CORSO DI CHIMICA E PROPEDEUTICA BIOCHIMICA
PRIMA FACOLTA' DI MEDICINA E CHIRURGIA - CLM "B"
SAPIENZA UNIVERSITA' DI ROMA


REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE

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      Le reazioni di ossido-riduzione comportano il trasferimento di elettroni da un donatore (il riducente) ad un accettore (l'ossidante). Il trasferimento di elettroni e' evidente quando e' completo (ad esempio quando due elementi nel loro stato elementare si combinano per formare un composto ionico). Ad es. nella reazione
4 Na + O2 --> 2 Na2O
gli atomi dei reagenti hanno carica netta uguale a zero mentre il prodotto e' una molecola ionica formata da ioni Na+ e ioni ossido O-2. Lo stesso avviene nell'ossidazione dei metalli da parte degli acidi:
2 H3O+ + Fe --> H2 + 2 H2O + Fe+2
In questa reazione il ferro metallico cede due elettroni a due ioni idorgeno (che vengono convertiti in una molecola di idrogeno gassoso) e si trasforma nello ione ferroso.
      Quando il trasferimento elettronico e' soltanto parziale (cioe' quando il prodotto e' una molecola polare ma non ionica) l'ossido-riduzione puo' essere ugualmente presente ma e' meno evidente. Ad es.:
H2 + Cl2 --> 2 HCl
In questa reazione due legami covalenti omopolari (H-H e Cl-Cl) si trasformano in due legami fortemente eteropolari (H-Cl) con trasferimento parziale di un elettrone da H a Cl).

NUMERO DI OSSIDAZIONE

      Per semplificare l'analisi del trasferimento di elettroni (soprattutto in quei casi nei quali non e' evidente), si assegna ad ogni atomo in ogni molecola dei reagenti e dei prodotti una carica fittizia, il suo numero di ossidazione (n.o.); una reazione e' una ossido-riduzione se due o piu' atomi cambiano il loro numero di ossidazione (non e' possibile che sia un solo atomo a cambiare il suo numero di ossidazione perche' questo violerebbe il principio di conservazione della carica).
      Il numero di ossidazione e' la carica che l'atomo avrebbe se i legami covalenti presenti nella molecola fossero trasformati in legami ionici. Ad esempio nella molecola di HCl che presenta un legame fortemente polare, la carica formale dell'idrogeno e' +1 e quella del cloro e' -1: n.o.=1H - Cln.o.=-1.
      Per assegnare ad ogni atomo di una molecola il suo numero di ossidazione si puo' procedere in due modi:
1) si scrive la formula di struttura, si considera ogni legame tra atomi diversi come se fosse ionico e si assegnano gli elettroni di legame all'atomo piu' elettronegativo (tenendo conto che in genere uno era gia' suo mentre l'altro veniva dall'altro atomo).
2) si considera la sola formula bruta e si applicano le seguenti regole:
      2a) la somma dei n.o. deve corrispondere alla carica netta totale della molecola o dello ione considerato;
      2b) ogni elemento nel suo stato elementare ha n.o. = 0
      2c) l'idrogeno ha n.o. = +1 in tutti i composti tranne H2 dove ha n.o. = 0 (per la regola 2b) e negli idruri metallici dove ha n.o. = -1.
      2d) l'ossigeno ha n.o. = -2 in tutti i composti tranne O2 dove ha n.o. = 0 e i perossidi dove ha n.o. = -1
      2e) i metalli alcalini (I gruppo della tavola periodica) hanno sempre n.o. = +1 tranne che nel loro stato metallico dove hanno n.o. = 0
      2f) i metalli alcalino-terrosi (II gruppo) hanno sempre n.o. = +2 tranne che nel loro stato metallico dove hanno n.o. = 0.

      ESEMPI DEL CALCOLO DEL NUMERO DI OSSIDAZIONE:
NH3: H ha n.o. = +1; la molecola ha carica netta uguale a zero quindi N ha n.o. = -3 e -3 + 1x3 = 0.
H2SO4: H ha n.o. = +1; O ha n.o. = -2; la molecola ha carica netta uguale a zero quindi S ha n.o. = +6 e 6 + 1x2 -2x4 = 0.
CO2: O ha n.o. = -2; la molecola ha carica netta uguale a zero quindi C ha n.o. = +4
HCO3-: H ha n.o. = +1; O ha n.o. = -2; lo ione poliatomico ha carica netta -1 quindi C ha n.o. = +4 e 4 + 1 -2x3 = -1
CH4: H ha n.o. = -1; la molecola ha carica netta uguale a zero, quindi C ha n.o. = -4.

      Esempio di calcolo del numero di ossidazione dalla formula di struttura: l'acido nitroso ha la formula di struttura H-O-N=O nella quale vanno considerati singolarmente i legami chimici. Il legame H-O e' covalente polare quindi l'idrogeno (meno elettronegativo) cede il suo elettrone all'ossigeno (piu' elettronegativo; si consultino i valori di elettronegativita' riportati nella tavola periodica); l'idrogeno ha quindi n.o.=+1. Il legame O-N e' covalente polare e l'azoto cede un elettrone all'ossigeno; quindi, tenendo conto anche del reagionamento precedente, l'ossigeno ha n.o.=-1-1=-2. Il doppio legame N=O e' covalente polare e quindi l'azoto cede due elettroni all'ossigeno (uno attraverso il legame sigma, l'altro attraverso il legame pi); tenendo conto del ragionamento precedente si ottiene: N ha n.o.=+1+2=+3; O ha n.o.=-2. La somma dei n.o. risulta: +1-2+3-2=0, corretta per gli atomi di una molecola priva di carica netta.

COPPIE OSSIDO-RIDUTTIVE

      Due molecole nelle quali lo stesso atomo compare con n.o. diverso costituiscono una coppia ossido-riduttiva (o redox), purche' possano essere rispettivamente il reagente ed il prodotto di una sola reazione di ossido-riduzione. Sono esempi di coppie redox:
Cl2 / Cl- e H2 / H+ nella reazione Cl2 + H2 --> 2 HCl
Fe / Fe+2 e H2 / H+ nella reazione Fe + 2 H+ --> Fe+2 + H2
Cl2 / Cl- e Fe+3 / Fe+2 nella reazione 2 Fe+2 --> 2 Fe+3 + 2 Cl-

      Alcuni elementi fanno due coppie redox (e talvolta anche di piu', ma la coppia non e' mai tra gli stati di ossidazione estremi: ad esempio il ferro fa almeno due coppie redox (in realta' di piu' ma le altre sono meno comuni): Fe / Fe+2 e Fe+3 / Fe+2, ma non c'e' coppia redox tra Fe e Fe+3; se noi mescoliamo Fe e Fe+3 (ad es. nella forma del cloruro ferrico FeCl3) si osserva la seguente reazione di ossido-riduzione:
Fe + 2 Fe+3 --> 3 Fe+2
nella quale il ferro metallico si ossida a ferro ferroso (Fe+2) ed il ferro ferrico (Fe+3) si riduce a ferro ferroso; le coppie redox sono quindi Fe / Fe+2 e Fe+3 / Fe+2. La reazione e' praticamente irreversibile e consuma tutto il reagente in difetto; alla fine ci si ritrovera' con una sola coppia redox del ferro (Fe / Fe+2 se era in difetto Fe+3; oppure Fe+3 / Fe+2 se era in difetto Fe).

      UNA REAZIONE DI OSSIDO-RIDUZIONE COMPORTA LO SCAMBIO DI UNO O PIU' ELETTRONI TRA DUE COPPIE REDOX.
      La teoria delle ossido-riduzioni e' analoga alla teoria degli acidi e delle basi di Bronsted e Lowry: nella prima si ha lo scambio di uno o piu' elettroni tra un donatore (il riducente) e un accettore (l'ossidante); nella seconda lo scambio di uno ione idrogeno tra un donatore (l'acido) e un accettore (la base). In effetti la teoria di Bronsted e Lowry fu modellata su quella delle ossido-riduzioni. E' importante notare una differenza: gli ioni idrogeno devono essere scambiati uno solo alla volta mentre gli elettroni possono essere scambiati anche due o tre per volta. Si consideri il seguente esempio:
n.o.=0O2 + 2 n.o.=0H2 --> n.o.=+1H2On.o.=-2
In questa reazione l'idrogeno e' il donatore di elettroni e l'ossigeno ne e' l'accettore; le coppie sono H2 / H2O e O2 / H2O . Infatti si ha:
Idrogeno: n.o.=0 in H2; n.o.=+1 (formalmente corrispondente allo ione H+) in H2O
Ossigeno: n.o.=0 in O2; n.o.=-2 (formalmente corrispondente allo ione ossido, O-2) in H2O

      STATI OSSIDATI E RIDOTTI. Il membro di una coppia redox che presenta il numero di ossidazione piu' basso (meno positivo o piu' negativo) e' quello piu' ricco di elettroni e si chiama lo stato (o specie o forma) ridotto della coppia; quello che presenta il numero di ossidazione piu' alto (piu' positivo o meno negativo) e' quello piu' povero di elettroni e si chiama lo stato ossidato. Ad esempio nella reazione precedente le coppie erano H2 / H2O per l'idrogeno e O2 / H2O per l'ossigeno; in queste:
H2 e' lo stato ridotto dell'idrogeno (con n.o.=0) e H2O (che contiene formalmente lo ione H+ ed ha quindi n.o.=+1) ne e' lo stato ossidato
O2 e' lo stato ossidato dell'ossigeno (con n.o.=0) e H2O (che contiene formalmente lo ione O-2 ed ha quindi n.o.=-2) ne e' lo stato ridotto.

