Alcani e cicloalcani in sintesi

27 11 2011

  In questi primi mesi di lezione, abbiamo affrontato i principali temi della chimica organica prima di passare alla chimica biologica e alla biologia. Alcuni studenti hanno trovato qualche difficoltà perché non hanno riconosciuto e memorizzato alcune regolarità nelle formule chimiche o perché non hanno imparato i vari gruppi funzionali. Cenni sui principali gruppi funzionali e sulle caratteristiche dell’atomo di carbonio sono stati già fatti in un altri post. Cercherò di sintetizzare e schematizzare il primo argomento affrontato: quello degli idrocarburi saturi.

Gli idrocarburi sono un vasto gruppo di sostanze composte esclusivamente da carbonio e idrogeno. Si classificano sostanzialmente in due gruppi: idrocarburi alifatici e idrocarburi aromatici. I primi comprendono alcani, alcheni, alchini e i composti ciclici (cicloalcani, cicloalcheni, …). I secondi sono costituiti dal benzene e dai suoi derivati.

Gli alcani sono idrocarburi saturi in cui gli atomi di carbonio sono uniti solo da legami covalenti semplici. Costituiscono una serie omologa perché ogni termine differisce dal precedente per l’aggiunta di un gruppo CH3 . I primi elementi della serie sono: CH4, metano; C2H6, etano; C3H8, propano; C4H10, butano (dovremmo dire butani, al plurale, perché a partire dal butano inizia il fenomeno dell’isomeria). La formula generale degli alcani è (CnH2n+2) in cui n rappresenta il numero di atomi di carbonio. I primi quattro composti hanno nomi tradizionali che vanno memorizzati. I composti successivi della serie invece si ottengono aggiungendo il prefisso penta, esa, epta,  otta, nona, deca, ecc. in base al numero di atomi di carbonio presenti e mantenendo il suffisso –ano. Rimuovendo un atomo di idrogeno da un alcano, si ottiene un radicale alchilico il cui nome si ottiene sostituendo la desinenza –ano con –ile. I primi radicali alchilici sono: CH3, metile; C2H5, etile; C3H7, propile; C4H9 butile. Per assegnare un nome agli alcani con catena ramificata: a) si numerano gli atomi di carbonio partendo dall’estremità più vicina ad un sostituente; b) si assegna il nome a ciascun gruppo alchilico facendolo precedere dal numero assegnato al carbonio a cui è legato; c) se uno stesso sostituente è presente in diverse posizioni, si usa il prefisso di-, tri-, tetra-, penta-, ecc. d) si assegna il nome completo all’alcano elencando opportunamente, in ordine alfabetico, tutti i sostituenti con i rispettivi numeri e prefissi. Quali sono le principali reazioni chimiche degli alcani? Generalmente sono composti poco reattivi, però danno due reazioni importanti: quella di sostituzione e soprattutto la combustione. In determinate condizioni (elevate temperature o in presenza di raggi U.V., uno o più atomi di idrogeno possono essere sostituiti da uno o più atomi di alogeni con la formazione di un alogenuro alchilico. Ad esempio: C2H6 + Cl2 –> CH3CH2Cl + HCl (reazione di clorurazione). Considerando la loro natura e il fatto che sono derivati del petrolio, spesso nei giacimenti accompagnano questo prodotto. Altre volte formano giacimenti a sé stanti. Il loro uso è soprattutto energetico, infatti dalla loro combustione si sviluppa una considerevole quantità di energia: CH4, + 2O2 –> CO2 + 2H2O + E (802,5 kJ = 191,4 kcal). Il metano costituisce un prodotto di grande importanza per i suoi impieghi come combustibile civile e industriale perché è meno inquinante di altri idrocarburi. Il nostro gas domestico è metano. Anche le due maggiori centrali termoelettriche di Torino, quella di Torino Nord e quella di Moncalieri, bruciano metano. All’aumentare del numero di automobili ibride o funzionanti a metano, lungo le strade e autostrade stanno aumentando anche i distributori di questo idrocarburo. Anche il GPL o Gas di Petrolio Liquefatto è una miscela di alcani a bassa massa molecolare e poiché il suo principale componente è il propano, è detto anche Gas Propano Liquido. Nei comuni accendini e nelle bombole di gas, utilizzate nelle abitazioni non fornite dalla rete di metano, è contenuto GPL. Mentre a pressione e temperatura ambiente è gassoso, aumentando la pressione diventa liquido e si riduce il suo volume. In tal modo è molto più conveniente e pratico il suo trasporto e uso.

