La materia e le sostanze - staticmy.zanichelli.it · I corpi solidi sono caratterizzati da una...

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1 P er assicurare i colpevoli alla giustizia, i chimici del Reparto Investigazioni Scientifiche (RIS) dell’Arma dei Carabinieri analizzano tutte le tracce non biologiche trovate sulla scena del crimine. Sostanze chimiche, liquidi, vernici, stoffe, materiali esplosivi e molti altri reperti sono analizzati applicando le regole e i metodi che guidano il lavoro del chimico. Se imparerai a conoscerlo meglio, può essere anche più affascinante di come appare in TV. 1 La materia attorno a noi 2 Dai miscugli alle sostanze 3 La dissoluzione e le soluzioni La materia e le sostanze 1

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Per assicurare i colpevoli alla giustizia, i chimici del RepartoInvestigazioni Scientifiche (RIS) dell’Arma dei Carabinierianalizzano tutte le tracce non biologiche trovate sulla scena

del crimine. Sostanze chimiche, liquidi, vernici, stoffe, materialiesplosivi e molti altri reperti sono analizzati applicando le regolee i metodi che guidano il lavoro del chimico.Se imparerai a conoscerlo meglio, può essere anche piùaffascinante di come appare in TV.

1 La materia attorno a noi

2 Dai miscugli alle sostanze

3 La dissoluzione e le soluzioni

La materiae le sostanze1

I

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" Gli stati di aggregazione e i passaggi di statoGli oggetti che abbiamo intorno e con cui abbiamo a che fare tutti i giorni sono detti generica-mente corpi e sono costituiti da materia.

In generale, per materia si intende tutto ciò che possiede una certa massa e un certo volu-me. Il primo compito dei chimici è quello di osservare ciò che ci circonda per studiare come èfatta la materia.

Un modo semplice e intuitivo per classificare la materia è quello che si basa su una proprie-tà dei corpi che possiamo valutare con i nostri sensi: lo stato di aggregazione. Gli stati di aggre-gazione della materia sono fondamentalmente tre: stato solido, stato liquido e stato aeriforme.

◼ I corpi solidi sono caratterizzati da una forma e da un volume definiti.◼ I corpi liquidi hanno volume definito ma assumono la forma del recipiente che li contiene.◼ I corpi aeriformi (gas e vapori) occupano tutto lo spazio a disposizione e quindi hanno la

forma e il volume del contenitore (figura ▶1).

Forse è un po’ meno noto che i diversi stati di aggregazione sono il risultato dei diversi gradi dilibertà che caratterizzano le particelle (atomi o molecole) che costituiscono il corpo (figura ▶2).

▶ Figura 1I materiali allo stato gassososono spesso incolori e quindiinvisibili. Per esempio, nell’ariasi trova sempre l’invisibilevapore acqueo: quando ci sembradi «vederlo» è perché il vaporeacqueo si è trasformato inminuscole goccioline di acqualiquida sospese nell’aria, comeper esempio nelle nuvole o nellanebbia. Se si fa bollire l’acquain un recipiente di vetro, si puòosservare la formazione di bollecostituite dal vapore acqueo.

bolle di vaporeacqueo

goccioline diacqua liquida

▼ Figura 2

Le particelle che costituiscono i corpi nellostato solido sono molto vicine, hanno unaposizione reciproca fssa e non possonospostarsi; tuttavia non sono immobili, datoche vibrano continuamente.

Le particelle che costituiscono i corpi nellostato liquido sono molto vicine tra loro e sonolibere di scorrere le une sulle altre; la distanzamedia tra le particelle, però, è sempre lastessa.

Le particelle che costituiscono i corpinello stato aeriforme hanno grande libertàdi movimento e la distanza media tra esse èenormemente più grande delle dimensioni diogni singola particella.