      OSSIDANTI E RIDUCENTI. Riassumendo quanto detto finora, la reazione redox comporta uno scambio di elettroni tra un donatore, che e' la specie ridotta della prima coppia redox, ed un accettore che e' la specie ossidata della seconda coppia redox. I prodotti di reazione sono la specie ossidata della prima coppia redox e la specie ridotta della seconda. Consegue che la specie ridotta della prima coppia redox riduce la specie ossidata della seconda ed e' pertanto chiamata il riducente; nel corso della reazione si ossida. Allo stesso tempo la specie ossidata della seconda coppia redox ossidala specie ridotta della prima ed e' pertanto chiamata l'ossidante; nel corso della reazione si riduce.

      SEMIREAZIONI. Gli elettroni (come gli ioni idrogeno) non si trovano mai isolati; ciononostante si possono scrivere le reazioni redox dividendole in due semireazioni, una di ossidazione e l'altra di riduzione, ciascuna a carico di una sola coppia redox.Ogni reazione redox deve contenere due di tali semireazioni, in una delle quali (quella di ossidazione) gli elettroni appaiono tra i prodotti, nell'altra (riduzione) tra i reagenti. Ad esempio:
O2 + 2 H2 --> 2 H2O
viene scomposta in:
semirazione di ossidazione: 2 H2 --> 4 H+ + 4 e-
semirazione di riduzione: O2 + 4 e- --> 2 O-2
E' sempre preferibile (ma non obbligatorio) scrivere le semireazioni della stessa reazione redox in forma bilanciata, cioe' avendo cura che gli elettroni liberati nella semireazione di ossidazione siano lo stesso numero di quelli utilizzati nella semireazione di riduzione (ovvero avrei potuto scrivere l'ossidazione come H2 --> 2 H+ + 2 e- ma ho preferito invece moltiplicare per 2 e bilanciare gli elettroni con quelli necessari alla riduzione).

PILE ELETTROCHIMICHE

      In alcuni casi e' possibile separare le due semireaizone di una ossidoriduzione e far passare i soli elettroni dall'una all'altra attraverso un filo conduttore metallico. Ad esempio la reazione:
Zn + Cu+2 --> Zn+2 + Cu
puo' essere scomposta nelle due semireazioni:
Zn --> Zn+2 + 2 e-
Cu+2 + 2 e- --> Cu
Le due coppie Cu/Cu+2 e Zn/Zn+2 sono separate in contenitori distinti (semicelle), ma connessi da un filo metallico e sono i soli elettroni a trasferirsi dallo zinco al rame attraverso il filo. Pertanto la reazione puo' avvenire anche in assenza del mescolamento diretto tra ossidante e riducente.


      POTENZIALI DI OSSIDO-RIDUZIONE
La tendenza di ogni elemento ad ossidarsi o a ridursi ha a che fare con la sua elettronegativita', affinita' elettronica ed energia di ionizzazione, e puo' essere misurata sfruttando una pila. Essa corrisponde al potenziale elettrostatico che la coppia e' in grado di generare. Poiche' pero' la reazione redox (e la pila) richiedono due coppie redox, mentre il potenziale di interesse e' quello di ogni singola coppia redox, e' necessario utilizzare una coppia di riferimento e misurare la tendenza di ogni elemento a ossidarsi o ridursi rispetto a quella. Come riferimento si usa per convenzione la coppia H+/H2, alla quale viene assegnato il potenziale convenzionale di 0 Volt.
Per determinare il potenziale ossido-riduttivo standard di ogni coppia redox, occorre utilizzare la coppia in questione per costruire una pila che contenga in una semicella la coppia in questione e nell'altra la coppia di riferimento. La differenza di potenziale che si misura tra i due elettrodi corrisponde allora al potenziale standard della prima coppia in quanto quello della seconda e' per convenzione uguale a zero.
Il potenziale redox viene espresso per la reazione di riduzione (acquisto di elettroni); un potenziale negativo indica tendenza a cedere gli elettroni all'elettrodo di riferimento (a idrogeno), uno positivo tendenza ad acquistare elettroni sottraendoli all'elettrodo di riferimento. Si noti che questa convenzione, essendo gli elettroni negativi, assegna (in modo molto logico) potenziale negativo alle coppie che respingono gli elettroni, e positivo a quelle che li attraggono. La scala dei potenziali redox e' riportata in tabelle ordinate per il potenziale, nella forma:
coppia redox e semirezionepotenziale standard
Li+ + e- --> Li-3,02 V
K+ + e- --> K-2,92 V
Ca+2 + 2 e- --> Ca-2,87 V
Al+3 + 3 e- --> Al-1,66 V
2 H2O + 2 e- --> 2 OH- + H2-0,83 V
Zn+2 + 2 e- --> Zn-0,86 V
Fe+2 + 2 e- --> Fe-0,44 V
......
Fe+3 + e- --> Fe+2+0,77 V
O2 + 4 H+ + 4 e- --> H2O+1,23 V
Cl2 + 2 e- --> 2 Cl-+1,36 V
H2O2 + 2 H+ + 2 e- --> 2 H2O+1,77 V
F2 + 2 e- --> 2 F-+2,80 V

Un potenziale redox standard positivo indica che a condizioni standard l'elemento considerato, nella semireazione considerata, sottrae elettroni all'idrogeno e lo ossida (cioe' converte H2 in 2 H+); un potenziale negativo indica che l'elemento riduce l'idrogeno (cioe' converte 2 H+ in H2). Pertanto: alti valori di E0 caratterizzano gli agenti ossidanti (ad es. F2, Cl2, O2); bassi valori di E0 caratterizzano i riducenti (ad es. K, Ca, Li).

      EQUAZIONE DI NERNST
L'equazione di Nernst consente di calcolare il potenziale redox di semicella, in condizioni diverse da quelle standard:
E = E0 + (RT / nF) ln ([specie ossidata]o / [specie ridotta]r)
In questa equazione l'esponente (o/r) indica il coefficiente stechiometrico della specie considerata nella semireazione; R e' la costante dei gas espressa pero' nella forma del lavoro elettrico (V.A); n e' il numero di elettroni scambiati nella semireazione e F e' il numero di Faraday (cioe' la carica associata ad un numero di Avogadro di elettroni, pari a 96500 Coulomb). E risulta misurato in Volt e costituisce il potenziale di semicella. Il termine RT/F e' costante (se si usa la temperatura standard di 298 K) e, moltiplicato per il fattore di conversione dei logaritmi dalla base naturale a quella decimale, vale 0,06; questo porta alla formula semplificata:
E = E0 + 0,06/n log ([specie ossidata]o / [specie ridotta]r)

      FORZA ELETTROMOTRICE (f.e.m.). La forza elettromotrice dalla pila e' data dalla differenza tra i potenziali di semicella e non puo' mai essere minore di zero. Per calcolarla si applica l'equazione di Nernst a ciascuna delle due semicelle e si ottengono i due potenziali E1 ed E2; poi si sottrae il minore dal maggiore per ottenere: f.e.m. = E1 - E2 (supponendo che E1 > E2). Se le due semireazioni scambiano lo stesso numero di elettroni e' anche possibile sottrarre l'una dall'altra le due equazioni di Nernst delle semicelle ed ottenere l'equazione di Nernst dell'intera pila elettrochimica:
f.e.m. = E1 - E2 = E0,1 - E0,2 + 0,06/n log ([specie ossidata1]o [specie ridotta2]r / [specie ridotta1]r [specie ossidata2]o)
Poiche' i termini delle concentrazioni compaiono in un logaritmo e questo e' moltiplicato per il numero (piccolo) 0,06, in pratica e' abbastanza raro che la f.e.m. sia significativamente diversa dalla differenza tra gli E0: questo accade quando le concentrazioni delle specie chimiche sono straordinariamente grandi o straordinariamente piccole e nelle pile a concentrazione (vedi oltre).

