Nome relatore Introduzione al Corso Prof. A. Citterio Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica "Giulio Natta" http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general-chemistry-lessons/ Chimica Inorganica xxxxx - CCS CHI A.A. 2017/2018 (II° Semestre)
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Introduzione al Corso - iscamapweb.chem.polimi.it · Testi di Chimica Analitica ... • D.A.Skoog, J.J.Leary Chimica Analitica Strumentale EdISES ... I fondamenti della chimica del
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Transcript
Nome relatore
Introduzione al Corso
Prof. A. Citterio Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica "Giulio Natta" http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/it/education/general-chemistry-lessons/
I fondamenti della chimica del corso di CHIMICA devono essere stati assimilati, in particolare sono essenziali conoscenze di base su :
• Stechiometria (bilanci di massa e energia) • Legami chimici inter ed intramolecolari - natura e requisiti
strutturali. Relazioni tra struttura e proprietà della materia. • Termodinamica delle reazioni chimiche omogenee (effetti P, T, e
[conc.] sugli equilibri chimici.) • Stato solido - principali proprietà e strutture. • Stato liquido - proprietà - solvatazione - equilibri multipli • Reazioni acido-base (Ka, pH) ed ossido-riduttive (E°, legge di
Nernst, pile, elettrolisi) • Equilibri eterogenei - Diagrammi di stato - Kps • Cinetica - Catalisi omogenea ed eterogenea.
Nome relatore
Argomenti di Chimica Coperti
• Origine e distribuzione degli elementi. • Scelte nella preparazione di prodotti inorganici e
organici (requisiti chimici ed economici) • Relazioni struttura/proprietà in materiali inorganici e
organici. • Introduzione alla chimica organometallica • Introduzione alla chimica analitica inorganica e
strumentale • Accenni alla bio-inorganica • Tossicità e pericolosità dei composti chimici
Nome relatore
3
6,939 Li
1,007
1 H
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII (Transizione) IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIII
Elementi Presenti nella Crosta Terrestre, Oceano e Atmosfera
12
Crosta Terrestre Oceani Atmosfera (% in peso) (% in peso) (%volume di aria secca)
Ossigeno 49.2% Ossigeno 85.79% Azoto 78.084% Silicio 25.7% Idrogeno 10.67% Ossigeno 20.948% Alluminio 7.5% Cloro 2.07% Argon 0.934% Ferro 4.7% Sodio 1.14% CO2 0.0314% Calcio 3.4% Magnesio 0.14% Neon 0.00182% Sodio 2.6% Tutti gli altri 0.19% Elio 0.00052% Potassio 2.4% Metano 0.0002 Magnesio 1.9% Cripto 0.00011% Titanio 0.6% H2 e N2O 0.00005% Cloro 0.2% Xeno 0.000008%
Nome relatore
Elementi nel Corpo Umano
13
Ordine Elemento % in massa 1 Ossigeno 65 .0 2 Carbonio 18.0 3 Idrogeno 10.0 4 Azoto 3.0 5 Calcio 1.4 6 Fosforo 1.0 7 Magnesio 0.50 8 Potassio 0.34 9 Zolfo 0.26
Ordine Elemento % in massa 10 Sodio 0.14 11 Cloro 0.14 12 Ferro 0.004 13 Zinco 0.003 14 Arsenico tracce 15 Cromo tracce 16 Cobalto tracce ….. altri tracce
Tramite le forze geofisiche, il contatto della crosta terrestre con l'acqua può fornire virtualmente ogni minerale che il nostro corpo richiede (direttamente o indirettamente come cibo) per mantenersi in salute. L’acqua è un mezzo ideale per trasportare le sostanze nutrienti nelle cellule e per sostenere le reazioni chimiche del metabolismo cellulare.