* ** * *

***

*

In base al loro stato di aggregazione, i corpi si possonoclassificare in solidi, liquidi e aeriformi. I passaggi di stato

sono le trasformazioni che cambiano il loro stato di aggregazione.È possibile anche classificare i corpi in miscugli omogeneied eterogenei, sistemi costituiti da più materiali diversi.

La materiaattorno a noi

NELLE RISORSE DIGITALI

Animazione I passaggi di stato

Approfondimento Il metodo sperimentale

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1 La materia e le sostanze1. La materia attorno a noi

Capitolo

Gli stati di aggregazione solido e liquido sono detti stati condensati della materia, in quanto leparticelle non possono essere ulteriormente avvicinate. Ciò spiega la incomprimibilità di soli-di e di liquidi, cioè il fatto che corpi che si trovano in uno stato condensato, anche se fortemen-te compressi, non modificano significativamente il proprio volume.

I corpi liquidi e quelli aeriformi sono detti fluidi in quanto le loro particelle possono muo-versi: i fluidi non hanno una forma propria e questo consente di trasportarli facilmente at-traverso condutture. Le trasformazioni che cambiano lo stato di aggregazione di un corpo sichiamano passaggi di stato o cambiamenti di stato (figura ▶3).

* ** *

brinamento

fusioneebollizione edevaporazione

condensazionesolidifcazione

sublimazione

solido

aumento di temperatura

liquido aeriforme

diminuzione di temperatura

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" Il sistema e l’ambienteIn generale l’osservazione della materia, sulla base dello stato di aggregazione, presupponedi saper individuare con precisione l’oggetto da classificare. Nel caso di corpi solidi l’oggettoda osservare può essere facilmente definito, mentre se abbiamo a che fare con corpi liquidi esoprattutto con corpi aeriformi l’individuazione dell’oggetto è più complessa. Per esempio,se vogliamo studiare l’aria, qual è il limite di osservazione? L’aria che ci circonda per qualchemetro oppure ci spingiamo a considerare tutta l’atmosfera che circonda la Terra? Occorre per-ciò fare un’operazione mentale con la quale delimitare in modo preciso ciò che si vuole osser-vare. Per fare questo, è sempre necessario identificare e definire con precisione ciò che si devestudiare, distinguendo il sistema dall’ambiente.

Il sistema (che può essere costituito da un singolo corpo o da uninsieme di corpi) è quella porzione di materia che viene studiata;l’ambiente indica tutta la materia che non costituisce il sistema.

Il sistema può interagire con l’ambiente secondo modalità di-verse (figura ▶4):

◼ se il sistema può scambiare materia ed energia con l’am-biente si parla di sistema aperto;

◼ se il sistema può scambiare solo energia ma non materia siparla di sistema chiuso;

◼ se invece il sistema non può scambiare né materia né ener-gia si parla di sistema isolato.

L’osservazione di un sistema non è mai fine a sé stessa ma co-stituisce il presupposto per studiare le proprietà e le eventualitrasformazioni che lo riguardano.

▼ Figura 4Ognuno dei sistemi raffiguratiha un diverso modo di interagirecon l’ambiente.

◀ Figura 3Lo schema riporta i nomi ditutti i passaggi da uno statodi aggregazione all’altro.Normalmente i passaggi di statoavvengono in seguito a unavariazione della temperatura.

aperto

chiuso

isolato

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1 La materia e le sostanze1. La materia attorno a noi

Capitolo

" I miscugliPossiamo effettuare una classificazione della materia anche considerando che molti corpi sonoformati da un insieme di più materiali. I materiali hanno la caratteristica di presentare pro-prietà che appunto li caratterizzano e che li distinguono dagli altri materiali. Per fare un esem-pio, un secchio può essere di plastica o di acciaio: l’uso è lo stesso e anche alcune proprietàpossono essere le stesse, come per esempio la capacità, tuttavia i materiali che lo costituisconosono diversi e visibilmente distinguibili.