I cicloalcani hanno una struttura ad anello perciò sono alcani ciclici. Per semplicità la loro struttura può essere rappresentata con figure geometriche: triangolo (ciclopropano, C3H6), quadrato (ciclobutano, C4H8), pentagono (ciclopentano, C5H10), esagono (cicloesano, C6H12). La formula generale è CnH2n. Gli anelli sono rappresentati da poligoni con tanti vertici (e lati) quanti sono gli atomi di carbonio del composto. Il cicloesano,con le sue due particolari conformazioni, a sedia e a barca, è il cicloalcano più diffuso in natura.

Rivedere gli esercizi svolti con: le formule di struttura di alcani lineari e ramificati, le reazioni di sostituzione, le formule di struttura di alcuni cicloalcani.

Per approfondimenti: libro di testo; oppure:

http://it.wikipedia.org/wiki/Metano

http://it.wikipedia.org/wiki/Alcani

http://it.wikipedia.org/wiki/Idrocarburi

http://it.wikipedia.org/wiki/Gas_di_petrolio_liquefatto

 




I gas nobili

20 11 2011

      “Ci sono, nell’aria che respiriamo, i cosiddetti gas inerti. Portano curiosi nomi greci di derivazione dotta, che significano <<il Nuovo>>, <<il Nascosto>>, <<l’Inoperoso>>, <<lo Straniero>>. Sono, appunto, talmente inerti, talmente paghi della loro condizione, che non interferiscono in alcuna reazione chimica, non si combinano con alcun altro elemento, e proprio per questo motivo sono passati inosservati per secoli: solo nel 1962 un chimico di buona volontà, dopo lunghi ed ingegnosi sforzi, è riuscito a costringere lo Straniero (lo xenon) a combinarsi fugacemente con l’avidissimo, vivacissimo fluoro, e l’impresa è apparsa talmente straordinaria che gli è stato conferito il premio Nobel. Si chiamano anche gas nobili, e qui ci sarebbe da discutere se veramente tutti i nobili siano inerti e tutti gli inerti siano nobili; si chiamano infine anche gas rari, benché uno di loro, l’argon, l’Inoperoso, sia presente nell’aria nella rispettabile proporzione dell’1 per cento: cioè venti o trenta volte più abbondante dell’anidride carbonica, senza la quale non ci sarebbe traccia di vita su questo pianeta.”

Inizia con questo brano, “Argon”, il primo racconto del “Sistema periodico” di Primo Levi, pubblicato la prima volta nel 1975 da Einaudi editore di Torino.

Il brano spiega bene le principali caratteristiche degli elementi dell’ultimo gruppo della Tavola periodica.

A parte l’elio la cui configurazione elettronica è s2 , tutti gli altri hanno configurazione elettronica esterna s2p6 , perciò avendo l’ottetto elettronico esterno completo non hanno alcuna tendenza né a condividere, né a cedere, né ad acquistare elettroni. Quindi non formano molecole biatomiche come diversi altri gas ma sono monoatomici. Ma quali sono i loro usi? L’elio, essendo molto più leggero dell’aria, viene utilizzato per riempire palloni sonda e non è infiammabile come l’idrogeno, che però è ancora più leggero. Il neon ha trovato un vasto impiego nei tubi per l’illuminazione, dove è contenuto a bassa pressione e innescato da una scintilla elettrica, emette una luce che va dall’arancio al rosso (luce fredda, senza emissione di calore). Se insieme al neon sono mischiati in tracce altri gas nobili, si ottengono colori diversi. L’argon, fra i gas nobili, è il più abbondante nell’aria. Veniva utilizzato nei bulbi delle lampadine ad incandescenza, ormai quasi del tutto sostituite da quelle a risparmio energetico. Il kripton (il nascosto) si ottiene anche dalla fissione dell’uranio nelle centrali nucleari. È stato utilizzato nei flash delle macchine fotografiche. Lo xenon (lo straniero), nelle lampade è responsabile della luce azzurra. Ormai molte automobili hanno i fari allo xenon (il cui costo è più elevato rispetto ai fari normali) dalla caratteristica luce azzurra. Un suo isotopo viene anche utilizzato in apparecchi elettromedicali per ottenere immagini a risonanza magnetica di parti del corpo umano. Il radon è stato scoperto proprio da Pierre e Marie Curie nel 1898 ed è radioattivo, infatti si ottiene dal decadimento del radio con l’eliminazione di una particella alfa (corrisponde a un nucleo di elio) che a sua volta si genera dal decadimento dell’uranio. Un suo isotopo è utilizzato nella radioterapia. Da alcune decine d’anni il radon viene anche monitorato come precursore sismico. Nell’ultimo terremoto che ha colpito L’Aquila ci sono state molte polemiche sulla scarsa attenzione riservata all’emissione di questo gas dal sottosuolo. Proprio per la sua radioattività è cancerogeno per inalazione e, purtroppo, non viene percepito dai nostri sensi. Per questo motivo bisogna arieggiare, quando possibile, cantine, tavernette e luoghi chiusi a contatto col terreno in generale, dove il radon tende ad accumularsi. La concentrazione di questo gas emesso dal suolo varia da regione a regione, soprattutto in relazione alla presenza nella zona di rocce o suolo contenente uranio. L’ente preposto alla misurazione della concentrazione di radon è l’Agenzia Regionale per l’Ambiente e secondo uno studio del Dipartimento di medicina del lavoro, in Italia dopo il fumo di tabacco, il radon costituisce la seconda causa di tumore al polmone. Dal decadimento radioattivo del radon si formano altri due elementi molto tossici: polonio e bismuto.