      FUNZIONE DEL PONTE SALINO. Il funzionamento della pila richiede la presenza di un ponte salino che colleghi le due semicelle. Infatti, quando si chiude il circuito elettrico, l'anodo cede elettroni (cioe' cariche negative) al catodo, attraverso il filo metallico che collega i due elettrodi. Questo comporta che la semicella dell'anodo tende ad assumere carica positiva, quella del catodo carica negativa: si instaura cioe' una differenza di potenziale elettrostatico tra i ude elettrodi che ha verso opposto alla differenza del potenziale elettrochimico. In assenza del ponte salino, dopo brevissimo tempo, la differenza del potenziale elettrostatico diventerebbe uguale a quella del potenziale elettrochimico e il flusso degli elettroni sarebbe arrestato. Il ponte salino cede ioni di segno positivo o negativo, che sono attratti dalla carica elettrostatica netta vigente nelle semicelle, e questi neutralizzano la differenza di potenziale elettrostatico man mano che questa tende a formarsi, permettendo di protrarre il funzionamento della pila.

      PILE A CONCENTRAZIONE.
L'equazione di Nernst dimostra che e' possibile produrre corrente anche utilizzando una pila le cui due semicelle contengono la stessa coppia redox, purche' le concentrazioni siano diverse; in questo caso la differenza tra gli E0 e' nulla e la f.e.m. della pila risulta:
f.e.m. = 0,06/n log ([specie ossidata1]o [specie ridotta2]r / [specie ridotta1]r [specie ossidata2]o)
Un caso particolare di pila a concentrazione e' la pila a idrogeno, nella quale la coppia e' H+/H2 e la specie ridotta in entrambe le semicelle e' il gas H2 che gorgoglia attraverso un elettrodo inerte di platino alla pressione di 1 atm; i termini [specie ridotta1] e [specie ridotta2] sono uguali e quindi l'equazione di Nernst della pila si riduce a:
f.e.m. = 0,06/1 log ([H3O+ 1] / [H3O+ 2]) = 0,06 (pH2 - pH1)

      MISURA POTENZIOMETRICA DELLA CONCENTRAZIONE DI IONI. Una applicazione importante delle pile e' la misura della concentrazione di ioni per i quali e' possibile stabilire una semireazione di ossidoriduzione. Si consideri ad esempio la pila ad idrogeno analizzata sopra: se noi costruiamo una pila di questo genere utilizzando una semicella della quale il pH e' noto (ad es. una soluzione di HCl 0,1 M nella semicella 1 che ci dara' pH1 = 1) e' possibile misurare la f.e.m. e da questa determinare il pH della soluzione presente nell'altra semicella che risulta:
pH2 = (f.e.m. + 0,06 pH1) / 0,06
Nel laboratorio clinico i metodi potenziometrici sono utilizzati per la determinazione della concentrazione di molti degli elettroliti presenti nel sangue. Si deve inoltre considerare che una notevole semplificazione sperimentale e' possibile ricorrendo ad elettrodi a membrana che scambiano tra loro alcuni ioni in modo selettivo: ad esempio il pHmetro possiede un elettrodo che scambia ione H+ con ione K+ ed e' quest'ultimo ad essere effettivamente misurato al posto del primo (con il vantaggio di non aver bisogno di una bombola di idrogeno gassoso connessa all'elettrodo).

      RELAZIONE TRA F.E.M. E COSTANTE DI EQUILIBRIO DELLA REAZIONE DI OSSIDORIDUZIONE. Una pila elettrochimica genera corrente elettrica soltanto fino a quando le concentrazioni delle specie presenti nelle due semicelle sono diverse dalle concentrazioni di equilibrio; questo comporta che esiste una relazione tra i valori degli E0 e la costante di equilibrio. Per illustrare questa relazione supponiamo di avere due semicelle nelle quali avvengono le semireazioni:
Ox1 + 1 e- → Red1
Ox2 + 1 e- → Red2
con i potenziali standard E0,1 ed E0,2; e sia E0,1 > E0,2.
L'equazione di Nernst ci da i potenziali di semicella:
E'1 = E0,1 + (RT/nF) ln ([Ox1]/[Red1])
E'2 = E0,2 + (RT/nF) ln ([Ox2]/[Red2])
Purche' siano stati uguagliati i valori di n delle due semireazioni (in questo esempio erano uguali fin dall'inizio) e' possibile sottrarre membro a membro le due equazioni e ottenere l'equazione di Nernst per la pila:
f.e.m. = (E0,1 - E0,2) + (RT/nF) ln ([Ox1] [Red2] / [Ox2]/[Red1])
Osserviamo che il termine del quale si prende il logaritmo ha la stessa forma della costante di equilibrio della reazione redox:
Ox2 + Red1 ↔ Ox1 + Red2
Osserviamo inoltre che la f.e.m. si azzera quando il termine del quale si prende il logaritmo uguaglia la Keq; pertanto:
(E0,1 - E0,2) + (RT/nF) ln Keq = 0
questo ci da:
ln Keq = -(E0,1 - E0,2) / (RT/nF)
Pertanto e' possibile ricalcolare la Keq di una reazione di ossidoriduzione a partire dai valori degli E0 delle sue semireazioni.
Nota: la procedura qui descritta richiede di uguagliare il numero di elettroni scambiato nelle due semireazioni. Questo può richiedere una trasformazione opportuna. Ad esempio il semielemento Fe/Fe+2 scambia 2 elettroni, quello Fe+2/Fe+3 ne scambia uno solo. La semireazione di quest'ultimo semielemento e':
Fe+3 + e- → Fe+2
la cui equazione di Nernst e':
E' = 0,77 + RT / F ln ([Fe+3] / [Fe+2])
Per bilanciare questa semireazione con quella di un semielemento che scambia 2 elettroni si deve riscrivere la semireazione in questo modo:
2 Fe+3 + 2 e- → 2 Fe+2
la cui equazione di Nernst e':
E' = 0,77 + RT / 2F ln ([Fe+3]2 / [Fe+2]2)

      REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE CHE NON POSSONO AVVENIRE NELLE PILE. E' sempre possibile scomporre una reazione di ossido-riduzione in due semireazioni teoriche, ma non e' sempre possibile ottenere due semireazioni realizzabili in pratica ed utilizzabili in una pila elettrochimica. Di conseguenza non e' sempre possibile ricavare l'energia di una reazione redox attraverso una pila o misurare con metodi potenziometrici la concentrazione di una sostanza capace di ossido-riduzione. Un esempio di reazione di questo tipo e' la combustione del metano:
CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O
Il calcolo dei numeri di ossidazione di ciascun elemento ci dimostra che la reazione e' una ossidoriduzione e che le coppie redox sono C-4/C+4 (oppure C in CH4/C in CO2) e O0/O-2 (oppure O in O2/O in H2O e in CO2). Quando scriviamo le semireazioni per le coppie CH4/CO2 e O2/CO2, ci accorgiamo subito che queste contengono un termine comune e non possono essere separate; ovvero, anche se in teoria possiamo scrivere:
C-4 --> C+4 + 8 e-
O2 + 4 e- --> 2 O-2
in pratica non possiamo separare la specie chimica che contiene il C+4 (la CO2) da una di quelle che contengono lo ione ossido O-2 (la stessa CO2). Questo implica che le semireazioni non possono essere separate e non possono essere fatte avvenire in due distinte semicelle. Il problema e' rilevante dal punto di vista tecnologico perche' il rendimento termodinamico della pila e' circa il 95% mentre quello della combustione e' soltanto del 30%: se fosse possibile generare energia elettrica facendo avvenire la combustione del metano in una pila se ne otterrebbe molta di piu' che in una centrale termoelettrica convenzionale.

OSSIDO-RIDUZIONI BIOLOGICHE

      Il metabolismo degli esseri viventi e' largamente basato su reazioni di ossido-riduzione perche' queste liberano grandi quantita' di energia. Per tutti gli animali, l'accettore finale degli elettroni (ossidante terminale) e' l'ossigeno atmosferico che viene ridotto a ione ossido (O-2), in genere all'interno di compotsi quali H2O o di CO2. Un esempio di riduzione biologica e' il seguente:
CH3-CH2-OH + NAD+ --> CH3-CHO + NADH + H+
In questa reazione il n.o. del primo carbonio dell'etanolo (da destra) passa da -1 a +1 con perdita di due elettroni e due ioni idrogeno; i due elettroni ed uno dei due ioni idrogeno vengono ceduti ad una molecola organica complessa (sigla: NAD+), mentre il secondo ione idrogeno va nel solvente e si idrata ad H3O+.