I sistemi costituiti da più materiali sono indicati con il termine generico di miscugli (o misce-le). Nello studio della materia è utile distinguere i miscugli in due categorie: miscugli eteroge-nei e miscugli omogenei (tabella ▶1).

▼ Tabella 1 Le principali caratteristiche distintive dei miscugli.

Miscugli eterogenei Miscugli omogenei

Ogni componente mantiene le proprie caratte­ristiche e ciò permette di individuarlo a occhio nu­do o con il microscopio

I componenti si mescolano così bene da non esserepiù distinguibili neppure con il microscopio

Le proprietà non sono uguali in tutti i punti delmiscuglio

Le proprietà sono le stesse in qualunque punto delmiscuglio

I componenti possono essere sempre mescolati inqualsiasi quantità e proporzione

Non sempre i componenti possono essere mescolatiin qualunque quantità e proporzione

Consideriamo ora molti miscugli che sono attorno a noi, che hanno nomi propri e che possonoessere ricondotti allo schema riportato nella tabella.

◼ Le leghe sono miscugli omogenei formati da due o più componenti, dei quali quello presen-te in percentuale maggiore è sempre un metallo: esempi di leghe sono l’acciaio e il bronzo(figura ▶5 A). Tutte le leghe si trovano allo stato solido, eccetto alcune contenenti mercurio,chiamate amalgami, che possono essere anche liquide.

◼ Le sospensioni sono miscugli eterogenei in cui piccolissimi granuli di un solido sono disper-si in un liquido; sono esempi di sospensioni il sangue e i succhi di frutta (figura ▶5 B).

◼ Le emulsioni sono miscugli eterogenei tra liquidi: un liquido è disperso sotto forma di goc-cioline minutissime in un altro liquido in cui non è miscibile. La maionese e il latte sonoesempi di emulsioni (figura ▶5 C).

◼ Gli aerosol sono miscugli eterogenei formati da un solido o da un liquido dispersi in un gas.I fumi sono esempi di miscuglio solido-gas, mentre la nebbia e le nuvole sono esempi dimiscugli liquido-gas.

◼ Le soluzioni sono miscugli omogenei liquidi; una soluzione è costituita da un liquido nelquale vengono sciolti uno o più materiali che possono essere solidi, liquidi o aeriformi.L’acqua potabile è un tipico esempio di soluzione.

▼ Figura 5A Il bronzo è una lega metallicacostituita da stagno e rame.B Le particelle solide insospensione nel succo di fruttasono spesso ben visibili sulfondo del bicchiere.C Le sostanze grasse presenti nellatte sono così uniformementedisperse nel sistema che sipossono vedere solo con ilmicroscopio.

gocciaal microscopio

A B C

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NELLE RISORSE DIGITALI

Video La distillazione di una soluzione

Approfondimento La distillazione del petrolioDi tutti i miscugli omogenei ed eterogenei si possono

separare i costituenti attraverso opportune tecniche.Le sostanze invece sono individui chimici e per questo nonpiù scomponibili con semplici tecniche di separazione.

" I metodi di separazione dei miscugliFin dall’inizio della sua storia, la specie umana ha imparato a utilizzare i materiali che offre lanatura (l’acqua, i sassi, il legno e altri ancora) ma via via che si è evoluta ha imparato anche amanipolare i miscugli naturali che aveva intorno a sé per recuperare da questi i componentiche le servivano.

Con il passare dei secoli, sono state messe a punto tecniche di separazione sempre piùperfezionate, senz’altro molto diverse tra loro, ma accomunate da uno stesso principio: tuttesfruttano una proprietà specifica del componente che si intende separare. Presentiamo oraalcune di queste tecniche.

SetacciaturaLa setacciatura è un metodo concettualmente molto semplice e tuttora in uso in alcune attivitàindustriali oppure in agricoltura. Si può applicare ai miscugli eterogenei solido-solido in cuiun materiale è formato da granuli di dimensioni diverse da quelle degli altri componenti.

