LE TRE LEGGI PONDERALI

Scritto da Zeferino Siani. Pubblicato in APPUNTI DI CHIMICA.

ELEMENTI - COMPOSTI 

Si definisce elemento una sostanza pura che non può essere ulteriormente scomposta o trasformata mediante processi chimici.

Il tipo e la % degli elementi varia a seconda del sistema che si considera: 
a) sulla crosta terrestre: O, 46,6%; Si, 27, 7%; e poi, in quantità decrescenti, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, e H (solo il 0,13%);
b) nel corpo umano: O, 65%; l’ O, 18% il C, 10% l’H, 3% l’N, ed il 4% gli altri elementi;
c) nell' Universo: H, 75%; He, per quasi il restante 25%.
Ad ogni elemento è stato assegnato un nome ed un simbolo chimico, es. alluminio Al, ferro Fe, ma anche rame Cu, dal latino Cuprum (si legge "ci-u"), o litio Li, dal greco Lithos (si legge Elle - i) 

Si definisce composto ogni sostanza che può essere decomposta in sostanze pure più semplici mediante trasformazioni chimiche. I composti hanno una composizione ben definita e costante.

L’ acqua, formata dagli elementi idrogeno H, ed ossigeno O, è un esempio di composto.
Sottoponendo l’acqua a numerose elettrolisi (che è un processo elettrochimico di decomposizione del composto acqua nei suoi elementi H e O), otteniamo sempre le stesse percentuali (definite e costanti) di idrogeno ed ossigeno: precisamente l'11,2% di H e l'88,8% di ossigeno. Quindi, ciò dimostra che il composto H₂O  ha una composizione definita e costante dei suoi elementi H e O.

LEGGE DI LAVOISIER

"In una reazione chimica completa, la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti". 
Lavoisier riuscì a dimostrare la sua legge facendo uso di una buona bilancia, e catturando completamente gli eventuali prodotti gassosi della reazione, di cui misurava esattamente  i volumi e le condizioni di temperatura e  pressione, in modo da risalire alle rispettive masse.
Di seguito si riportano alcuni esempi della legge di Lavoisier:
Esempio N° 1
Pesando un flash di macchina fotografica prima e dopo lo scatto, si hanno due pesate uguali.
Esempio N° 2:
a) idrogeno (4 gr.)  + ossigeno (36 gr.) = acqua (40 gr.)   (Reazione di  sintesi).
b) acqua (40 gr.) = idrogeno (4 gr.)  + ossigeno (36 gr.)   (Reazione di decomposizione)
Relativamente all'esempio N° 2, caso a), e cioè la reazione di sintesi dell' acqua, sono possibili le seguenti domande, con le relative risposte:
Si fanno reagire completamente 4 gr. di H con 36 gr. di O. Quanti gr. di acqua si formano? (R. 40 gr. acqua);
b) se invece consideriamo la reazione (inversa) di decomposizione dell' acqua, una delle possibili domande potrebbe essere la seguente:
in una reazione di decomposizione completa di 40 gr. di acqua, si ottengono 4 gr. di idrogeno, e quanto ossigeno? (R. 36 gr. di ossigeno).
In definitiva, tenendo presente che la somma delle masse dei reagenti deve essere uguale alla somma delle masse dei prodotti, risulta facile ricavare la quantità di un reagente o di un prodotto della reazione noti tutti gli altri. 

LEGGE DI PROUST

Gli elementi di un composto sono presenti secondo rapporti in massa definiti e costanti.  Cioè, detto più estesamente, per la legge delle proporzioni definite, gli elementi che si combinano tra loro per formare un dato composto stanno tra di loro in proporzioni in massa definite e costanti (e cioè i rapporti di combinazione tra i reagenti sono costanti,  e così pure, ovviamente,  i valori  % degli elementi sono fissi e  costanti).
ESEMPIO 1. Si prepari pirite (solfuro di ferro, FeS₂) partendo da quantità stechiometriche* diverse dei reagenti. La % di ferro e zolfo risulta la stessa in tutti i prodotti ottenuti.
Di seguito sono riportate tre reazioni. Nella prima, si fanno reagire masse in grammi di Fe e S uguali ai loro pesi atomici; nella seconda reazione, si dimezzano le quantità che reagiscono; nella terza, si fanno reagire quantità proporzionali a quelle della prima reazione.