Domande (la risposta e' obbligatoria se e' stata attivata la registrazione elettronica della presenza)
1) Il potenziale redox standard dello zinco e' -0,76 V. Pertanto:
Zn riduce 2 H+ ad H2
Zn+2 ossida H2 a 2 H+
Zn ossida H2 a 2 H+

2) Qual e' il numero di ossidazione del carbonio nello ione bicarbonato?
+2
+3
+4

3) Quale atomo si ossida e quale atomo si riduce nella reazione CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
nessuno: la reazione non e' una ossido-riduzione
l'ossigeno si ossida e il carbonio si riduce
l'ossigeno si riduce e il carbonio si ossida

4) L'equazione di Nernst per il calcolo delpotenziale di semicella e':
E' = E0 + RT/nF ln ([specie ridotta]rid / [specie ossidata]ox)
E' = E0 + RT/nF ln ([specie ossidata]ox / [specie ridotta]rid)
E' = E0 + RT/nF ln ([specie ossidata] / [specie ridotta])

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Buonasera Professore ho 2 domande:
1 Nel funzionamento della PET lei ci ha detto che il radiofarmaco utilizzato il glucosio marcato
con l'isotopo 19 del Fluoro mentre su questo sito c'e' scritto che l'isotopo utilizzato il Fluoro 18.
2 Come mai la cinetica radioattiva ha andamento discontinuo??
1 Ha ragione il sito, mi devo essere sbagliato, l'emettitore beta meno e' 18F.
2 La cinetica radioattiva e' una funzione probabilistica: ogni atomo ha una certa probabilita' di
trasformarsi nell'unita' di tempo. Se la quantita' degli atomi e' sufficientemente piccola e'
possibile seguire i singoli eventi di decadimento. Tra un evento e l'altro non accade nulla.
L'esponenziale e' l'integrale di questa funzione probabilistica.


Non ho capito bene l'ibridazione
L'ibridazione e' il fenomeno per cui due orbitali atomici che hanno una
parziale sovrapposizione possono cambiare forma e produrre due orbitali ibridi con minore
sovrapposizione. Consegue all'interazione tra le funzioni d'onda degli elettroni.


Scusi professore la differenza di intensita' del campo elettromagnetico per
ogni nucleo e' dovuta al diverso numero di particelle oppure ad altro?
Ogni nucleo genera attorno a se un campo elettrostatico la cui intensita' 
dipende dalla sua carica, cioe' dal numero di protoni.


Ho una domanda non ho capito esattamente qual e' la differenza tra nuclear spin
e nuclear momento? E' diverso da zero solo quando il numero di protoni e neutroni e' ...?
C'e' una buona spiegazione della risonanza magnetica nucleare su
questo sito.
In pratica ogni particella nucleare ha il suo spin (rotazione sul suo asse) e lo spin vale
+1/2 o -1/2
1) Se i protoni e i neutroni sono entrambi pari, allora il nucleo ha spin zero.
2) Se i protoni e i neutroni sono gli uni pari e gli altri dispari, allora il nucleo ha spin
semi-intero (1/2, 3/2, 5/2, ...).
3) Se i protoni e i neutroni sono entrambi dispari, allora il nucleo ha spin intero (1, 2, 3, ...)
Tutti i nuclei con spin diverso da zero sono osservabili all'NMR, ciascuno e' eccitabile con
la sua frequenza caratteristica.
Il momento magnetico e' il vettore campo magnetico generato dallo spin.

Non ho capito bene l'orbitale anti-sigma
La sovrapposizione di due orbitali atomici forma due orbitali di legame:
uno con la massima densita' elettronica nella zona di massima sovrapposizione tra i due
orbitali atomici (orbitale di legame sigma) e uno con la massima densita' elettronica nelle
regioni nelle quali non vi e' sovrapposizione (orbitale anti-sigma). Perche' il legame sia stabile
e' necessario che l'orbitale sigma, a minima energia, sia popolato da due elettroni e l'orbitale
anti-sigma non sia popolato da elettroni. Aggiungero' una figura per illustrare questo
concetto nel testo della lezione sul sito.

Non ho capito la differenza tra uno ione e un (atomo) radicale
Uno ione e' un atomo (o una molecola nel caso degli ioni poliatomici) che
ha perduto o acquistato uno o piu' elettroni. Uno ione monoatomico e' stabile se acquisisce
la configurazione elettronica del gas nobile piu' vicino nella tavola periodica. Ad esempio lo
ione sodio ha la configurazione elettronica perde un elettrone per raggiungere la stessa
configurazione elettronica del gas nobile che precede il sodio (il neon), mentre il fluoro
ottiene lo stesso risultato acquistando un elettrone e trasformandosi nello ione fluoruro.
Na+, Ne e F- hanno la stessa configurazione elettronica:
1s2 2s2 2p6.
Un radicale e' un atomo o una molecola che possiede uno o piu' elettroni spaiati. Ad esempio
l'atomo di sodio ha la configurazione elettronica 1s2 2s2 2p6 3s1
ed e' quindi un radicale se considerato in forma isolata; quando perde un elettrone e si
trasforma nello ione sodio, ha tutti elettroni appaiati e non e' quindi piu' un radicale.
Poiche' le specie chimniche con elettroni spaiati sono instabili i radicali stabili sono pochi.
Un radicale stabile interessante e' l'ossido nitrico, NO che possiede in tutto 15 elettroni ed
ha quindi un elettrone spaiato.

Buonasera professore ho qualche dubbio sulle considerazioni energetiche:
Se non ho capito male l'entalpia e' la misura dell'energia potenziale di interazione tra le
molecole; quando e' che questa risulta minima?
Inoltre non ho capito se l'una puo' prevalere sull'altra per quanto riguarda la stabilita'  del
sistema o se trattandosi di due contributi diversi non sia possibile confrontarle grazie mille.
Non sono sicuro di aver capito bene le domande. L'entalpia e' l'energia
intesa nel senso comune del termine; ad esempio l'energia di legame. Quando due atomi si
legano tra loro e si forma il legame, l'energia di legame e' energia emessa dalla molecola
sotto forma di calore (cioe' la molecola ha minore energia degli atomi isolati). Entalpia e' per
questo motivo e in questo contesto chiamata anche il calore di reazione e si misura in cal/mole.
L'entropia e' invece la probabilita'  di un certo stato del sistema e puo' essere misurata in
cal/grado.mole grazie alla legge di Boltzmann. Se nella sua domanda l'una e' l'entalpia e
l'altra e' l'entropia, la risposta e' si, si possono sommare algebricamente e la loro differenza
da  l'energia libera del sistema. Di norma noi parliamo in questo contesto di trasformazioni
(ad esempio di reazioni chimiche) e abbiamo: ΔG = ΔH - TΔS, dove ΔG: variazione di
energia libera tra gli stati finale e iniziale del sistema, ΔH: variazione di entalpia,
ΔS: variazione di entropia, T: temperatura assoluta in gradi Kelvin.

Buongiorno Professore non ho capito bene la frazione molare
La frazione molare del componente i-esimo della miscela (che si indica
con Xi) e' data dal rapporto tra il numero di moli del componente i-esimo e la somma delle
moli di ciascun componente: Xi = ni / (ni + nj + ... + nz).

Non ho capito quali sono i microstati.
Un sistema termodinamico presenta un macrostato, che e', ad esempio, il suo stato di
aggregazione. Supponiamo che il macrostato del sistema sia gassoso o liquido. Lo stesso stato puo'
corrispondere a molte disposizioni diverse delle stesse molecole: le molecole di un liquido o di un gas
si muovono le une rispetto alle altre. Ogni possibile disposizione delle molecole nello spazio corrisponde
a un microstato del sistema. Ovviamente i microstati di un sistema anche piccolo sono estremamente
numerosi.

Buonasera professore non sono riuscito a risolvere il primo quesito delle soluzioni.
E' la conversione tra due unita' di misura della concentrazione. Prova a
calcolare come prima cosa quanti grammi di saccarosio e quanti grammi di acqua sono
presenti in una certa quantita'  di soluzione. La quantita' su cui ragionare puoi sceglierla tu
perche' il risultato finale sara' lo stesso qualunque sia la quantita' scelta (ad es. 1 L).

Buonasera professore potrebbe definire il pH degli acidi deboli e cosa intendiamo con A- e_HA
Non e' possibile rispondere a una domanda come questa in questo
spazio: la spiegazione del pH e di cosa sono gli acidi e le basi deboli e' data nelle dispense
e occupa un certo spazio e varie figure, non puo' essere riscritta qui. Studi bene il materiale
presentato al link https://www.andreabellelli.it/html/didattica/generale/pH.php.
Con A- e HA intendiamo rispettivamente lo ione derivante dalla dissociazione
dell'acido debole e l'acido debole indissociato; ad esempio CH3-COO- e CH3-COOH.