FiltrazioneQuesto metodo è utilizzato per la separazione dei miscugli eterogenei solido-liquido e solido-aeriforme. Il miscuglio viene fatto passare attraverso un filtro costituito da maglie con piccolipori, in modo che i granuli del materiale solido vengano trattenuti; il liquido o il gas riesconoad attraversare il filtro (figura ▶6).

Estrazione con solventeQuesta tecnica viene utilizzata per miscugli sia omogenei sia eterogenei. Il miscuglio vienemescolato con un liquido (detto solvente) che è in grado di sciogliere soltanto il componenteche si vuole separare. Una volta separata la soluzione dal miscuglio, si può recuperare il com-ponente sciolto attraverso un’altra tecnica di separazione.

DecantazioneLa decantazione è un metodo utilizza-to soprattutto per la separazione deimiscugli eterogenei solido-liquido econsiste nel lasciare a riposo il sistemain modo che i granuli del solido (cheha maggior peso specifico) si depositi-no spontaneamente sul fondo; succes-sivamente si può travasare il liquidosovrastante ottenendo così la separa-zione dei componenti (figura ▶7).

Si tratta di un metodo che può es-sere utilizzato anche per separare i mi-scugli eterogenei liquido-liquido: in talcaso il liquido con peso specifico mag-giore si dispone sotto a quello con pesospecifico minore.

▲ Figura 6Il termine aria indica unmiscuglio di diversi gas. Spessoperò l’aria che respiriamocontiene anche particellesolide. Proprio per questo iclimatizzatori sono dotati difiltri per trattenere le polveripresenti nell’aria in entrata.

◀ Figura 7La decantazione rappresentauna delle fasi impiegate neiprocessi di trattamento edi depurazione delle acque.Questo procedimento serve perfar depositare sul fondo dellevasche i fanghi che hannopeso specifico maggiore. Ladecantazione consente diseparare dalle acque le particelledi solido che hanno diametromaggiore di 10 millesimi dimillimetro. L’immagine mostral’acqua che tracima dall’ultimavasca di decantazione; essa puòessere usata per l’irrigazioneagricola oppure riversata in uncorso d’acqua.

2 Dai miscuglialle sostanze

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1 La materia e le sostanze2. Dai miscugli alle sostanze

Capitolo

CentrifugazioneQuesto metodo è utilizzato per la separazione dei miscugli eterogenei solido-liquido e liquido-liquido. Il miscuglio è introdotto in un recipiente che viene fatto ruotare molto velocemente:le parti del miscuglio con peso specifico maggiore si raccolgono rapidamente sul fondo e sullepareti del recipiente (figura ▶8).

A livello industriale, la centrifugazione viene utilizzata per esempio per separare l’olio ex-travergine d’oliva dal liquido di spremitura e per ottenere la panna dal latte.

CromatografiaQuesto metodo consente di separare miscugli costituiti da molti componenti e sfrutta la diver-sa velocità di migrazione dei componenti su opportuni supporti. Le tecniche cromatografichesono utilizzate nell’analisi delle urine e degli inquinanti delle acque e dell’aria.

Il nome prende origine dal termine greco chrôma che significa «colore» ed è stato introdottodal botanico italo-russo M.S. Tswett, il quale notò per primo che operando su un estratto difoglie verdi, come quello riportato nella figura ▶9, si ottenevano zone diversamente colorate.

DistillazioneQuesta tecnica consente di separare i componenti dei miscugli omogenei solido-liquido e li-quido-liquido. Il miscuglio liquido viene fatto bollire e i vapori che si liberano sono poi fatticondensare.

Per ottenere separatamente i componenti di una soluzione salina, come per esempio l’ac-qua del mare, è possibile utilizzare una tecnica chiamata distillazione semplice che si puòrealizzare con un’apparecchiatura simile a quella della figura ▶10.

▲ Figura 8In laboratorio, per separarerapidamente i componenti diun miscuglio eterogeneo si usaun’apparecchiatura chiamataappunto centrifuga.