Nome relatore
Minerali nel Latte Umano e di Mucca (per 100 millilitri)
14
Elemento Latte umano* Latte vaccino R Umano/Vaccino
Organi e Tessuti Influenzati da Livelli Tossici di Minerali
Alluminio (Al) Stomaco, Ossa, Cervello Arsenico (As) Cellule (metabolismo cellulare) Cadmio (Cd) Reni, Cuore, Capillari cerebrali, Centri cerebrali dell’appetito e dell’odore; Ogni Processo noto di sviluppo del Cancro. Piombo (Pb) Ossa, Fegato, Reni, Pancreas, Cuore, Cervello, Sistema Nervoso Mercurio (Hg) Sistema Nervoso, Centri cerebrali dell’odore e
dell’appetito e, Sistema Immunitario, Membrane Cellulari
Berillio polmoni e pelle (sensibilizzazione). Cromo (VI) Stomaco e intestino (emorragie), sangue
(emolisi), reni (blocco), polmoni (fibrosi e cancro)
15
Nome relatore
Benefici sulla Salute di Elementi Scelti
Calcio Essenziale nello sviluppo e mantenimento di ossa e denti. Favorisce la coagulazione del sangue, la contrazione dei muscoli, la trasmissione nervosa. Riduce i rischi di osteoporosi.
Cromo Metabolismo del glucosio, regola lo zucchero nel sangue. Cobalto Promuove la Formazione dei globuli rossi. Vitamina B12. Rame Formazione di globuli rossi e tessuto connettivo e nell'attività
cerebrale. Catalizza l’accumulo e il rilascio di ferro (emoglobina). Iodio Richiesto dall’ormone tiroideo per sostenere il metabolismo. Ferro Necessario per la formazione e funzionamento dei globuli rossi.
Importante per le funzioni cerebrali. Magnesio Attiva più di 100 enzimi e aiuta le funzioni di nervi e muscoli. Molibdeno Contribuisce allo sviluppo normale. Fosforo Sviluppa e mantiene ossa e denti. Facilità l’uso di altri nutrienti. Costituente del DNA. Componente della riserva energetica ATP. Potassio Regola il battito cardiaco, mantiene il bilancio dei fluidi e aiuta la
contrazione muscolare. Selenio Componente essenziale di un enzima chiave antiossidante. Zolfo Necessario per le proteine di muscoli e capelli. Zinco Costituente essenziale di più di 200 enzimi implicati nella
digestione, metabolismo, riproduzione e cicatrizzazione.
16
Nome relatore
Zolfo: Fonti e Usi
17
Sorgenti: - desolforazione gas naturale - S8 naturale (processo Frasch) - arrostimento solfuri metallici
S Elementare: forma stabile S8(s)
Ossidi di S : SO2(g) e SO3(g) - importanti nell’inquinamento atmosferico
Industrialmente: Ossidi generati quando servono; ‘stoccati’ come idrato
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)
L’acido solforico è il composto chimico a MAGGIOR VOLUME di produzione (sintesi) (75·106 ton.) (usato per fertilizzanti, raffinazione, produzione di composti chimici)
2 ZnS(s) + 2 O2(g) → 2 ZnO(s) + 2 SO2(g)
Nome relatore
3 Li
1,007
1 H
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIII (Transizione) IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIII
11
Na
37 Rb
19 K
55
Cs 87 Fr
4
Be 12 Mg
38 Sr
20 Ca
56
Ba 88 Ra
39 Y 57
La 89 Ac
40 Zr
22 Ti
72
Hf
Sc 21
41 Nb
23 V
73
Ta
42
Mo
24 Cr
74
W
43
Tc
25 Mn
75
Re
44
Ru
26 Fe
76
Os
45
Rh
27 Co
77
Ir
46
Pd
28 Ni
78
Pt
47 Ag
29 Cu
79
Au
48 Cd
30 Zn
80
Hg
5
B 13 Al
49 In
31 Ga
81
Tl
6
C
Si
50 Sn
32 Ge
82
Pb
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N 15
P
51 Sb
33 As
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53 I
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Rn
2 He