1. 55,847 gr. Fe  + 32,06*2 gr. S ---> 119,97 gr. FeS₂   (46,55% di Fe; 53.446%) - 
2. 27,923 gr. Fe  + 16,03*2 gr. S ---> 59,985 gr. FeS₂   (46,55% di Fe; 53.446)
3. 10,00  gr. Fe  +  11,48*2 gr. S ---> 21,48   gr. FeS₂   (46,55% di Fe; 53.446%)

In tutte tre le reazioni, i rapporti di combinazione Fe/S sono costanti (55,847/32,06*2 = 27,923/16,03*2 = 10/11,48 = 0,871).
In tutte e tre le reazioni, la composizione del solfuro di ferro, e cioè le % di Fe e S, resta costantemente la stessa.
(Per il Fe ---> 55,847*100/119.97 = 27,923*100/59,985 = 10*100/21,48 = 46,55% di Fe; idem per S).
Ovviamente, la conoscenza della legge di Proust ci consente, stando in un laboratorio, di poter calcolare, in base al rapporto di combinazione, le corrette quantità in gr. di Fe e S da far reagire, in modo che non risulti, a fine reazione, nessun eccesso di uno dei due componenti. Dopo di che, pesiamo con una bilancia di precisione le quantità dei reagenti. Quindi, facciamo avvenire la reazione, avendo cura che ci siano le condizioni adatte a che avvenga esclusivamente e completamente la reazione tra Fe e S.
A fine reazione, possiamo verificare che il prodotto ottenuto pesa quanto la somma dei reagenti.

LEGGE DI DALTON

La legge delle proporzioni multiple di Dalton afferma:
" Le quantità in massa di un elemento che si combinano con la stessa quantità di un altro elemento per formare diversi composti, stanno tra loro in rapporti espressi da numeri interi e generalmente piccoli".
Cioè, secondo la legge di Dalton, ogni elemento può entrare a far parte del composto solo secondo multipli interi di una quantità piccola costante ed indivisibile: l' atomo. 
Ad esempio (vedi tabella seguente), se facciamo reagire 71 gr. di cloro rispettivamente con 16 gr., 48 gr., 80 gr., e 112 gr. di ossigeno si ottengono composti diversi in cui i rapporti tra le masse di ossigeno stanno tra di loro secondo numeri interi e generalmente piccoli:  Dalton per primo intuì che l' atomo è chimicamente indivisibile; di conseguenza, nei quattro composti (anidride ipoclorosa, clorosa, clorica, e perclorica), l' ossigeno si combina con il cloro solo secondo multipli interi (1, 3, 5, 7) della sua massa più piccola (16 gr., corrispondente alla massa di 1 gr-atomo di ossigeno, ed è la massa più piccola). 

Anche la Legge di Proust deriva dal fatto che l' atomo è una quantità piccolissima costante ed indivisibile. Dalton emise la prima  teoria atomica , detta appunto "teoria atomica di Dalton", che si basa sui seguenti punti:

1. La materia è formata da particelle piccolissime e indivisibili: gli atomi.
2. Tutti gli atomi di uno stesso elemento sono identici ed hanno la stessa massa.
3. Gli atomi di un dato elemento non possono essere convertiti, con una reazione chimica*, in atomi di un altro elemento.
4. Gli atomi di un elemento si combinano solo con numeri interi di atomi di altri elementi.

Come si vede, i primi tre punti della teoria di Dalton concordano perfettamente con la legge di Lavoisier, e il quarto con la legge di Proust.

* La conversione avviene solo per gli elementi radioattivi (conversione naturale, che avviene con una velocità dipendente dal cosiddetto "periodo di dimezzamento"), o mediante fissione nucleare, che però è una trasformazione fisica, e non chimica.

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LA MOLE: teoria ed esercizi – YouTube (DANIELA NAVA).

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