▶ Figura 9Nell’analisi cromatografica,piccole quantità del miscugliovengono poste sulla carta cheviene poi immersa verticalmentein un opportuno solvente(eluente). Il solvente risaleper capillarità nella carta, icomponenti si sciolgono in essoe la separazione avviene pereffetto della diversa velocità dirisalita.

ogni banda coloratacorrisponde a undiverso componentedel miscuglio

estratto di spinaci

carta speciale

liquido eluente

▼ Figura 10Apparecchiatura utilizzata inlaboratorio per la distillazionesemplice.

0102030405060708090

100

entrataacquafredda

uscitaacqua

condensazionedel vapore

vapore acqueo

soluzione salinaacqua distillata

100ml

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1 La materia e le sostanze2. Dai miscugli alle sostanze

Capitolo

" Le sostanze chimicheL’acqua fornita dall’acquedotto, così come l’acqua minerale e l’acqua dei fiumi e dei laghi, èdetta acqua dolce per distinguerla dall’acqua del mare, che è salata a causa della grande quanti-tà di sali minerali che vi sono sciolti.

Tuttavia, anche l’acqua dolce contiene disciolti, naturalmente in misura minore, sali mine-rali e anche materiali aeriformi come ossigeno e anidride carbonica (figura ▶11).

Con apparecchiature chimiche chiamate deionizzatori è possibile eliminare dalla soluzioneacquosa i sali disciolti, ottenendo così un materiale liquido detto acqua demineralizzata. L’acquademineralizzata però è ancora un miscuglio, perché contiene microrganismi, materiali gassosie tracce di solidi disciolti.

Per una purificazione ulteriore è necessario sottoporre l’acqua demineralizzata a un pro-cesso di distillazione; in questo modo si ottiene un sistema formato da un solo componente,cioè un materiale unico: l’acqua distillata.

Così come l’acqua distillata, ogni sistema che può essere considerato come un materiale puro èun individuo chimico, cioè presenta caratteristiche che lo rendono unico e inconfondibile. Ogniindividuo chimico è una sostanza chimica, o più semplicemente sostanza.

Una sostanza assolutamente pura è un concetto astratto, poiché la possibilità di determina-re se contiene o no impurità è legata alla sensibilità dei metodi di analisi. Potremmo dire allorache una sostanza è pura quando nessun metodo di analisi consente di accertare la presenza ditracce di altre sostanze.

In realtà, nella vita di ogni giorno una sostanza è considerata pura quando contiene pocheimpurità che non interferiscono in modo significativo con gli usi ai quali è destinata. Per esem-pio, il cloruro di sodio usato in cucina è molto meno puro del rame usato per i cavi elettrici odel silicio impiegato nei chip; tuttavia un’ulteriore purificazione del sale da cucina sarebbeinutile, perché non migliorerebbe l’uso al quale è destinato.

In molte situazioni è importante saper distinguere se un sistema è una sostanza oppureun miscuglio. Un metodo che può essere utile a questo scopo è quello di basarsi sul nome.I nomi delle sostanze possono essere letti solo al singolare perché ogni sostanza è un individuochimico e, quindi, non possono esserci diversi tipi della stessa sostanza (figura ▶12).

▲ Figura 11L’acqua minerale è una soluzione,cioè un miscuglio omogeneocostituito da più componenti.

L’acqua potabile èuna soluzione costituitada più componenti.

L’acqua demineralizzatapresenta ancora tracce dialtri componenti.

L’acqua distillata è unmateriale puro, identifcatodalla formula chimica H2O.

molecolad’acqua

▲ Figura 12Bicarbonato di sodio, acidosolforico e alluminio sono nomidi sostanze e non possono esseremai declinati al plurale. I nomidei miscugli, invece, si possonousare anche al plurale: infattiesistono diversi tipi di farine, cosìcome esistono più oli, più benzineeccetera.

