La chimica (da kemà, il libro dei segreti dell'arte egizia, da cui l'arabo "al-kimiaa" "الكيمياء") è la scienza che studia la composizione della materia ed il suo comportamento in base a tale composizione.

La chimica ha interessato, anche per motivi pratici derivanti dalle sue applicazioni tecnologiche, le innumerevoli popolazioni dell'umanità fin dai tempi antichi. Dal II secolo a.C. si sviluppò, a partire dall'Egitto tolemaico, l'alchimia, un insieme di conoscenze sulla materia e le sue trasformazioni legate a convinzioni filosofiche ed esoteriche; da essa derivò la chimica moderna (in seguito alla rivoluzione scientifica, e più precisamente alla rivoluzione chimica alla fine del XVIII secolo). Anche nel periodo seguente la chimica continuò ad evolversi, perché sempre nuove scoperte ne ampliarono i campi di interesse e i metodi impiegati.

La chimica è anche stata definita come "la scienza centrale" (in inglese "central science") perché connette le altre scienze naturali, come l'astronomia, la fisica, le scienze dei materiali, la biologia e la geologia.

Oggetti di studio della chimica sono principalmente:

• le proprietà dei costituenti della materia (atomi);
• le proprietà delle entità molecolari, ad esempio ioni o molecole, costituite da singoli atomi o dalla combinazione di più atomi;
• le proprietà delle specie chimiche (ciascuna delle quali caratterizzata da una specifica tipologia di entità molecolare e da particolari proprietà che la distinguono dalle altre specie chimiche);
• le proprietà delle miscele e dei materiali costituiti da una o più specie chimiche.

Tale studio della materia non è limitato alle sue proprietà e struttura in un dato istante, ma riguarda anche le sue trasformazioni, dette reazioni chimiche (che comportano la rottura dei legami che tengono uniti gli atomi appartenenti alla stessa entità molecolare e la formazione di nuovi legami per dare origine a nuove entità molecolari).

Sono studiati anche gli effetti di tali proprietà e le interazioni tra i componenti della materia su quelle degli oggetti e della materia con cui comunemente abbiamo a che fare, e le relazioni tra di essi, il che determina un'ampia importanza pratica di tali studi. Si tratta quindi di un campo di studi molto vasto, i cui settori sono tradizionalmente suddivisi in base al tipo di materia di cui si occupano o al tipo di studio.

La conoscenza della struttura elettronica degli atomi è alla base della chimica convenzionale, mentre la conoscenza della struttura del nucleo atomico e delle sue trasformazioni spontanee ed indotte è alla base della chimica nucleare.

(Da Wikipedia, l'enciclopedia libera)

LA MATERIA

La materia è tutto ciò che occupa uno spazio. La materia può essere vivente o non vivente. Essa è fatta da molecole a loro volta formate da atomi: se gli atomi sono uguali si ha un elemento (es. ferro-oro) ; se gli atomi sono diversi si ha un composto ( es.acqua –sale da cucina). La molecola, quindi, è la più piccola quantità di materia che conserva le sue caratteristiche. La materia può essere costituita da un solo atomo o da più atomi uguali o diversi. Ad esempio l’elio e il neon sono formati da atomi tutti uguali. L’ossigeno è formato da molecole composte da due atomi uguali legati fra loro. Il ferro, l’oro, l’argento sono formati da tanti atomi tutti uguali e disposti gli uni vicino agli altri. Ci sono molecole che sono formate da atomi di elementi diversi. La molecola dell’acqua, ad esempio è formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. La molecola dell’anidride carbonica è formata da un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. Ossigeno, ferro, alluminio, neon, argo, argento, oro si chiamano elementi. Acqua, anidride carbonica, metano sono chiamati composti. Sulla Terra ci sono 92 elementi chimici naturali, ma l’uomo ne ha creati artificialmente circa 26.

Le sostanze.

La sostanza è un materiale caratterizzato da proprietà specifiche e da una composizione chimica definita. Si dividono in :

• sostanze semplici, formate da atomi dello stesso tipo;
• sostanze composte ( o composti), formate da atomi di tipo diverso;
• sostanze cristalline, formate da una struttura interna regolare ed esternamente si presentano con facce e spigoli formando cristalli (ad esempio il sale da cucina);
• sostanze amorfe, senza forma come il vetro;
• sostanze organiche, formate da atomi di carbonio, ossigeno, idrogeno, azoto, zolfo e fosforo (ad esempio lo zucchero è formato da carbonio, idrogeno e ossigeno);
• sostanze inorganiche, formate da atomi di elementi di tutti i tipi.