Radon per la previsione dei terremoti Video importato
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Per approfondire il problema dei rischi e della prevenzione da radon: http://it.wikipedia.org/wiki/Radon

http://w3.uniroma1.it/medicinadellavoro/Struttura/Articoli/Nuova%20cartella/radon.pdf

Volume: Il radon, rischi e prevenzione, di Rizzo Martino M., ed. UNI Service, 2007, 14,50 euro

Il radon in Italia: Guida per il cittadino. http://www.ispesl.it/ossvita/pdf/radon.pdf




Ioduro di potassio e nitrato di piombo

11 11 2011

   Nelle trasformazioni e reazioni chimiche, al contrario delle trasformazioni fisiche, avvengono profonde trasformazioni della materia che fanno cambiare le sostanze di partenza producendone altre.

Le reazioni chimiche possono essere classificate in quattro gruppi principali:

  1. Reazioni di sintesi o combinazioni: due reagenti si combinano e danno un unico prodotto.
  2. Reazioni di decomposizione: una sostanza si scompone in due o più componenti.
  3. Reazione di semplice scambio: un elemento ne sostituisce un altro in un composto e si ottiene un elemento diverso e un nuovo composto.
  4. Reazione di doppio scambio: due composti si scambiano i rispettivi componenti formando due nuovi composti.

L’ultima attività di laboratorio ha riguardato proprio una reazione di doppio scambio. I vari gruppi di lavoro hanno utilizzato ciascuno una certa quantità di due sostanze: nitrato di piombo Pb(NO3)2 e ioduro di potassio KI, entrambe in soluzione acquosa. Le immagini a sinistra, realizzate da Chiara nel suo gruppo, colgono alcuni momenti dell’esecuzione. Mescolando le due soluzioni incolori (miscuglio omogeneo) è stato osservato una nuova sostanza (un precipitato) insolubile in acqua, perciò il miscuglio è diventato eterogeneo. L’aspetto più appariscente è stato il cambiamento di colore. La reazione avvenuta può essere rappresentata dalla seguente equazione chimica:

Pb(NO3)2 + KI   –>  PbI2(precip.) + KNO3

Il precipitato grumoso giallo è lo ioduro di piombo che, col tempo, si stratifica sul fondo del becher. Nella relazione sull’attività svolta dovresti indicare (se non è stato già fatto): il titolo; l’elenco dei materiali, nel caso di strumenti di misura anche la loro portata e la sensibilità; il procedimento seguito; le osservazioni e le conclusioni con gli opportuni riferimenti agli aspetti teorici. Dovresti anche: bilanciare l’equazione; chiarire se è stata rispettata la legge di conservazione della massa, motivandola con i dati rilevati; individuare reagenti e prodotti; spiegare il ruolo svolto dall’acqua nella reazione.

 




Legge di Proust e legge di Dalton

9 11 2011

    Insieme alla legge di conservazione della massa (legge di Lavoisier), sono le leggi fondamentali della chimica. La legge di Proust venne enunciata nel 1806 ed è detta anche legge delle proporzioni definite. Iniziamo con alcuni esempi.