Capitolo

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NELLE RISORSE DIGITALI

Animazione Dissoluzione e concentrazionedi una soluzione

Approfondimento La densità delle soluzioni

Il fenomeno che riguarda una sostanza che si scioglie in un liquido èdetto dissoluzione: in questa trasformazione la massa del sistema

non cambia, mentre il volume può variare. La concentrazione dellesoluzioni corrisponde al rapporto tra la quantità di soluto e laquantità di soluzione (o di solvente).

3 La dissoluzionee le soluzioni

" Il processo di dissoluzioneÈ sufficiente guardarsi un po’ attorno per rendersi conto che le soluzioni sono sistemi moltodiffusi e utilizzati ogni giorno per moltissimi usi. Le soluzioni sono miscugli omogenei liquidicostituiti da un solvente in cui sono sciolti uno o più soluti.

Le soluzioni più comuni hanno come solvente l’acqua e sono perciò dette soluzioni acquose.Per comprendere le proprietà delle soluzioni occorre considerare che cosa accade, per esempio,quando una sostanza solida si scioglie in un liquido. La trasformazione che avviene si chiamadissoluzione: le particelle che costituiscono il solido si staccano progressivamente dal corpo dicui fanno parte e si disperdono mescolandosi uniformemente con le particelle del liquido sol-vente. Proprio per questo nella soluzione non è più possibile distinguere il soluto, neppure conun potente microscopio: la soluzione è un liquido omogeneo trasparente (figura ▶13).

Abbiamo descritto quello che accade quando la sostanza che si scioglie è solida; aquesto stesso stato di soluzione si può giungere anche sciogliendo una sostanzaliquida o aeriforme.

Dopo la dissoluzione di una sostanza nel solvente, il soluto non è più né solidoné liquido né gassoso: le sue particelle sono uniformemente disperse tra quelle delsolvente e quindi si può dire soltanto che la sostanza è sciolta. In questo nuovo statonon è possibile separare il soluto dal solvente né con una centrifugazione né conuna filtrazione (figura ▶14).

Durante la dissoluzione la temperatura del sistema cambia e la variazione puòessere talvolta così marcata da essere facilmente avvertita dai nostri sensi. Ci sonosituazioni in cui la temperatura del sistema aumenta: in questo caso si dice che ladissoluzione è esotermica. In altri casi si osserva l’effetto contrario: la temperatura delsistema diminuisce e si dice che la dissoluzione è endotermica.

Quando si mescolano più corpi formati da materiali uguali o diversi, la massa delsistema che si ottiene è sempre uguale alla somma aritmetica delle masse dei singolicorpi separati. Possiamo cioè dire che in generale la massa è una proprietà dei corpi che siconserva anche nelle operazioni di mescolamento.

Naturalmente questo è vero anche per le soluzioni: la massa di una soluzionecorrisponde alla somma delle masse del solvente e delle sostanze che vengonosciolte.

▼ Figura 13Il permanganato di potassio èun solido viola scuro; quandoè disciolto in acqua anche lasoluzione diventa violetta.Il recipiente che contiene lasoluzione viene abitualmenteutilizzato nei laboratori chimicie prende il nome di becher.

permanganato di potassio

acquadistillata

soluzione

▲ Figura 14I componenti della soluzione acquosa dipermanganato di potassio non si riesconoa separare con una filtrazione: le particelledel soluto sono così piccole che nessun filtroriesce a trattenerle.

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1 La materia e le sostanze3. La dissoluzione e le soluzioni

Capitolo

È importante invece sot-tolineare che il volume diuna soluzione non semprecorrisponde alla somma deivolumi del solvente e dellesostanze che vengono sciol-te in esso (figura ▶15).

Anche se proviamo amescolare alcol denaturatocon acqua si verifica che ilvolume finale della solu-zione risulta minore dellasomma dei volumi dei dueliquidi non ancora miscelati(figura ▶16).