Perche' le concentrazioni utilizzate sono 045 NaCl accompagnata da 5
glucosio o 0,22 NaCl e 5 glucosio e mai 0,9 %NaCl se proprio questa ha uguale p osm del sangue?
Dove ha trovato i dati citati? Le soluzioni 0,9% (peso/volume) di NaCl e
5% (peso/volume) di glucosio sono soluzioni isotoniche col sangue e sono usate entrambe
per le infusioni endovenose. Qualunque miscela di queste e' isotonica e puo' essere usata allo
stesso scopo. Esistono molte decine di soluzioni isotoniche con composizioni diverse, che
possono essere usate.

Non ho capito qual è la differenza tra una reazione endoergonica e una endotermica
Endotermica o esotermica si riferisce al calore di reazione (il delta H) e,
eventualmente al lavoro meccanico compiuto o subito dal sistema. Endoergonica o
esoergonica si riferisce alla somma di tutti i contributi energetici, entalpici ed entropici, della
reazione (il delta G).

Buonasera Professore non ho capito l'uso delle entalpie molari standard.
Nell'esempio il deltaH della reazione intermedia è 301 kcal/mole.
Il valore di -301 kcal/mole per l'H0 molare standard del glucosio è preso dalle tavole.
E' stato misurato, ovviamente, ma l'esempio presentato a lezione non indicava come viene
misurato l'H0, ma come lo si può usare. La domanda che l'esempio si poneva
era: noti i valori di l'H0 del glucosio, dell'acqua e della CO2, come è possibile
usarli per determinare il delta H della reazione di combustione del glucosio?

Se il butano ha 2 isomeri e il pentano ha 3 isomeri. Cioè il esano (?) avra 4 isomeri etc.
Quindi c'e' una regolarita' ?
Gli isomeri aumentano molto rapidamente con il numero di atomi di carbonio e la
sequenza dell'aumento non è semplice.

Qual e' la differenza tra composti polieni e composti aromatici?
Gli aromatici sono dei tipi molto particolari di polieni ciclici e devono avere anelli a 6
atomi e una alternanza di legami doppi e semplici. Queste caratteristiche consentono la delocalizzazione
degli orbitali pi greco. Il ciclobutadiene ad esempio non e' un aromatico perche' l'anello ha solo 4 atomi.

Buongiorno professore avrei una domanda: qual è la differenza tra reazione di alogenazione e
di sostituzione nucleofila?
Sta mescolando tra loro concetti diversi. L'alogenazione e' un tipo di
modificazione chimica dell'idrocarburo, nella cui molecola viene introdotto un atomo di un
alogeno (ad es. cloro o bromo). Un esempio di idrocarburo alogenato e' il cloroetano.
Sostituzione e addizione sono meccanismi di reazione (l'addizione e' nucleofila, la
sostituzione e' invece avviene con formazione di radicali), L'alogenazione puo' essere
ottenuta per sostituzione (negli alcani) o per addizione (negli alcheni).

Salve professore Nella forma 2D3D e 2L3L D e L indicano la configurazione della molecola o il potere rotatorio?
L e D indicano la configurazione stereochimica secondo la convenzione di
Fisher. Invece l e d (o - e +) indicano il potere rotatorio, rispettivamente levogiro o
destrogiro.

Perché possiamo calcolare solamente la variazione di energia interna e mai l'energia interna assoluta di un sistema?
L'energia interna di un sistema termodinamico nel quale non avvengono trasformazioni chimiche potrebbe essere misurata su una scala assoluta.
In un sistema nel quale avvengono trasformazioni chimiche viene incluso un contributo all'energia totale dovuto all'energia dei legami chimici. Questa deve es
sere misurata rispetto ad un livello di riferimento: potrebbero essere gli atomi isolati, oppure come si fa convenzionalmente gli elementi nel loro stato eleme
ntare. In ogni caso l'energia interna totale del sistema non sarebbe assoluta ma relativa al livello di riferimento, rispetto al quale costituisce una variazio
ne.

Perché il metanolo è più solubile in acqua del butanolo?
Nel metanolo la parte apolare della molecola è piccola rispetto alla parte non polare; nel butanolo avviene l'inverso.

In una reazione reversibile all'equilibrio le costanti cinetiche della reazione diretta e della reazione inversa devono essere sempre uguali?
No, le costanti essendo costanti non possono diventare uguali nella condizione di equilibrio e diverse fuori di essa. In una reazione reversi
bile ad equilibrio sono uguali le velocità delle reazioni diretta ed inversa, che sono date dal prodotto tra le costanti cinetiche e le concentrazioni dei rea
genti. Ad esempio nella reazione di isomerizzazione A<=>B con le costanti cinetiche k1 per la trasformazione A->B e k2 per B->A, la condizione di equilibrio è
raggiunta quando k1 [A] = k2 [B] ma k1 e k2 possono benissimo essere diverse (e di solito lo sono).

Professore mi scusi non ho capito perchè applicare la convenzione di Fischer agli zuccheri con più di tre atomi di carbonio non va bene
In effetti ha capito male. La convenzione di Fisher può essere applicata ai monosaccaridi
con qualunque numero di atomi di carbonio. Il problema è che negli aldosi con più di 3 atomi
di carbonio e nei chetosi con più di 4 atomi di carbonio c'è più di un solo carbonio
asimmetrico. In questi casi si scrive l'ultimo carbonio asimmetrico secondo la convenzione di
Fisher e il carbonio precedente risulta necessariamente in una configurazione che è l'inverso
della convenzione di Fisher (anti-Fisher): cioè come spiegato negli appunti sul sito, non è
possibile scrivere due centri chirali consecutivi entrambi secondo la convenzione di Fisher.
Questo perché la convenzione di Fisher dice che i C sopra e sotto quello chirale devono
essere immaginati come se si allontanassero dall'osservatore e questo è possibile per un C
asimmetrico ma non per quello immediatamente adiacente (faccia riferimento alla figura
presentata negli appunti sugli zuccheri).

Scusi professore non ho capito questa cosa: per scindere i legami richiesta energia dunque il processo puo'
essere associato ad un processo endotermico con ΔH maggiore di zero Non capisco perche' la scissione dei legami del solvente
allora debba essere considerata con un valore entalpicamente negativo
La scissione dei legami delle molecole del solvente tra loro ha un Δ H positivo, cioe' richiede energia.
Il testo della dispensa era scritto in un modo non chiaro, ora l'ho migliorato.

Salve Professore non capisco come la minore energia dell'orbitale sigma sia
correlata all'alta intensità del campo nelle aree di sovrapposizione degli orbitali atomici
L'energia con la quale il nucleo attrae l'elettrone e' misurata prendendo
come riferimento la coppia a distanza infinita (vettore campo uguale a zero). Pertanto piu'
l'elettrone si avvicina al nucleo, piu' forte l'attrazione, minore (cioe' negativa) l'energia.
Energie negative non esistono: l'energia del campo e' negativa non in assoluto ma rispetto al
valore zero di riferimento, a distanza infinita. Nel caso degli orbitali di legame, il discorso e' lo
stesso: quanto piu' gli orbitali atomici usati per formare l'orbitale di legame sono interni e vicini
al nucleo, tanto maggiore il valore del vettore campo e tanto piu' negativa l'energia l'energia di
legame: ovvero tanto maggiore la quantità di energia che deve essere fornita dall'esterno per
rompere il legame.

Buonasera. Potrebbe illustrare come procedere per risolvere il quarto quesito? La ringrazio
No, non posso rispondere a questa domanda, per due ragioni. In primo
luogo perche' lo scopo dei quesiti e' testare la comprensione del testo che li precede;
quindi se non ha la risposta ad un quesito deve trovarla nel testo; se io la dessi in questa
sede lo scopo stesso di mettere i quesiti sarebbe vanificato; basterebbe leggere le mie
risposte anziche' il testo fornito. In secondo luogo le domande che voi mettete sul sito finiscono
tutte insieme, quindi non e' possibile sapere di quale lezione e argomento lei sta parlando.

Buonasera professore non ho capito bene la buca di potenziale
Abbiamo chiamato "buca di potenziale" il minimo locale dell'energia di
legame che si realizza quando due nuclei si trovano a distanza di legame. In questa condizione
si forma un orbitale di legame la cui energia potenziale e' inferiore (piu' stabile) rispetto a
quella degli orbitali atomici di partenza. Per una rappresentazione grafica puo' fare riferimento
alla figura 3 della lezione sul legame chimico.

Buonasera Professore riguardo la dissociazione di un acido debole mi chiedevo
da dove derivasse [OH-] quando eguagliamo le concentrazioni delle cariche. Grazie
Bellelli: come spiegato nel testo, una soluzione di qualunque soluto (quindi
anche di un acido debole) deve obbedire al requisito dell'elettroneutralità: cioè la somma delle
cariche negative deve uguagliare la somma delle cariche positive e la carica netta totale del
sistema deve essere zero. Le specie cariche negativamente sono due: A- e
OH-; la specie carica positivamente è una sola, H3O+;
pertanto: [A-] + [OH-] = [H3O+].