Le sostanze organiche si chiamano così perché sono presenti negli organismi viventi. Oggi l’uomo ha creato anche le sostanze organiche sintetiche come le materie plastiche.

Le sostanze inorganiche costituiscono la materia inerte, come i sassi.

La materia esiste in tre stati di aggregazione: solido-liquido e gassoso. La distinzione viene fatta in base alla disposizione di atomi e molecole. L’acqua si trova nei tre stati: a temperature inferiori a 0° C si trova sotto forma di solido (ghiaccio). A temperature superiori a 0° C si trova sotto forma di liquido e al di sopra di 100° C ( la temperatura a cui l’acqua bolle ) si trova allo stato aeriforme, come vapore acqueo. Le molecole che formano le sostanze sono soggette a un continuo movimento chiamato agitazione termica; inoltre sono attratte le une verso le altre da forze di natura elettrica chiamate forze di coesione. La maggiore o minore forza di coesione determina le caratteristiche dei diversi stati di aggregazione.

I solidi

Nei solidi le molecole sono molto vicine tra loro, perciò le forze di coesione sono molto intense. I solidi, perciò hanno forma e volume proprio: un sasso, un chiodo di ferro, un granello di sale o di zucchero presentano molecole ben ordinate.

I liquidi

Anche nei liquidi le forze di coesione non consentono alle molecole di allontanarsi le une dalle altre. Queste forze sono un po’ più deboli rispetto a quelle presenti nei solidi per cui le molecole sono lievemente più distanti tra di loro. Pertanto i liquidi hanno un volume proprio ma non hanno una forma propria; assumono la forma del recipiente che li contiene. Ad esempio un litro d’acqua se viene versato in recipienti diversi assume la forma del recipiente.

Gli aeriformi

Nello stato aeriforme le molecole sono distanti tra loro e le forze di coesione sono molto deboli. Le molecole si muovono liberamente tra loro; pertanto gli aeriformi non hanno né forma né volume propri, ma occupano tutto lo spazio libero a disposizione. Un profumo o l’odore di una sostanza si diffonde nell’aria. Gli aerifomi si distinguono in: gas e vapori.

Si chiamano gas gli aeriformi che si trovano in questo stato a temperatura ambiente, come l’ossigeno, l’azoto e l’anidride carbonica presenti nell’aria.

Si chiamano vapori gli aeriformi che si formano in condizioni particolari da sostanze che a temperatura ambiente si trovano allo stato liquido o solido. Ad esempio l’acqua che bolle in una pentola si trasforma in vapore acqueo.

Base teorica

Tutto ciò che è intorno a noi è la materia: essa si presenta sotto forma di sostanze. Le sostanze si uniscono a formare i miscugli. I miscugli sono eterogenei perchè formati da varie sostanze.

Miscuglio solido-solido: le rocce che costituiscono la Terra sono un esempio di miscuglio eterogeneo di minerali.

Miscuglio solido-liquido: sabbia e acqua. Il frullato di frutta: un miscuglio di polpa di frutta in acqua, questo tipo di miscuglio si chiama sospensione.

Miscuglio solido-aeriforme: la pietra vulcanica che contiene al suo interno piccole bolle di gas intrappolate durante il raffreddamento.

Miscuglio liquido-liquido: l'olio e l'acqua non si mescolano, le goccioline di olio rimangono sospese nell'acqua formando un miscuglio chiamato emulsione.

Miscuglio liquido-aeriforme: le bevande gassate sono un esempio di tale miscuglio.

Miscugli omogenei: in tali miscugli le sostanze mescolate non si possono distinguere ad esempio acqua e zucchero. Quando in un miscuglio omogeneo una delle due sostanze che si chiama solvente, è più abbondante dell'altra che si chiama soluto, si ha una soluzione.

Esempi di soluzioni solide: l'ottone (lega metallica formata da rame e zinco), il bronzo ( formata da rame e stagno) e l'acciaio ( formato da ferro e carbonio).

Esempi di soluzioni liquide: l'acqua del mare formata da diversi sali disciolti, la lava formata da roccia fusa in cui sono disciolte sostanze gassose.

Esempio di soluzione gassosa: l'aria è un miscuglio omogeneo di diversi gas.