Tutto questo porta ad affermare che in generale il volume dei corpi è una grandezza che nonsempre si conserva nelle dissoluzioni, cioè il volume dei corpi può cambiare se vengono mescolatitra loro. Nel caso dei miscugli eterogenei il volume del sistema è sempre uguale alla sommadei volumi dei singoli componenti.

" La concentrazioneConoscere qual è il solvente e qual è il soluto non è sufficiente per caratterizzare in modocompleto una soluzione: è necessario indicare anche la sua composizione quantitativa, cioèla concentrazione (C ).

Per capire che cosa indica la concentrazione di una soluzione si può considerare la seguen-te situazione: una tazza contiene 200 mL di tè in cui sono stati sciolti 3,8 g di zucchero e una ca-raffa contiene 1000 mL di tè in cui sono stati sciolti 19 g di zucchero. Pur avendo utilizzato duequantità diverse di zucchero, si può constatare che il tè nella tazza e quello della caraffa sonodolci alla stessa maniera. Questo accade perché le due soluzioni hanno la stessa composizionequantitativa, cioè hanno la stessa concentrazione di zucchero.

Possiamo assegnare un valore numerico alla concentrazione dello zucchero nel tè dividen-do la massa del soluto per il volume della soluzione; otteniamo in entrambi i casi lo stessorisultato (figura ▶17). Questa conclusione ha validità del tutto generale:

La concentrazione (C) di una soluzione è espressa dal rapporto tra la quantità di soluto e laquantità di soluzione (o di solvente).

◀ Figura 15Dopo la dissoluzione del solidonell’acqua, si osserva che lamassa del sistema non cambia,mentre il volume diminuisce.

▲ Figura 16Aggiungendo all’acqua alcoldenaturato, i due liquidirimangono momentaneamenteseparati a causa della diversadensità. Dopo il mescolamentosi osserva che il volume dellamiscela è minore di quello delsistema iniziale.

volumefnale

volumeiniziale

◀ Figura 17I valori uguali sottolineanoche la concentrazione è unagrandezza intensiva.

C =3,8 g

200 mL= 0,019 g/mL C =

19 g

1000 mL= 0,019 g/mL

livello del liquido

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1 La materia e le sostanze3. La dissoluzione e le soluzioni

Capitolo

" Le soluzioni sature e la solubilitàAvendo a disposizione una sostanza e un solvente in cui essa è solubile, quanti tipi di soluzio-ne si possono preparare? Dato che è sufficiente cambiare la concentrazione per avere una so-luzione diversa dall’altra, si può giustamente rispondere che è possibile preparare un numeroteoricamente infinito di soluzioni differenti. Ma ne siamo proprio sicuri? Consideriamo unasituazione che tutti possono facilmente verificare: se mescoliamo anche a lungo 100 g di saleda cucina in 200 mL di acqua distillata ci possiamo rendere conto che non tutto il sale si scio-glie ma una parte rimane allo stato solido. In questo caso è stato raggiunto il massimo valorepossibile di concentrazione, cioè si è formata una soluzione satura.

Il rapporto tra la quantità di sostanza sciolta che ha determinato la saturazione e la quantitàdi solvente è un valore caratteristico della coppia soluto-solvente; questo valore viene chiama-to solubilitˆ.

La solubilità di una sostanza in un determinato solvente corrisponde alla massimaconcentrazione che può avere una soluzione a una certa temperatura.

Nella definizione di solubilità compare anche la temperatura. Infatti, se si scalda o se si raf-fredda il sistema, si osserva un cambiamento della quantità di soluto necessaria per saturarela soluzione. Nel grafico della figura ▶18 è mostrata la variazione della solubilità in acqua dialcune sostanze, solide a temperatura ambiente.

Contrariamente a quanto accade per quasi tutte le sostanze solide, la solubilità dei gas in unsolvente diminuisce all’aumentare della temperatura.