In questa frase presa dalla spiegazione dell'idrolisi acida intendeva dire esclude o include
Ki e come al solito include la concentrazione dell'acqua
Bellelli: La Ki include in sé la concentrazione dell'acqua, come si può facilmente vedere
se si scrive la legge di azione delle masse per la reazione di idrolisi. E' lo stesso che per la Ka o la Kb.

Buonasera prof non ho capito come si calcola in NO dei singoli atomi di carbonio in una molecola
Bellelli: devi scrivere la formula di struttura e considerare separatamente ciascun atomo
di carbonio; per ogni legame chimico devi assegnare gli elettroni di legamiall'atomo più elettronegativo e
calcolare la carica finale dell'atomo di carbonio. Ad esempio nel metano CH4, ci sono 4 legami C-H. Le
elettronegatività sono 2,5 per C e 2,1. Quindi gli elettroni di ciascun legame sono attribuiti tutti al C (più
eletronegativo). Ogni legame contiene 2 elettroni, uno del C e uno di H: quindi il C riceve i suoi 4 elettroni
(che non contano e i 4 dei 4 idrogeni: NO= -4. Ciascun idrogeno cede il suo elettrone e la sua carica risulta
NO=+1.


Prof. ma per i gruppi funzionali come calcoliamo l'elettronegatività?
Bellelli: l'elettronegatività è definita per i singoli atomi, non per i gruppi. E' possibile
misurare l'elettronegatività di un gruppo (ad es. -CCl3) ma non c'è un metodo di
"calcolo"; tut'al piu' ci sono tabelle un po' specialistiche per i gruppi piu' comuni.


Buonasera Professore avrei una domanda: esiste un metodo per capire se un acido o una base
sono forti o deboli direttamente dalla formula bruta?
Bellelli: dalla formula bruta no. Dalla formula di struttura, e conoscendo alcuni composti
simili si possono fare ragionevoli previsioni. In linea di massima un acido è tanto più forte
quanto più elettronegativo è l'atomo o il gruppo legato all'idrogeno che dissocia.
Ad esempio HCl è forte; HNO2 è debole ma se noi aggiungiamo un ossigeno
per fare HNO3 questo rende piu' elettronegativo il gruppo e HNO3
diventa forte; etc. Negli ossiacidi quanto più ossigeno è presente nel gruppo legato all'idrogeno
tanto più l'acido è forte (ad es. H2SO4 è più forte di H2SO3).

Buonasera lei dice sia in classe che sul sito che l'ossigeno non formi composti
con il fluoro. OF2 Fluoruro di ossigeno esiste solo in certo ambiente. Grazie
Bellelli: ha ragione. Sarebbe piu' corretto dire che non ci sono composti
naturali nei quali l'ossigeno e' legato col fluoro. In laboratorio noi abbiamo a disposizione
energie e condizioni sperimentali che ci consentono di sintetizzare composti non presenti in
natura, come OF2. OF2 e' un ossidante estremamente energico nel quale l'ossigeno ha numero
di ossidazione +2 e se fosse presente nell'ambiente reagirebbe immediatamente con
praticamente qualunque cosa per produrre composti nei quali l'ossigeno avrebbe n.o. -2.

Non ho capito perchè se l'elettrone genera un campo elettromagnetico per lo
spin dopo c'è scritto che il campo magnetico è nullo
Bellelli: dove ha trovato questa affermazione? Ad ogni modo presumo che
la frase dica che se in un atomo o molecola ci sono elettroni in coppie negli orbitali, essi hanno
spin opposto per il principio di Pauli e il campo magnetico risultante è nullo (+1/2 -1/2 = 0).
Se gli elettroni non sono in coppie con spin opposto il campo magnetico non e' nullo. In pratica:
bisogna sommare i numeri di spin di tutti gli elettroni dell'atomo o della molecola. Se il risultato
è zero il campo magnetico elettronico è nullo e l'atomo o la molecola è diamagnetico; se invece
il risultato è diverso da zero l'atomo o la molecola possiede suscettibilità paramagnetica.

Gentile professore non ho compreso la relazione tra l’aumentata intensità del
campo elettrostatico e la diminuita energia dell’orbitale di legame. la ringrazio.
Bellelli: l'energia in questo contesto è definita rispetto a quella di un nucleo
e un elettrone non interagenti, posti a distanza infinita. Se l'elettrone si avvicina al nucleo ed
entra in un orbitale, emette energia e scende ad un livello di energia più basso di quello di
riferimento, come una persona che scende lo scalino di una scala. L'energia dell'elettrone in un
orbitale (atommico o di legame) è quindi negativa rispetto al livello di riferimento, esattamente
come l'energia di una palla da golf caduta in una buca è negativa rispetto a quella della stessa
palla appoggiata sul suolo. E infatti per estrarre la palla dalla buca, o l'elettrone dall'orbitale
è necessario fornire energia.

Buongiorno professore volevo chiederle se poteva chiarirmi la differenza tra
carica e polarità… grazie mille
Bellelli: la carica elettrica è una grandezza fisica fondamentale come la
massa o l'energia. la polarità è una proprietà delle molecole che dipende da come sono
distribuite le cariche al loro interno. Se il centro delle cariche positive coincide col centro delle
cariche negative la molecola è non polare; se invece i due centri non coincidono la molecola è
polare e presenta una maggiore localizzazione di carica positiva ad una estremità ed una di
carica negativa all'estremità opposta.

Buongiorno professore. Come mai nell acido fosforico il fosforo riceve degli
elettroni dal quarto atomo di ossigeno nell'orbitale 3d e non 4s?
Bellelli: l'orbitale 4s ha una forma che non gli consente di formare un
orbitale di legame pi greco.

Salve professore, perché la risposta all’esercizio 1 è 24,4 e non 22,4?
Bellelli: controllerò l'esercizio. Il volume molare del gas perfetto si calcola
con la formula V = RT / P (e n=1 per definizione di volume molare). Alla pressione di 1 atm il
volume molare del gas perfetto (calcolato con la formula data prima, provare per credere)
risulta 22,4 L se T=273 K (0 C), e 24,4 L se T=298 K (25 C).

Buonasera professore parlando del composto B(OH)3 che significa che il legame O-H è
più polarizzato del legame B-O e in che modo questo influenza la dissociazione del composto?
Bellelli: i valori di elettronegatività dalla tavola periodica sono: H=2,1; B=2,04; O=3,5.
Nel tri-idrossido di boro, comunemente chiamato acido borico, il legame B-O e il legame O-H hanno
praticamente la stessa polarizzazione; però il boro è legato a tre ossigeni, ogni idrogeno ad un solo
ossigeno. Questo rende il boro più elettronegativo. Il risultato è che il composto in acqua dissocia uno ione
idrogeno anziché tre ioni idrossido.

Salve professore perché la risposta all’esercizio 1 è 24,4 e non 22,4?
Bellelli: ho già risposto sopra a questa domanda. Ma lei ha provato a fare il
calcolo? La formula è V = nRT / P. Prenda n=1, R=0,0821, T=273+25=298 K e P=1 atm e veda
quanto viene.

Buonasera professore Non ho ben capito come si calcola in maniera indiretta la volemia del sangue.
A cosa serve iniettare l'albumina?
Bellelli: per misurare la volemia si applica la formula V= n/C. Serve n, il
numero di molti di un tracciante, la sostanza iniettata dal medico che si distribuisca nel volume
del liquido da misurare. Può usare albumina marcato col cromo radioattivo (che nel nostro
sangue non c'è: c'è l'albumina non marcata) o un altro tracciante, ma qualcosa deve iniettare
nel sangue, che sia estranea ad esso e facilmente misurabile, in modo che n e C siano determinabili.

Buonasera professore non ho molto chiare le applicazioni della legge di Henry quando il gas reagisce con il liquido
Bellelli: se un gas reagisce col solvente si trova in soluzione in varie forme
e tra queste soltanto quella che ha la stessa formula della fase gassosa segue la legge di Henry.
Ad esempio la CO2 si scioglie in acqua e reagisce con l'acqua per formare acido carbonico e
bicarbonato; soltanto la CO2 disciolta è in equilibrio col gas secondo la legge di Henry, acido
carbonico e bicarbonato non seguono la legge di Henry.

