Le reazioni chimiche coinvolgono un numero discreto di atomi dei reagenti che si ricombinano, in nuovi composti chimici, per dare i prodotti. In laboratorio ci si trova ad operare con campioni macroscopici, che contengono di conseguenza un gran numero di atomi e/o molecole.
Contare gli atomi o le molecole presenti in un campione macroscopico significherebbe quindi trattare dei numeri enormi.
Di conseguenza è necessario disporre di una unità di misura che consenta di collegare questi numeri enormi, che non è possibile misurare direttamente, con le masse di sostanze che sono invece misurabili ed osservabili direttamente.
I chimici hanno risolto questo problema introducendo il concetto di mole
L’idea di introdurre una nuova unità che individui un determinato numero di oggetti non è nuova.
Unità introdotte per scopi simili e di uso comune sono ad esempio la dozzina (12 unità), il paio (2 unità), la risma (500 unità), etc…
I chimici misurano il numero di atomi e molecole in moli.
Definizione di una nuova grandezza fisica, inserita nell’elenco delle sette grandezze fisiche fondamentali del SI: la quantità di sostanza, la cui unità di misura è la mole (mol).
Mole: quantità di sostanza che contiene tante unità elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni, gruppi di tali particelle.., da definirsi di volta in volta a seconda del tipo di sostanza) quanti sono gli atomi contenuti in 12 g esatti di carbonio-12.
Quanti sono questi atomi? La massa di un singolo atomo di 12C è 12 u.m.a. · 1.67 10-24 g. Il numero cercato deriva dal rapporto:
Questo numero, con la dimensione di mol-1 ad indicare la sua natura di numero di particelle/mole, prende il nome di Costante o Numero di Avogadro (NA) in onore dello scienziato italiano Amedeo Avogadro.
Numero di Avogadro: 6.022 1023 mol-1
Il numero di Avogadro rappresenta il fattore di conversione tra mole, e numero di oggetti (particelle, atomi, molecole, palline…..)
Indicando con n il numero di moli (formalmente la quantità di sostanza), il numero di oggetti N sarà dato da:
N oggetti = n mol x NA= n mol x 6.022 1023 oggetti/mol
Una mole contiene sempre lo stesso numero di particelle indipendentemente da quale sia la sostanza.
Il numero di unità che definisce 1 mole è stato scelto uguale al numero di atomi contenuti in 12 g esatti di carbonio-12. Il carbonio-12 è stato scelto come riferimento per la scala delle masse atomiche relative
↓
La massa in grammi di una mole di qualunque sostanza elementare o composto è espressa dallo stesso numero che ne esprime la massa atomica o la massa molecolare.
Indichiamo con Mr la massa atomica relativa di un generico elemento chimico. Considerata la definizione di massa atomica relativa, la massa effettiva m di un atomo di questa specie è data dall’espressione
In cui
Una mole di atomi corrisponde a 6.022 x 1023 atomi per cui la massa di una mole di atomi è
La massa atomica relativa espressa in grammi rappresenta la massa di una mole di atomi. Le masse molecolari possono essere espresse in uma o in grammi.
La massa molare è definita come la massa, espressa in grammi, della sostanza divisa per la sua quantità espressa in moli.
Essa ha unità di misura g mol-1.
La relazione tra la massa e la quantità di sostanza si ricava dalla precedente relazione
Quante moli di rame corrispondono a 10.00g di rame?
La massa atomica del rame Cu è 63.55 uma/atomo. Questa può essere espressa anche come massa molare cioè 63.55 g/mol. Di conseguenza la quantità di sostanza si ricava dalla relazione
Quanti atomi ci sono in 10.0 g di carbonio?
La massa atomica del carbonio C è 12.01 uma/atomo. Questa può essere espressa anche come massa molare cioè 12.01 g/mol. Di conseguenza otteniamo prima la quantità di sostanza
Quale dei tre campioni contiene il maggior numero di atomi: 5.00 g di Li, 5.00 g di Co o 5.00 g di Pb?
Le masse atomiche dei tre elementi sono:
Li 6.941 g mol-1 ; Pb 207.19 g mol-1; Co 58.933 g mol-1
Risposta: a parità di massa il litio contiene il maggior numero di atomi.
Quanti ioni sono contenuti in 29.22 g di cloruro di sodio?
Massa formula NaCl: 58.44 g/mol
R: 29.22 g di cloruro di sodio contengono 3.011 1023 ioni Na+ e 3.011 1023 ioni Cl-
Quanti ioni sono contenuti in 13.2 g di solfato di ammonio (NH4)2SO4?
Massa formula (NH4)2SO4 : 132.13 g/mol
(NH4)2SO4 → 2 NH4+ + SO42-
0.100 mol (NH4)2SO4 → 2 · 0.100= 0.200 mol NH4+
1 · 0.100= 0.100 mol SO42-
R: 13.2 g di solfato di ammonio contengono 1.20 1023 ioni NH4+ e 6.02 1022 ioni SO42-.
Al termine di questa lezione lo studente dovrebbe essere capace di:
3. La mole e il numero di Avogadro
5. Equazioni chimiche e stechiometria
6. Le soluzioni: composizione e solubilità
7. Sicurezza in un laboratorio chimico e metodi comportamentali
9. Acidi e Basi
10. Acidi e basi in soluzione acquosa e definizione di pH
11. In laboratorio - II Esperienza: alcune reazioni del rame, pH e solubilità
12. Titolazioni acido base ed indicatori
13. In laboratorio – III Esperienza: uso di indicatori cromatici: titolazione acido forte – base forte.
14. In laboratorio – IV Esperienza: le soluzioni tampone - preparazione e verifica delle loro proprietà
Per acquisire familiarità con il metodo scientifico, si invitano gli studenti a consultare i link presenti nella sezione "Risorse Web".