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Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb 71
Lu 58
Ce 59
Pr 60
Nd 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No 103
Lw 90
Th 91
Pa 92
U
14
Atmofili Litofili Calcofili Siderofili Non naturali
16
Elementi : Classificazione Geochimica
Nome relatore
3 Li
1 H
11
Na
37 Rb
19 K
55
Cs 87 Fr
4
Be 12 Mg
38 Sr
20 Ca
56
Ba 88 Ra
39 Y
57
La 89 Ac
40 Zr
22 Ti
72
Hf
Sc 21
41 Nb
23 V
73
Ta
42
Mo
24 Cr
74
W
43
Tc
25 Mn
75
Re
44
Ru
26 Fe
76
Os
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Rh
27 Co
77
Ir
46
Pd
28 Ni
78
Pt
47 Ag
29 Cu
79
Au
48 Cd
30 Zn
80
Hg
5
B 13 Al
49 In
31 Ga
81
Tl
6
C
Si
50 Sn
32 Ge
82
Pb
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P
51 Sb
33 As
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53 I
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54 Xe
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Rn
2
He
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Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb 71
Lu 58
Ce 59
Pr 60
Nd 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No 103
Lw 90
Th 91
Pa 92
U
14
Elettrolisi Riduzione alogenuri con Ca o Mg Liberi in natura Riduzione di ossidi con Al o H2 Riduzione di ossidi con C N.O.
Elementi: Metodi di Ottenimento
Nome relatore
3 Li
1,007
1 H
11
Na
37 Rb
19 K
55
Cs 87 Fr
4
Be 12 Mg
38 Sr
20 Ca
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Ba 88 Ra
39 Y
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La 89 Ac
40 Zr
22 Ti
72
Hf
Sc 21
41 Nb
23 V
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Ta
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Mo
24 Cr
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W
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Tc
25 Mn
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Re
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Ru
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Rh
27 Co
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Ir
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Pd
28 Ni
78
Pt
47 Ag
29 Cu
79
Au
48 Cd
30 Zn
80
Hg
5
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49 In
31 Ga
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Tl
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50 Sn
32 Ge
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P
51 Sb
33 As
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Rn
2
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Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb 71
Lu 58
Ce 59
Pr 60
Nd 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No 103
Lw 90
Th 91
Pa 92
U
14
A. duri A. intermedi A. molli B. dure B. intermedie B. molli B. più molli
Elementi: Classificazione Acidi/Basi molli e duri
Nome relatore
H2O
Li+ Be(OH)2
Na+ Mg2+
K+ Ca2+
Rb+ Sr2+
Cs+ Ba2+
Fr+ Ra2+
Sc(OH)2
Ce3+
ThO2
TiO2
Y3+
Lu3+
RfO2
HfO2
ZrO2
Lr3+
H3V2O7-
Cr(OH)3
Mn2+
Fe(OH)3
Co2+
Ni2+ Cu2+
Zn2+
Nb2O5 MoO4
2- TcO4
2- Rh2O3 Pd(OH)2
Ag+
Cd2+ SnO2
Ta2O5
WO42- OsO2
Au HgO
Tl+
Pb2+
Bi2O3 ? Rn
I- Xe
HAsO42- Br- Kr
Al(OH)3
SO42-
Cl- Ar
B(OH)3 Ne CO2 NO3
- F-
He
La3+ Yb3+
Ac3+
Tm3+ Er3+ Ho3+ Dy3+ Tb3+ Gd3+ Eu3+
Am3+ UO22+
Sm3+ Pm3+ Nd3+ Pr3+
Numero di ossid. stabile pari al gruppo
H2VO4-
Y(OH)3
WO3
MnO2
ReO42-
Numeri di ossidazione più bassi meno stabili
Ru(OH)3
IrO2 PtO2
HCO3-
Ga(OH)3
ln(OH)3
?