I componenti di una soluzione si possono separare con due metodi:

• la distillazione che consente di separare le sostanze in base alla loro temperatura di ebollizione
• la cromatografia: essa si basa sulla diversa affinità delle sostanze che formano la soluzione delle sostanze della soluzione verso un particolare supporto.

La chimica è quella parte della scienza che studia la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia, intendendo con questo termine tutto ciò che occupa uno spazio e possiede una certa massa, quindi tutti i corpi, minerali, animali o vegetali.

L'elemento principale della materia è l'atomo, formato da particelle più piccole con cariche elettriche. Queste cariche sono positive + e negative -; le cariche di segno diverso si attraggono, quelle di segno uguale si respingono. All'interno dell'atomo troviamo: il NUCLEO formato da PROTONI-positivi e NEUTRONI-neutri. Attorno al nucleo girano gli ELETTRONI-negativi attratti dai protoni. Il numero dei protoni è sempre uguale al numero degli elettroni. Gli elettroni girano descrivendo orbite concentriche; ogni orbita contiene un certo numero di elettroni; l'orbita più esterna può contenere al massimo 8 elettroni.

Ogni atomo rappresenta un ELEMENTO; la differenza fra i diversi elementi è il numero atomico; esso è il numero di protoni e, quindi, di elettroni presenti in un atomo.

Tutti gli elementi sono ordinati nella tavola di MENDELEEV.

METALLI E NON METALLI

Alcuni elementi sono chiamati METALLI ( ferro, rame, piombo, argento, ecc.). Hanno alcune proprietà: sono solidi (tranne il mercurio che è liquido), lucenti,buoni conduttori di calore ed elettricità, duttili (si possono ridurre in fili) e malleabili (si possono ridurre in lamine).

Altri elementi sono chiamati NON METALLI (cloro, ossigeno, zolfo,ecc.) : sono opachi, fragili, cattivi conduttori di calore ed elettricità e possono esistere nei tre stati della materia.

Altri elementi hanno caratteristiche intermedie tra i metalli e i non metalli: sono chiamati semimetalli (silicio).

I LEGAMI CHIMICI

Gli atomi di elementi diversi si legano fra di loro formando i COMPOSTI.

Distinguiamo tre tipi di legami:

• covalente: gli atomi si uniscono condividendo alcuni elettroni, ad esempio nella molecola dell'acqua.
• ionico: un atomo cede elettroni ad un altro, quindi ha cariche positive in più (protoni), mentre l'altro li acquista e, quindi ha cariche negative in più: i due atomi sono attratti da un'attrazione elettrostatica, ad esempio nel cloruro di sodio o sale da cucina il sodio e il cloro si uniscono con questo tipo di legame.
• metallico: si crea una attrazione tra gli ioni positivi del metallo e gli elettroni liberi di muoversi; per tale motivo i metalli conducono bene calore ed elettricità.

TRASFORMAZIONI FISICHE E REAZIONI CHIMICHE

La trasformazione fisica si ha quando una sostanza si trasforma, ma non cambia la sua natura, ad esempio l'acqua che diventa ghiaccio.

La trasformazione chimica si ha quando una sostanza si trasforma, ma si trasforma in una sostanza diversa, ad esempio il ferro che diventa ruggine a contatto con l'acqua.

LE REAZIONI CHIMICHE

Il processo tramite cui una o più sostanze si trasformano in sostanze diverse si chiama reazione chimica. Esempi: il legno brucia e si trasforma in fumo e cenere, un chiodo arrugginisce a contatto con l’aria perché il ferro di cui è fatto si unisce con l’ossigeno dell’aria e si trasforma in un composto chimico: l’ossido di ferro che chiamiamo comunemente ruggine.

Durante una reazione chimica si rompono i legami tra gli atomi delle sostanze che reagiscono e si formano nuovi legami.

Quando il carbone brucia si ha una reazione di combustione in cui il carbonio C del carbone si combina con l’ossigeno dell’aria O₂ e si forma l’anidride carbonica CO₂.

Le reazioni chimiche si indicano per mezzo di EQUAZIONI CHIMICHE; il verso della reazione è indicato da una freccia; le sostanze che reagiscono fra di loro sono chiamate reagenti, le sostanze che si ottengono sono chiamate prodotti della reazione.

carbonio + ossigeno = anidride carbonica

IMPORTANTE: in una reazione chimica nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma.