Buonasera professore Non ho capito come mai se H reagenti < H prodotti i
legami presenti nelle molecole dei reagenti siano meno stabili (forti)
Bellelli: questa è una difficoltà comune quando si inizia lo studio della
termodinamica chimica. Lo stato più stabile di un sistema è quello che ha convertito la sua
energia potenziale in energia di legame. Ad esempio un sasso sospeso in aria ha energia
potenziale di tipo gravitazionale ed è in una condizione instabile. Quando cade converte la sua
energia potenziale prima in energia cinetica e poi al momento dell'urto con il suolo in calore,
e acquista una condizione stabile. Due atomi isolati e inizialmente tanto distanti che le forze
attrattive tra loro siano nulle possono avvicinarsi e formare un legame liberando energia sotto
forma di calore (cioè entalpia): questo significa che hanno raggiunto una condizione più
stabile (quella di molecola anziché di atomi isolati), perdendo una energia potenziale. Quindi
lo stato di molecola è più stabile di quello di atomi isolati perché la reazione di formazione del
legame è: 2 atomi --> molecola + calore (H). Per la legge di conservazione dell'energia
abbiamo: H molecola + calore di reazione = H atomi e la molecola è stabile perché
H molecola < H atomi. Generalizzando, se H prodotti < H reagenti la reazione sarà esotermica
e i prodotti saranno più stabili dei reagenti (a meno dei contributi entropici dei quali avremmo
dovuto tenere conto fin dall'inizio, utilizzando la funzione G anziché la H, con
Δ G = Δ H - T Δ S)

Mi scusi professore ma perché nel calcolo dell'entalpia nella reazione di formazione di H2O l'entalpia
è espressa su moli di O2?
Bellelli: l'entalpia deve sempre essere espressa in kcal/mole ed è quindi riferita alla
quantità di sostanza considerata; nella reazione di formazione dell'acqua la abbiamo espressa in
due modi: per mole di O2 consumato oppure per mole di acqua formata, e naturalmente il
primo valore è pari al doppio del secondo, perché il consumo di una mole di O2 porta alla
formazione di due moli di H2O

Buonasera professore vorrei chiedere perchè in riferimento alla costante di
equilibrio nel calcolo delle grammomoli non consideriamo i coefficienti stechiometrici?
Bellelli: non capisco questa domanda. Negli esercizi sul calcolo della
costante di equilibrio noi consideriamo i coefficienti stechiometrici quando calcoliamo le moli
di reagente consumate e le moli di prodotto formate. Provi a rifare questa domanda a lezione in
occasione di una delle nostre esercitazioni di stechiometria, così lo vediamo direttamente nel
calcolo.

Buonasera professore. Come si fanno a vedere le correzioni delle domande
alla fine di ogni "capitolo"? Riesco a vedere solo il punteggio. Grazie mille.
Bellelli: il programma non prevede di mostrare le risposte esatte alle 4
domande alla fine di ogni capitolo, perche' altrimenti lo scopo della verifica sarebbe vanificato:
anziché studiare il materiale fornito basterebbe premere invio, prendere nota delle risposte
esatte e ripetere la procedura, sempre senza leggere il materiale fornito.
A scopo di esercizi, vengono forniti per ogni capitolo degli "esercizi e quesiti" per i quali il
programma fornisce le risposte esatte e anche alcune spiegazioni.

Buonasera professore in merito all'equilibrio chimico in sistemi biologici il
termine costante di dissociazione è usato come sinonimo di costante di equilibrio?
Bellelli: si, l'esempio fornito è l'equilibrio della mioglobina con l'ossigeno e
la reazione, essendo reversibile, può essere scritta in entrambe le direzioni:
Mb + O2 <==> MbO2
oppure
MbO2 <==> Mb + O2
Le rispettive costanti di equilibrio sono l'una il reciproco dell'altra e vengono indicate
rispettivamente come costante di associazione (o di combinazione) e costante di dissociazione.
Nel trattamento algebrico del sistema viene usata la costante di dissociazione, per ragioni
spiegate nel testo.

Salve. Non ho ben compreso perché la sovrapposizione dei campi elettrostatici
comporta la minor energia dell'orbitale di legame rispetto a quelli atomici
Bellelli: Gli elettroni, che hanno carica negativa sono attratti dal nucleo, che
ha carica positiva. Il livello zero di attrazione si ha quando la distanza tra elettrone e nucleo è
infinita. Quando l'elettrone di trova a breve distanza dal nucleo (in un orbitale atomico) si trova
in una regione di minore energia rispetto al livello zero. Quando due nuclei si avvicinano e
sovrappongono e fondono i loro orbitali, il livello energetico dell'orbitale di legame e' ancora
minore (cioe' l'intensita' del campo elettrostatico positivo, che attira gli elettroni, è maggiore).
Prenda come esempio un sasso attratto dal campo gravitazionale della terra. A distanza infinita
l'attrazione è nulla; quello è il livello zero. Se il sasso cade sulla terra raggiunge una regione di
maggiore fora attrattiva e di minore energia potenziale (condizione dell'elettrone nell'orbitale
atomico). Se lei scava una buca e ci fa cadere dentro il sasso l'energia potenziale è ancora
minore (condizione dell'elettrone nell'orbitale di legame).

Buonasera professore. Il radicale libero Cl° con un elettrone spaiato nella
reazione CH4 + Cl2 si comporta da elettrofilo anche se ha sette elettroni sul livello elettronico
esterno?
Bellelli: non posso rispondere a questa domanda cosi' come e' posta
perché contiene vari errori, o forse sono io che capisco male.
Un composto o ione o atomo nucleofilo possiede almeno una coppia di elettroni non impegnata
in legami nello strato di valenza; tipicamente corrisponde ad una base di Lewis; un elettrofilo
ha uno strato elettronico esterno incompleto e può accettare legami dativi; tipicamente è un
acido di Lewis. Un radicale è caratterizzato da almeno un elettrone spaiato nello strato di
valenza (non una coppia in un orbitale!), quindi ad un radicale la definizione di nucleofilo o
elettrofilo si adatta malamente.
La reazione CH4 + Cl2 non è descritta tra gli esempi proposti; il suo prodotto è CH2Cl-CH2Cl
e non avviene con meccanismo radicalico; il Cl2 attacca l'orbitale pi greco del doppio legame.
La reazione descritta tra gli esempi è la molto piu' classica C2H4 + HCl --> C2H5Cl. Questa
avviene con meccanismo di addizione elettrofila perché l'H+ è un elettrofilo e attacca il doppio
legame.
Il meccanismo radicalico, più difficile da innescare, è quello della reazione
C2H6 + Cl2 -> C2H5Cl + HCl
Per ottenere questa reazione bisogna prima produrre in qualche modo il radicale che può essere
C2H5° oppure Cl°. Il radicale sposta su di se uno degli elettroni di un orbitale sigma e genera
il prodotto e un nuovo radicale che va a fare una nuova reazione (meccanismo a catena).

Salve professore. Non ho ben compreso il concetto di fase termodinamica
Bellelli: la fase è una porzione del sistema termodinamico considerato nella
quale tutte le molecole appartengono ad un unico corpo; dal punto di vista chimico le molecole
possono essere uguali o diverse tra loro. Ad esempio un gas puro costituisce un'unica fase e
anche una miscela gassosa costituisce un'unica fase (ogni molecola è libera di incontrare tutte
le altre). Due liquidi immiscibili o due solidi costituiscono fasi distinte, perché le molecole del
primo corpo non possono incontrare quelle del secondo corpo.

Salve professore. Non ho ben compreso la differenza tra n diss = n e nparticelle diss = n = n ν α
Bellelli: Non sono sicuro di aver capito la domanda. Supponga di avere due
mandarini in un piatto e di chiedersi quanti corpi sono presenti nel piatto. Evidentemente fin qui
la risposta e' n_totale=2 e n_corpi=2.
Ora prenda un mandarino e lo dissoci nei suoi spicchi; supponiamo che gli spicchi siano 8. Alla
domanda su quanti corpi sono presenti nel piatto risponderemo: n_totale=2 (i mandarini sono
sempre 2); n_corpi=9 (somma di 1 mandarino indissociato e uno dissociato in v = 8 spicchi.
La formula generale per rispondere risulta quindi:
n_corpi=n_indissociati + (n_dissociati x v)
n_indissociati = n_totale x a (nel nostro esempio: n_totali=2 a=0,5)
n_dissociati x v = n_totale x a x v (nel nostro esempio: 2 x 0,5 x 8)

Perché la N-acetil glucosammina viene considerata un'ammina e non
un'ammide secondaria anche se deriva da un'ammina primaria e un acido carbossilico?
Bellelli: formalmente il gruppo funzionale è dato dal legame amidico; però
dal punto di vista della biochimica prima viene formata la glucosamina e successivamente
questa viene acetilata. Quindi il nome del composto descrive una glucosamina modificata.

