minima necessaria ad un sistema per innescare una reazione chimica ) e quindi, perché possano avvenire regolarmente, necessitano di adatti catalizzatori biologici ( vedere articolo “i tempi della chimica: la velocità dei processi di trasformazione della materia confrontati alla scala dell’uomo”).

Energia libera di attivazione

(Fig. 1) Energia libera di attivazione o energia minima necessaria che le molecole devono possedere durante l’urto, affinchè la reazione chimica avvenga. Gli enzimi svolgono la loro funzione come catalizzatori biologici della materia vivente diminuendo l’energia libera di attivazione affinchè una determinata reazione chimica possa avvenire spontaneamente.

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Risonanza Magnetica Nucleare (NMR), 1° parte. Introduzione: come dialogano atomi e magneti?

di Nicole Ticchi

molecola modellinoUna delle maggiori sfide nella chimica di tutti i tempi è la possibilità di dare un’identità precisa e univoca a tutte le sostanze.   Il chimico, nella vita di tutti i giorni, osserva, studia, analizza o sintetizza molecole di ogni tipo, più o meno complesse.   Fare la carta d’identità di una sostanza, di qualsiasi tipo essa sia, non è cosa da poco, ma rappresenta al giorno d’oggi una risorsa preziosissima nello studio di tutto ciò che ci circonda.   E non solo.   Medicina, chimica, biologia e fisica sono mondi strettamente collegati tra loro e non vi è innovazione in un campo che non possa trovare applicazione anche negli altri.   Basti pensare a tutta la strumentazione reperibile nei laboratori medici, di analisi chimica o biotecnologica, nulla di ciò esisterebbe se non fosse per le scoperte, le innovazioni e le conquiste nel campo della fisica.

NMR Bruker 600 in laboratorio

NMR Bruker 600 in laboratorio

Nella moderna concezione generale della chimica, quando pensiamo ad una molecola, le immagini che si profilano davanti ai nostri occhi sono ben definite: esagoni, linee e quant’altro, ormai le formule non sono più un segreto per noi.   Pensiamo ad una sostanza, ne digitiamo il nome su internet e voilà!   Ecco servita la formula!   Continua...

L’ibridizzazione degli orbitali atomici: le 10 cose che si dovrebbero sapere

una conformazione del cicloesanoOsservando gli atomi chimicamente legati fra loro all’interno delle molecole e forti del ricordo di come avevamo imparato fossero organizzati in un certo modo gli orbitali elettronici dei singoli atomi allo stato isolato non possiamo evitare di soffermarci un momento domandandoci se per caso non ci siamo persi qualche “passaggio intermedio” nel balzo concettualmente di certo non piccolo tra l’atomo e la molecola.
La configurazione elettronica di un atomo, la disposizione e la forma dei suoi orbitali di tipo s, p, d ed f intorno al nucleo e tutte le conoscenze che abbiamo messo insieme nelle giornate di studio precedenti, sembrano aiutarci ben poco a comprendere le ragioni per le quali le molecole siano fatte proprio così – e non in un altro modo – cioè con gli atomi legati in una certa posizione l’uno rispetto all’altro, con certo angoli e certe distanze di legame, fino a condizionare in modo determinante la forma della molecola stessa.

forma degli orbitali elettronici (s, p, d, f) dell'atomo isolato

forma degli orbitali elettronici (s, p, d, f) dell’atomo isolato

Possiamo tentare di spiegarla in questo modo:
Nell’atto di stabilire legami chimici con altri atomi è particolarmente frequente che gli orbitali facenti parte del guscio elettronico più esterno di un atomo, molto simili fra loro dal punti di vista energetico ma diversi per geometria e per disposizione spaziale, si “combinino” fra loro con un processo noto come ibridizzazione – o ibridazione elettronica – restituendo un pari numero di orbitali atomici, questi detti ibridi, identici fra loro sia dal punto di vista energetico che della forma, molto ben direzionati nello spazio ed orientati a massimizzare la divergenza angolare reciproca all’interno dello spazio bi- o tridimensionale a loro disposizione.   Continua...

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