Sb2O3
GeO2
SiO2
HPO42-
H2O
SeO42-
HTeO3-
Pa2O3 NpO2+ PuO2
Numero di ossid. stabile pari al gruppo
Numero di ossid.azione stabile minore di 2 del numero del gruppo
Forme degli Elementi in Acqua a pH tra 5.5 e 7
Nome relatore
3 Li
1,007
1 H
11
Na
37 Rb
19 K
55
Cs 87 Fr
4
Be 12 Mg
38 Sr
20 Ca
56
Ba 88 Ra
39 Y
57
La 89 Ac
40 Zr
22 Ti
72
Hf
Sc 21
41 Nb
23 V
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Ta
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Mo
24 Cr
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Tc
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Re
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Os
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Rh
27 Co
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Pd
28 Ni
78
Pt
47 Ag
29 Cu
79
Au
48 Cd
30 Zn
80
Hg
5
B 13 Al
49 In
31 Ga
81
Tl
6
C
Si
50 Sn
32 Ge
82
Pb
7
N 15
P
51 Sb
33 As
83
Bi
8
O 16
S
52 Te
34 Se
84
Po
9
F 17 Cl
53 I
35 Br
85
At
10
Ne 18 Ar
54 Xe
36 Kr
86
Rn
2
He
61
Pm 62
Sm 63
Eu 64
Gd 65
Tb 66
Dy 67
Ho 68
Er 69
Tm 70
Yb 71
Lu 58
Ce 59
Pr 60
Nd 93
Np 94
Pu 95
Am 96
Cm 97
Bk 98
Cf 99
Es 100
Fm 101
Md 102
No 103
Lw 90
Th 91
Pa 92
U
14
1< el. < 4 4 < el. < 10 Non noto
[103 £./kg (marzo 2016)]
10 < el. < 50 50 < el. < 300 300 < el. < 3000
< 1 > 3000
Costi di Ottenimento degli Elementi *
Nome relatore
4 Be
12 Mg
38 Sr
20
Ca
56 Ba
88 Ra
39
Y 57
La 89 Ac
40
Zr
22
Ti
72
Hf
Sc 21
41
Nb
23
V
73
Ta
42
Mo
24
Cr
74
W
43
Tc
25
Mn
75
Re
44
Ru
26
Fe
76
Os
45
Rh
27
Co
77
Ir
46
Pd
28
Ni
78
Pt
47
Ag
29
Cu
79
Au
48
Cd
30
Zn
80
Hg
5 B
13 Al
49 In
31 Ga
81 Tl
IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB
Prima Serie di transizione Seconda Serie di transizione Terza Serie di transizione
IIA IIIB
Elementi di Transizione (Serie d)
Nome relatore
Chimica degli Elementi di Transizione
Rame (Cu) Ferro (Fe) Cromo (Cr)
Diciclopentadienilferro (cp2Fe)
Ione esaacquorame(II) Cu(H2O)6
2+
Esacromocarbonile Cr(CO)6
M C OOrbitale dpieno delmetallo
Orbitale π* del CO (vuoto)
Retro donazioneOH2
OH2
CuOH2
OH2
H2O
H2Oz
1.95 Å
2.38 Å2+
Nome relatore
Principali Fonti Minerarie dei Metalli
Elemento Nomi minerali, formule Ton. /anno Usi
A. Metalli acidi duri Sodio Salgemma, NaCl 90.700.000 NaOH Soda, Na2CO3·10H2O Calcio Calcare, CaCO3 54.400.000 CaO e cemento Gesso CaSO4·2H2O Potassio Silvite, KCl 9.060.000 Fertilizzante Magnesio Acqua di mare, Mg2+(aq) 8.160.000 Metallo Mg Dolomia, MgCO3.CaCO3 Alluminio Bauxite, Al2O3 5.500.000 Metallo leggero Cromo Cromite, FeCr2O4 1.270.000 Leghe con Fe Titanio Ilmenite, FeTiO3 , RutiloTiO2 907.000 Metallo leggero
B. Metalli acidi ”intermedi" Ferro Ematite, Fe2O3 281.000.000 Metallo struttur. Magnetite, Fe3O4, FeCO3 Manganese Pirolusite, MnO2 5.440.000 Leghe con Fe Zinco Sfalerite, ZnS 3.400 Metallo protet. Nichel Pentlandite, (Ni,Fe)9S8 362.000 Leghe con Fe Stagno Cassiterite, SnO2 172.000 Metallo protet. Antimonio Stibnite, Sb2S3 54.500 Leghe con Pb Molibdeno Molibdenite, MoS2 40.800 Leghe con Fe
25
Nome relatore
Principali Fonti Minerarie dei Metalli (2)
Elemento Nomi minerali, Ton. usate/anno Usi
