Martin S. Silberberg • Patricia Amateis MMaarrttiinn SS.. SSiillbbeerrbbeerrgg •• PPaattrriicciiaa AAmmaatteeiiss CCHHIIMMIICCAA CCHHIIMMIICCAA CCHHIIMMIICCAA La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni PaM LLaa nnaattuurraa mmoolleeccoollaarree ddeellllaa mmaatteerriiaa t.S ric. S ia ilb ee ddeellllee ssuuee ttrraassffoorrmmaazziioonnii Ae Il testo si rivolge agli insegnamenti di tutti i corsi di Chimica, Chimica genera- mr b le e inorganica, Fondamenti di chimica, in particolare quelli rivolti ai corsi di ae tr laurea di Ingegneria, Chimica, Chimica industriale, Scienze e Tecnologie chimi- eg is EEddiizziioonnee iittaalliiaannaa aa ccuurraa ddii che, Scienze e Tecnologie fisiche, Scienze Biologiche, Biotecnologie, Scienze e Tecnologie farmaceutiche, Scienze e Tecnologie animali, Scienze Naturali e SSiillvviiaa LLiiccoocccciiaa,, UUnniivveerrssiittàà ddii RRoommaa ""TToorr VVeerrggaattaa"" Ambientali, e si propone di fornire le nozioni di base fondamentali per comprendere il comportamento delle molecole. L’approccio utilizzato descrive i fenomeni prima su scala macroscopica eLCC a per poi passare al punto di vista molecolare, grazie a puntuali illustrazioni d HH en che permettono di visualizzare i modelli chimici e le reazioni. Lo studente la letII viene condotto all’interpretazione chimica dei fenomeni a partire da esempi uMM sr semplici e famigliari e l’apprendimento è facilitato dal frequente ricorso ua e all’esplicazione visiva dei concetti. Ogni capitolo, infine, presenta numerosi mII t problemi di verifica interamente svolti con soluzione numerica a fine raolCC capitolo. sfecAA In questa quarta edizione i capitoli sono stati aggiornati in modo trasver- oo rl ma sale, intervenendo soprattutto su tematiche in costante evoluzione, come le r Quarta edizione ae energie rinnovabili e lo stato del clima, le nanotecnologie, le applicazioni z id biomediche; sono state inoltre ampliate le schede dedicate alla Chimica oe nelle altre scienze ed è stato aggiunto un nuovo capitolo dedicato agli nilla Elementi in natura e nell’industria. m Il codice d’accesso alla piattaforma Connect mette inoltre a disposizione a t 600 esercizi in italiano e 600 esercizi in inglese, a cui si aggiunge lo Smart- e r book interamente aggiornato. i a il dl i H i r - Nell’eserciziario all’interno a iw z o ia del volume oltre 1900 esercizi Quarta ri c a rr edizione i eG 1000 iz s di cui con soluzione c ec e r i M 9539-1 e s l g n ell’industria € 74,00 (i.i.) o c ISBN 978-88-386-9539-1 www.mheducation.it 9 788838 695391 Martin S. Silberberg Patricia G. Amateis CHIMICA La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni 00PrPag.indd 1 17/05/19 12:18 00PrPag.indd 2 17/05/19 12:18 CHIMICA La natura molecolare della materia e delle sue trasformazioni Quarta edizione Martin S. Silberberg Patricia G. Amateis Edizione italiana a cura di Silvia Licoccia, Università di Roma “Tor Vergata” 00PrPag.indd 3 17/05/19 12:18 Titolo originale: CHEMISTRY – The Molecular Nature of Matter and Change, Eight edition Copyright © 2018, 2015, 2012, 2009, 2006, 2003, 2000, 1996 The McGraw-Hill Companies, Inc. Copyright © 2019, 2016, 2012, 2008, 2004 McGraw-Hill Education (Italy) s.r.l. Via Ripamonti, 89 – 20141 Milano I diritti di traduzione, di riproduzione, di memorizzazione elettronica e di adattamento totale e parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i Paesi. 