Buonasera Professore. Perché avviene l'effetto induttivo del sostituente
sull'aromaticità dell'anello benzenico? Mi riferisco ai gruppi attivanti e disattivanti.
Bellelli: questa domanda riguarda i meccanismi di reazione e più
precisamente la facilitazione indotta dai sostituenti dell'anello aromatico nei confronti delle
reazioni di sostituzione. Riguarda quindi un argomento che noi non trattiamo in modo
approfondito nel nostro programma. In sostanza se un sostituente è capace di "donare"
elettroni all'anello pi greco delocalizzato (ad es. un gruppo OH come nel fenolo o addirittura O-
nello ione fenato) questo si comporta come un attivante e facilita le reazioni di sostituzione, a
discapito di quelle di addizione; per contro un gruppo che attrae elettroni tende a favorire ibridi
di risonanza parzialmente non aromatici e facilita le reazioni di addizione. Però io le consiglio
fortemente, se questo è il suo interesse, di fare riferimento a un testo di Chimica Organica più
approfondito di quelli da noi adottati in questo corso, magari ricorrendo ad una biblioteca
specializzata.

Salve professore non ho capito da quali calcoli deriva il valore di ΔH=300 Kcal
mole nella reazione di combustione del glucosio.
Bellelli: premesso che il ΔH di combustione del glucosio è -670 kcal/mole,
il ragionamento è spiegato dettagliatamente nella lezione sulle reazioni chimiche, che le
consiglio di rileggere. In sostanza se il calore molare di formazione del glucosio a partire da C,
H2 e O2 (dalle tabelle) è di -300 kcal/mole, mentre quelli di
H2O e CO2 sono rispettivamente -58 e -94 kcal/mole la reazione
di combustione del glucosio presenterà un ΔH pari alla somma algebrica dei valori di
H0 del glucosio (cambiato di segno perché è il reagente) più quelli dei prodotti,
ciascuno moltiplicato per il suo coefficiente stechiometrico: -(-300) + 6x(-58) + 6x(-94) = -670 kcal/mole.

Buonasera Professore. è possibile che la formula di struttura del fruttosio
secondo Haworth sul sito sia errata? Cercando su internet sembra differente. Grazie
Bellelli: tutti possiamo sbagliare, ma quella formula mi sembra corretta.
Tenga presente che la rappresentazione data sul sito pone il C2 a sinistra, invece che a destra
come viene piu' comunemente fatto. Se una formula di Haworth viene girata, le posizioni di
tutti i sostituenti chirali vanno invertite (gli OH che stavano sopra vanno sotto e viceversa). La
ragione per invertire l'orientamento di una formula e' quella di semplificare la rappresentazione
di alcuni possibili composti; ad esempio in genere si rappresenta in questo modo il fruttosio del
saccarosio. Provi a confrontare la formula data sul sito con quella del fruttosio nel saccarosio.

Buonasera professore, la formazione del solido cristallino è un processo
endoergonico. può esserlo in casi particolari
Bellelli: la sua domanda è incompleta, pertanto non è possibile dare una
risposta univoca. Qual è il processo che lei immagina? Cioè le parla di formazione del solido
cristallino a partire da cosa? Il solido cristallino è uno stato, non un processo. Ad esempio un
processo potrebbe essere la formazione del solido cristallino a partire dalla soluzione
sovrasatura di un sale. A seconda del sale che lei considera il processo può essere sia
endoergonico che esoergonico e lei se ne accorge dalla variazione della solubilità del sale in
funzione della temperatura. Nella maggioranza dei casi la solubilità dei sali aumenta
all'aumentare della temperatura, e questo rivela che la dissoluzione del solido è endoergonica
(quindi la formazione del solido è esoergonica). In alcuni casi però la solubilità del sale
diminuisce all'aumentare della temperatura, ad esempio per il solfato di calcio; questo ci rivela
che la dissoluzione del solido è esoergonica (quindi la formazione del solido è esoergonica).

Salve professore mi può spiegare il ruolo della tensione di vapore a livello
alveolare? può anche mettere un link se preferisce.
Bellelli: a 37°C la tensione di vapore saturo dell'acqua e' 44 mmHg. L'aria
che noi respiriamo ha un contenuto di vapore d'acqua molto inferiore: perché non è satura e
perché in genere si trova ad una temperatura inferiore (a 25°C la tensione di vapore saturo
dell'acqua è 18 mmHg). Le vie respiratorie devono fornire acqua e che evapora e satura di
vapore acqueo l'aria inspirata. Questo comporta che con l'espirazione noi perdiamo acqua (circa
300 mL/die; cosiddetta perspiratio insensibilis). Poiché l'alveolo polmonare è rivestito da un
sottilissimo film di liquido, si comporta come una bollicina e risente della tensione superficiale
dell'aqua che tenderebbe a farlo restringere. Questo effetto è minimizzato dalla presenza di
secreti tensioattivi (surfactanti).

Come faccio a sapere qual è la possibile ibridazione per l’atomo di carbonio?
Bellelli: il carbonio tende allo stato di massima ibridizzazione possibile, però
mentre l'orbitale di legame sigma può essere formato da qualsiasi orbitale atomico, l'orbitale pi
greco puo' essere formato soltanto da orbitali atomici p non ibridizzati. Quindi lei deve guardare
il suo atomo di carbonio e contare quanti orbitali pi greco forma. Se possiede soltanto legami
semplici (ad es. il metano) forma soltanto orbitali di legame di tipo sigma e la sua ibridazione è
la più alta possibile, cioè sp3. Se forma un solo legame doppio (ad es. la
formaldeide) ha tre orbitali sigma e un orbitale pi greco, derivante da un orbitale atomico p non
ibridizzato; quindi la sua ibridazione è sp2. Se forma due legami doppi (ad es.
l'anidride carbonica) o un legame triplo (ad es. l'etino) ha due orbitali sigma e due orbitali pi
greco, derivanti da due orbitali atomici p non ibridizzati; quindi la sua ibridazione è sp.

Salve professore mi può spiegare cosa avviene dopo il punto di equivalenza durante le titolazioni?
Bellelli: quando viene superato il punto di equivalenza in una titolazione
il segnale osservato è dato dall'eccesso di titolante libero. Ad esempio in una titolazione di
acido acetico con NaOH, al punto di equivalente è presente soltanto CH3COONa
e il pH (che in questa titolazione è il segnale) è dato dall'idrolisi del sale. Se viene aggiunta
ulteriore NaOH ci sarà in soluzione un eccesso di base forte non tamponata che determinerà
il pH (secondo la regola [OH-] = Cb); il contributo del CH3COONa
al pH sarà trascurabile.

Mi scusi professore la frazione molare della soluzione glucosata al 5 p/v non
riesco a capire cosa sono gli altri 95 siccome non scritto nella domanda.
Bellelli: la glucosata è una soluzione acquosa contenente il 5% di glucosio
espresso come rapporto peso/volume (p/v). Quindi questa soluzione contiene 5 g di glucosio
in 100 mL di volume totale. Il rimanente "95" è acqua però non è corretto in un rapporto peso
volume utilizzare la sottrazione. Conoscendo la densità lei potrebbe convertire la percentuale
peso/volume in una percentuale peso/peso, per la quale la sottrazione sarebbe applicabile.
Ad esempio se la densità fosse esattamente 1 g/mL, 100 mL peserebbero 100 g e la soluzione
sarebbe composta da 5 g di glucosio e 95 g di acqua. Questi concetti sono spiegati nella lezione
sulle soluzioni.

Buonasera prof. ha un consiglio sul modo migliore per studiare le formule per l'esame?
Sto avendo difficoltà a memorizzarle.
Bellelli: ovviamente ci vuole molto esercizio. Provi a scrivere le formule di
struttura nel modo più esplicito possibile indicando ogni atomo e ogni legame; eviti, almeno
inizialmente, quelle rappresentazioni nelle quali gli atomi sono sottintesi (linee spezzate, etc.).
Controlli che i legami che attribuisce agli atomi siano consistenti con la loro capacità di formare
legami: il C deve sempre fare 4 legami, O 2 legami, etc. In caso di dubbio provi a scrivere la
rappresentazione di Lewis, nella quale ogni elettrone dello strato esterno è rappresentato con
un puntino; ogni legame deve avere due elettroni.

Come faccio a sapere qual è la possibile ibridazione per l’atomo di carbonio?
Bellelli: la risposta a questa domanda sta nella
lezione sulla Chimica Organica
dove lei trova un paragrafo intitolato: "RICONOSCERE L'IBRIDAZIONE DEL CARBONIO (E DI
QUALUNQUE ALTRO ATOMO)." Sarebbe un errore didattico da parte mia ripetere in questa sede
le spiegazioni gia' date, meglio, sul materiale didattico fornito. Se quella parte non le risulta
chiara mi formuli una nuova domanda, più precisa.



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