C. Metalli acidi molli Rame Calcopirite, CuFeS2 4.800.000 Materiale elettrico Calcocite, Cu2S Piombo Galena, PbS 2.500.000 Materiale per batterie Mercurio Cinabro, HgS 8.160 Mat. elettr. (NaOH) Argento Argentite, Ag2S 7.250 Fotografia Oro Oro, Au, AuTe2 1.450 Monete, gioielleria Platino Platino, Pt, PtAs2 27 Catalizzatore D. Non metalli basi molli Carbonio Carbone 1.600.000.000 Riducente; Combustibile Zolfo Zolfo, S; Pirite, FeS2 18.100.000 Sintesi Ac. solforico Fosforo Apatite, Ca5(PO4)3OH 6.300.000 Fertilizzanti Bromo Acqua di mare, Br-(aq) 99.700 Organobromo Arsenico Arsenopirite, FeAsS 36.300 Leghe con Pb Enargite,Cu3AsS4 Iodio Salamoie, I- (aq) 3.630 Fotografia, medicina Caliche, NaIO3
26
Nome relatore
Composti Chimici Maggiormente Prodotti (produzione annua in 106 ton.)
N°. Nome Prod./a. Materie Prime Usi
1 Ac. solforico (H2SO4) 75 S8, O2, H2O detergenti, esplosivi, plastiche, pesticidi, farmaceutici, coloranti, accumulatori, e metalli 2 Azoto (N2) 63 Aria ammoniaca, acido nitrico, deriv. N 3 Etilene (C2H4) 48 Petrolio glicol etilenico, etanolo, cloruro di vinile, ossido di etilene, polietilene
Tossicità e Pericolosità dei Composti Chimici (elementi di ecologia e protezione/prevenzione)
34
Laboratorio
Segnaletica
Protezione da incendi
Industria
Rischi rilevanti
Mezzi di protezione e prevenzione
Progettazione
Controllo effluenti
Programmi, normative di salute/sicurezza
Nome relatore
Relazioni di Chimica Inorganica illustrate durante il corso
• Le proprietà "anomale" degli elementi del primo periodo (da Li a F) • Le "anomalie" degli elementi di post transizione (da Ga a Br) • Gli effetti della contrazione lantanidica • Le relazioni diagonali tra Li e Mg, Be e Al, B e Si • L'effetto di coppia inerte nei gruppi principali e la variazione di 2 nel N.O. • La variazione del N.O. di elementi di transizione secondo un fattore 1 • Le variazioni della basicità, acidità, solubilità ecc. lungo periodi e gruppi • Le stabilità relative dei vari stati di ossidazione degli elementi
(Diagrammi di Frost e Volt-equivalenti) • Le variazioni del tipo di legame in funzione della posizione degli elementi
nella tabella periodica e dello stato di ossidazione • Le variazioni di stabilità dei composti e le regolarità nei metodi impiegati
per l'ottenimento degli elementi dai loro composti naturali (minerali) • Gli andamenti regolari nella stabilità dei complessi di coordinazione e
nel potere elettron-donatore di varie leganti nonché in organometallica
35
Nome relatore
Relazioni di Chimica Inorganica illustrate durante il corso (2)
• Ordine nelle molecole organiche indotte da legami ad idrogeno • Organizzazione supramolecolare e clatrati • Proprietà legame C-M negli organometallici • Composti organometallici e Catalisi • Reazioni radicaliche dei composti inorganici e organici • Struttura e Proprietà dei Complessi tra leganti organici e metalli
Relazione tra energie di legame e reattività organica • Variazioni di stabilità dei composti organici e le regolarità nei metodi
impiegati per il loro ottenimento e separazione • Reattività dei sistemi p-greco • Fotofisica e Fotochimica dei composti inorganici
36
Nome relatore
GRANDEZZE IMPORTANTI ! 1) Potenziale di 1a Ionizzazione e Periodicità
Geometria coord.: Planare quadrata (4 N in un piano con l’atomo Cu).