Dalla reazione di decomposizione dell’acqua mediante elettrolisi sappiamo che il rapporto in massa tra l’ossigeno e l’idrogeno che si ottengono è di 7.93 a 1,00. Quindi 8,93 grammi d’acqua si scompongono in 7,93 grammi di O2 e 1,00 grammi di H2 . Nella reazione di sintesi della pirite, sappiamo che 1,1 grammi di zolfo si combinano con 1,0 grammi di ferro per formare 2,1 grammi di pirite (disolfuro di ferro). Il cloruro sodico ottenuto nelle saline mediante evaporazione dell’acqua di mare, ovunque si trovino le saline, è formato sempre dal 60,7% di cloro e dal 39,3% di sodio. Questa composizione non cambia nel cloruro di sodio del salgemma ricavato dalle miniere.

Usando i simboli:

H2O (8,93 g) –> O2 (7,93 g) + H2 (1,00 g)

S8 (1,1 g) + Fe (1,0 g) –> FeS2 (2,1 g)               [N.B. i simboli non sono bilanciati]

NaCl (100 g) –> Na (39,3 g) + Cl (60,7 g)

     In definitiva, la composizione chimica dei composti, ionici o molecolari, è ben definita e fissa. Si tratta di una caratteristica del composto in questione, immutabile, indipendentemente dal modo in cui il composto è stato ottenuto. A differenza dei miscugli che si possono formare unendo le sostanze in qualsiasi proporzione, i composti si ottengono dalla combinazione di elementi con una precisa regolarità. Questa regolarità è stata espressa da  Joseph Louis Proust (1754-1826) con la seguente legge: La composizione chimica di ogni composto, cioè la percentuale degli elementi che lo formano, è definita, costante e caratteristica.

   La legge di Dalton (John Dalton 1766-1844) è detta anche legge delle proporzioni multiple e venne enunciata solo un anno dopo quella di Proust, nel 1807. In quegli stessi anni 1907-1808 Dalton arrivò anche alla formulazione della sua teoria atomica, la prima della chimica moderna, sintetizzabile nei seguenti punti:

1.      tutta la materia è costituita da microscopiche particelle indivisibili: gli atomi;

2.      gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali e hanno le stesse proprietà chimiche;

3.      gli atomi di elementi diversi sono differenti e hanno proprietà diverse;

4.      nelle reazioni chimiche gli atomi rimangono inalterati ma si combinano in modo diverso

5.      gli atomi di elementi diversi si combinano secondo precisi rapporti numerici semplici;

6.      gli atomi di alcuni elementi possono combinarsi in più rapporti ma sempre ben definiti.

Per chiarire il concetto di proporzioni multiple ritorniamo all’esempio della composizione dell’acqua. Trasformando la massa in percentuale, l’acqua è formata per l’11,2% da idrogeno e l’88,8% da ossigeno. Ma idrogeno e ossigeno possono combinarsi anche con un rapporto diverso per formare il perossido di idrogeno H2O2 (o acqua ossigenata). In questo caso la composizione percentuale è 5,9% di idrogeno e 94,1% di ossigeno. Anche carbonio e ossigeno si combinano in proporzioni differenti per formare composti diversi. Ad esempio 1,00 g di C si combinano con 1,33 g di O per formare 2,33 g di monossido di carbonio (CO), un gas velenoso di cui si sente spesso parlare nelle notizie di cronaca. Ma 1,00 g di C si combina anche con 2,66 g di O per formare 3,66 g di diossido di carbonio (CO2). Vediamo anche il caso di due composti organici ternari: il metanolo (CH3OH) e l’etanolo (CH3CH2OH). Nel primo caso abbiamo il 37,5% di C; il 12,6% di H; il 49,9% di O. L’etanolo invece è costituito dal 52,1% di C; il 13,1% di H e il 37,4% di O. Questi esempi dimostrano che gli stessi elementi possono combinarsi in proporzioni differenti, sempre ben definite, per formare composti diversi.

Tutto il vasto gruppo degli idrocarburi, sia saturi che insaturi, composti organici formati esclusivamente da atomi di carbonio ed idrogeno uniti da legami covalenti, sono una delle tante testimonianze della legge delle proporzioni multiple.

Nelle immagini: pirite e cristallo di salgemma.