Nelle reazioni chimiche si possono formare diversi composti

Vediamo i diversi tipi di composti:

• un non metallo con l'ossigeno forma un'anidride (anidride carbonica)
• un'anidride con l'acqua forma un acido (acido carbonico)
• un metallo con l'ossigeno forma un ossido (ossido di ferro)
• un ossido con l'acqua forma un idrossido o base (idrossido di rame)

Gli acidi e le basi sono composti ionici; quando un acido o una base vengono a contatto con l'acqua si dividono nei loro componenti che vengono chiamati IONI che sono carichi elettricamente. Se in una soluzione un composto libera pochi ioni è un acido o una base debole; se,invece, ne libera tanti è un acido o una base forte. Le soluzioni che si ottengono sono,quindi, soluzioni acide o soluzioni basiche.

Gli acidi deboli come quelli contenuti nell'aceto o nel succo di limone non sono pericolosi.

Gli acidi e le basi forti sono pericolosi perchè corrodono i materiali con cui vengono a contatto.

L'acidità o la basicità di una soluzione si misura con il pH in una scala da 1 a 14.

Da 1 a 6 l'acidità diminuisce,7 è neutro (nè acido nè basico), da 8 a 14 aumenta la basicità.

MISURIAMO IL pH DI UNA SOLUZIONE

Per sapere se un prodotto è acido o basico si possono utilizzare gli indicatori, che sono particolari sostanze che cambiano colore a seconda del pH. Un indicatore molto comune è il tornasole,un composto di origine vegetale con cui vengono imbevute strisce di carta che si colorano di rosso in ambiente acido e di blu in ambiente basico.

La chimica organica è quella parte della chimica che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche dei composti organici, cioè di tutti i composti che contengono carbonio. Oggi viene chiamata la chimica del carbonio; il carbonio è il sesto elemento della tavola periodica, il suo nucleo contiene 2 elettroni sulla prima orbita e 4 elettroni sulla seconda orbita. Per completare lo strato esterno ha bisogno di 4 elettroni nell'orbita più esterna per cui crea facilmente legami con altri elementi formando molti composti. I composti del carbonio sono chiamati composti organici, Si dividono in:

• IDROCARBURI: sono formati da carbonio e idrogeno, ad esempio il metano, formato da 1 atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno, è un gas infiammabile e si usa nei fornelli da cucina e negli impianti di riscaldamento. Un altro idrocarburo gassoso è il propano che viene utilizzato come carburante delle automobili. La principale fonte degli idrocarburi è il petrolio.
• MATERIE PLASTICHE: gli idrocarburi vengono uniti tra di loro con una particolare reazione chimica: la polimerizzazione e si ottengono le materie plastiche come il polietilene con cui si costruiscono le bottiglie o le buste di plastica, il teflon che si utilizza per rivestire le padelle per non fare attaccare il cibo durante la cottura, il polistirolo usato come isolante, il silicone usato come sigillante. Gli oggetti realizzati con queste materie plastiche sono resistenti e leggeri, ma non sono biodegradabili , per cui creano problemi dal punto di vista ambientale; per cui è necessaria la raccolta differenziata.
• ALCOLI: il più usato è l'alcol etilico contenuto nel vino.
• ACIDI ORGANICI O CARBOSSILICI: l'acido acetico che è contenuto nell'aceto.
• CARBOIDRATI O ZUCCHERI: le loro molecole sono a forma di anello con 6 atomi di carbonio. Si dividono in:
  • monosaccaridi formati da una sola molecola come il fruttosio che rende dolce la frutta
  • disaccaridi formati da due molecole come il saccarosio, il comune zucchero
  • polisaccaridi formati da catene di monosaccaridi come l'amido del riso o la cellulosa delle piante
• GRASSI O LIPIDI: sono composti da carbonio, idrogeno e ossigeno. I composti principali sono:
  • trigliceridi: si trovano nei grassi vegetali come l'olio, o animali, come il burro.
  • fosfolipidi: questi contengono anche il fosforo e si trovano nella membrana delle cellule.
• PROTEINE: sono catene formate da unità chiamate amminoacidi che contengono anche azoto: sono prodotte dagli esseri viventi, si trovano nei muscoli o nei semi dei vegetali (cereali,legumi).
• ACIDI NUCLEICI: sono il DNA che si trova nel nucleo delle cellule e contiene il patrimonio genetico, cioè tutte le informazioni sui caratteri di ciascun individuo, e l'RNA, che si trova nel citoplasma e collabora alla sintesi, cioè alla formazione delle proteine

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