N° coord. = 4 (3 atomi H, 1 atomo Cu)
Geometria coord.: Tetraedrica (4 atomi disposti ai vertici di un tetraedro.
Specie [Cu(NH3)4]2+
• Numero di coordinazione - numero degli atomi direttamente legati (cioè a distanza di legame) ad un dato atomo. è utile Ogni atomo in una molecola analizzarlo in questi termini
• Geometria di coordinazione - disposizione spaziale degli atomi direttamente legati all’atomo centrale e simmetria dell’intorno.
Nome relatore
Struttura degli Elementi allo Stato Solido
40
METALLI Molecole mono o bi- atomiche
H 1
Li 3
Be 4
Na 11
Mg 12
K 19
Ca 20
Rb 37
Sr 38
Cs 55
Ba 56
Fr 87
Ra 88
Sc 21
Ce 58
Th 90
Ti 22
Y 39 La 57
Af 104
Hf 72
Zr 40
Ac 89
V 23
Cr 24
Mn 25
Fe 26
Co 27
Ni 28
Cu 29
Zn 30
Ga 31
Ge 32
Nb 41
Mo 42
Tc 43
Ru 44
Rh 45
Pd 46
Ag 47
Cd 48
In 49
Sn 50
Ta 73
W 74
Re 75
Os 76
Ir 77
Pt 78
Au 79
Hg 80
Tl 81
Pb 82
Bi 83
Po 84
At 85
Rn 86
Sb 51
Te 52
I 53
Xe 54
As 33
Se 34
Br 35
Kr 36
Al 13
Si 14
P 15
S 16
Cl 17
Ar 18
B 5
Ne 10
C 6
N 7
O 8
F 9
He 2
Lu 71
Yb 70
Lr 103
No 102
Md 101
Fm 100
Tm 69
Er 68
Ho 67
Dy 66
Tb 65
Gd 64
Eu 63
Es 99
Cf 98
Bk 97
Cm 96
Am 95
Pu 94
Np 93
U 92
Pa 91
Sm 62
Pm 61
Nd 60
Pr 59
Ha 105
∗
∗∗
Strutture intermedie
Nome relatore
Struttura degli Elementi in Fase Solida (2)
41
Bi
At
Rn 86
Sb
Te
I
Xe 54
As
Se
Br
Kr 36
P
S
Cl
Ar 18
Ne 10
N
O
F
He 2
H 1
0 1
Atomi
Molecole Biatomiche
Se
Molecole ad anello
Catene Piani
o strati
Ga
Ge
In
Sn
Tl
Al
Si
B
C
C
Reticoli tridimensionali
Sn
Pb
2 2 3
Sb
As
P
Cu
Zn
Ag
Cd
Au
Hg
Impaccamento metallico (tridim.)
3 4 5 Numero di
coordinazione > 6
diamante
verde
verde
rosso
viola
giallo
rosso
Molecole tetraedriche
grafite
Nome relatore
3) Coordinazione in Solidi e Reticoli
42
IMPACCAMENTO CUBICO COMPATTO
Cella Unitaria (FCC)
Cubica a Facce Centrate
IMPACCAMENTO ESAGONALE COMPATTO
(HCP)
Tipici Impaccamenti di sfere compatte in solidi metallici.