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Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici. Portfolio Director: Teresa Massara Portfolio Manager: Tatjana Pauli Pre-Press Manager: Chiara Daelli Traduzione (1a ed.): Alfredo Suvero (a eccezione dei Capp. 19 e 21) Silvia Licoccia (Capp. 19 e 21) Traduzione (2a, 3a e 4a ed.): Silvia Licoccia Realizzazione editoriale: Fotocompos, Gussago (BS) Grafica di copertina: Feel Italia, Milano Immagine di copertina: © Efman ISBN a 13 978-88-386-9788-3 00PrPag.indd 4 20/05/19 11:57 A Ruth e Daniel, con tutto il mio amore, e gratitudine. MSS A Ralph, Eric, Samantha e Lindsay: voi siete la mia gioia. PGA 00PrPag.indd 5 17/05/19 12:18 00PrPag.indd 6 17/05/19 12:18 Indice Prefazione all’ottava edizione americana XV Come la teoria di Dalton spiega le leggi di massa 36 Ringraziamenti XIX Le masse relative degli atomi 36 Prefazione alla quarta edizione italiana XX 2.4 Le osservazioni che condussero al modello Gli autori e il curatore XXII nucleare dell’atomo 37 Guida alla lettura XXIII Scoperta dell’elettrone e delle sue proprietà 37 Scoperta del nucleo atomico 38 CAPITOLO 1 2.5 La teoria atomica odierna 41 Struttura dell’atomo 41 Le chiavi per lo studio della chimica 1 Numero atomico, numero di massa e simbolo atomico 42 Isotopi e masse atomiche degli elementi 42 1.1 Alcune definizioni fondamentali 2 Un moderno riesame della teoria atomica 44 Le proprietà della materia 2 I tre stati di aggregazione della materia 3 2.6 Gli elementi: un primo sguardo Il tema centrale della chimica 5 alla tavola periodica 45 L’importanza dell’energia nello studio della materia 5 SPETTROMETRIA DI MASSA 46 1.2 Arti chimiche e origini della chimica moderna 7 2.7 I composti: introduzione al legame chimico 49 Tradizioni prechimiche 8 La formazione di composti ionici 49 L’insuccesso della teoria del flogisto e l’influenza Formazione dei composti covalenti 52 di Lavoisier 8 Ioni poliatomici: legami covalenti entro gli ioni 53 1.3 Il metodo scientifico: costruzione 2.8 I composti: formule, nomi e masse 53 Tipi di formule chimiche 53 di un modello 10 Qualche consiglio sull’apprendimento dei nomi 1.4 Risoluzione dei problemi di chimica 11 e delle formule 54 Unità di misura e fattori di conversione impiegati Nomi e formule dei composti ionici 54 nei calcoli 12 Nomi e formule dei composti covalenti binari 60 Approccio sistematico alla risoluzione dei problemi Deduzione delle masse molecolari dalle formule di chimica 13 chimiche 61 1.5 La misurazione nella scienza 15 2.9 Le miscele: classificazione e separazione 62 Caratteristiche generali del Sistema Internazionale di Unità 15 RAPPRESENTAZIONE DELLE MOLECOLE 63 Alcune unità SI importanti in chimica 16 1.6 Incertezza di misura: cifre significative 23 TECNICHE DI SEPARAZIONE FONDAMENTALI 66 Determinazione delle cifre significative 24 Come operare con le cifre significative nei calcoli 24 CAPITOLO 3 Precisione, accuratezza e taratura degli strumenti 27 Stechiometria: relazioni quantità- RISOLUZIONE DEI PROBLEMI DI CHIMICA massa-numero nei sistemi chimici 68 NEL MONDO REALE 28 3.1 La mole 68 CAPITOLO 2 Definizione della mole 68 Massa molare 70 I componenti della materia 30 Interconversione di quantità di sostanza, massa 2.1 Elementi, composti e miscele: uno sguardo e numero di entità chimiche 71 d’insieme dal punto di vista atomico 31 Percentuale in massa ottenuta dalla formula 2.2 Le osservazioni che condussero chimica 74 a una concezione atomica della materia 32 3.2 Determinazione della formula di un Conservazione della massa 32 composto sconosciuto 76 Composizione definita e costante 33 Formule empiriche 76 Proporzioni multiple 35 Formule molecolari 77 2.3 La teoria atomica di Dalton 35 Analisi per combustione 79 Postulati della teoria atomica 36 Formule chimiche e strutture delle molecole 81 00PrPag.indd 7 17/05/19 12:18 VIII Indice 3.3 Scrittura e bilanciamento delle equazioni 5.2 Pressione di un gas e sua misurazione 140 chimiche 82 Dispositivi di laboratorio per misurare la pressione di un gas 140 3.4 Calcolo delle quantità di reagenti Unità di misura della pressione 143 e di prodotti 86 Rapporti molari stechiometricamente equivalenti 5.3 Le leggi dei gas e le loro basi sperimentali 144 ottenuti dall’equazione bilanciata 86 La relazione tra volume e pressione: la legge Reazioni chimiche in sequenza 90 di Boyle 144 Reazioni chimiche a cui partecipa un reagente La relazione tra volume e temperatura: la legge limitante 91 di Charles 145 Reazioni chimiche in pratica: resa teorica, resa effettiva La relazione tra volume e quantità: la legge e resa percentuale 93 di Avogadro 147 3.5 Fondamenti di stechiometria delle reazioni Comportamento di un gas in condizioni normali di temperatura e pressione 148 in soluzione 95 L’equazione di stato dei gas perfetti 148 Espressione delle concentrazioni in termini Risoluzione dei problemi sulle leggi dei gas 150 di molarità 95 Conversioni quantità-massa-numero 5.4 Ulteriori applicazioni dell’equazione che implicano soluzioni 96 di stato dei gas perfetti 153 Preparazione e diluizione di soluzioni molari 97 Densità di un gas 153 Stechiometria delle reazioni chimiche in soluzione 99 Massa molare di un gas 155 La pressione parziale di un gas in una miscela di gas 156 CAPITOLO 4 Equazione di stato dei gas perfetti e stechiometria Le principali classi di reazioni delle reazioni 159 chimiche 104 5.5 La teoria cinetica dei gas: un modello del comportamento dei gas 161 4.1 Il ruolo dell’acqua come solvente 104 Come la teoria cinetica dei gas spiega le leggi La solubilità dei composti ionici 104 dei gas 161 Il carattere polare dell’acqua 106 L’importanza dell’energia cinetica 164 4.2 Scrittura delle equazioni per le reazioni Effusione e diffusione 166 ioniche in soluzione acquosa 109 Il mondo caotico dei gas: cammino libero medio e frequenza degli urti 167 4.3 Reazioni di precipitazione 110 La forza motrice di una reazione di precipitazione 111 CHIMICA NELLA SCIENZA PLANETARIA 168 Come prevedere se una reazione avverrà o no 111 5.6 I gas reali: deviazioni dal comportamento 4.4 Reazioni acido-base 113 dei gas perfetti 171 La forza motrice e la trasformazione netta: formazione Effetti di condizioni estreme sul comportamento di H2O a partire da H+ e OH− 113 dei gas 171 Titolazioni acido-base 115 L’equazione di van der Waals: l’equazione di stato Reazioni acido-base come processi di trasferimento dei gas perfetti corretta 173 protonico 116 4.5 Reazioni di ossidoriduzione CAPITOLO 6 (reazioni redox) 119 Termochimica: flusso di energia La forza motrice per i processi redox 119 e trasformazioni chimiche 176 Terminologia essenziale delle reazioni redox 120 Impiego dei numeri di ossidazione per monitorare 6.1 Forme di energia e loro interconversione 176 il movimento di carica elettronica 120 Il sistema e l’ambiente 177 Bilanciamento delle equazioni redox 123 Flusso di energia dall’esterno all’interno di un sistema Titolazioni redox 125 e viceversa 177 4.6 Sostanze elementari nelle reazioni Calore e lavoro: due forme di trasferimento redox 127 di energia 178 4.7 Reazioni reversibili: un’introduzione Il principio di conservazione dell’energia 180 Unità di misura dell’energia 181 all’equilibrio chimico 134 Funzioni di stato e indipendenza della variazione di energia dal cammino percorso 182 CAPITOLO 5 6.2 Entalpia: calori di reazione I gas e la teoria cinetica dei gas 138 e trasformazioni chimiche 183 5.1 Uno sguardo d’insieme agli stati fisici Significato dell’entalpia 183 della materia 138 Confronto tra ΔE e ΔH 184 00PrPag.indd 8 17/05/19 12:18