▶ Figura 18Ogni curva rappresenta lavariazione della solubilità diuna determinata sostanzasolida in acqua al variare dallatemperatura.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

solu

bilit

à(g

solu

to/1

00g

acqu

a)

temperatura (°C)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

nitrato di sodiodicloruro di calcionitrato di piombonitrato di potassiocloruro di sodiocloruro di potassiodicromato di potassioclorato di potassiosolfato di cerio

Per sapernedi più

La solubilità di un gas in unliquido aumenta all’aumen­tare della pressione. Questaproprietà viene sfruttataquando si aggiunge anidri­de carbonica sotto pressio­ne nella preparazione delleacque minerali frizzanti.Quando si stappa la bottigliala pressione si abbassa, lasolubilità del gas diminuiscee quindi possiamo osservarele bolle di anidride carboni­ca che salgono in superficie.

Proviamo insiemeSulla base del grafico della figura 18 vogliamo determinare la solubilità del dicromato di potassio allatemperatura di 50 °C.Dobbiamo individuare sull’asse delle ascisse il punto che corrisponde alla temperatura di 50 °C e da lìseguire la linea verticale parallela all’asse delle ordinate fino a incontrare la curva di colore violetto;da quel punto possiamo seguire la linea orizzontale parallela all’asse delle ascisse fino a individuareil valore 30. Pertanto la solubilità del dicromato di potassio a 50 °C vale 30 g / 100 g di acqua.

Determina a quale temperatura la solubilità del clorato di potassio è uguale a quella del dicromato dipotassio determinata a 50 °C.

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1 La materiae le sostanze

CapitoloMAPPA DI SINTESI

" I passaggi di stato

" Sistema e ambiente

" I miscugli

" Le sostanze

Per osservare con metodo scientifico la materia occorre individuare esattamente ciò che è oggetto di studio e che chiamiamo genericamentesistema; tutto il resto si indica con il termine di ambiente.

I miscugli sono sistemi costituiti da due o più materiali mescolati in modo eterogeneo o omogeneo.

Miscugli eterogenei Miscugli omogenei

Ogni componente mantiene le proprie caratteristiche e ciò per-mette di individuarlo a occhio nudo o con il microscopio

I componenti si mescolano così bene da non essere più distin-guibili neppure con il microscopio

Le proprietà non sono uguali in tutti i punti del miscuglio Le proprietà sono le stesse in qualunque punto del miscuglio

I componenti possono essere sempre mescolati in qualsiasiquantità e proporzione

Non sempre i componenti possono essere mescolati in qualunquequantità e proporzione

Sono esempi di miscugli eterogenei il fumo, le nuvole, il latte.Sono esempi di miscugli omogenei la benzina, l’acqua potabile, le leghe di metalli.I singoli componenti dei miscugli possono essere isolati utilizzando diverse tecniche di separazione, come la setacciatura, la filtrazione, ladecantazione, la centrifugazione, la cromatografia, la distillazione e l’estrazione con solvente.

Tutti i materiali che costituiscono i corpi sono sostanze o miscugli di sostanze. Una sostanza è un sistema caratterizzato da un unicocomponente, cioè è un materiale puro: ogni sostanza è quindi un individuo chimico con caratteristiche proprie invariabili.Sono esempi di sostanze l’acqua distillata, il bicarbonato di sodio, l’ossigeno, l’oro puro (24 carati).

I passaggi di stato (o cambiamenti di stato) sono le trasformazioni checambiano lo stato di aggregazione dei corpi.Normalmente i passaggi di stato avvengono a seguito di una variazione ditemperatura. Le particelle che costituiscono i solidi e i liquidi sono moltovicine: nei solidi vibrano continuamente mentre nei liquidi scorrono leune sulle altre. Le particelle dei corpi allo stato aeriforme sono libere dimuoversi e occupano tutto lo spazio a disposizione.

brinamento

fusioneebollizione edevaporazione

condensazionesolidifcazione

sublimazione

solido

aumento di temperatura

liquido aeriforme

diminuzione di temperatura

può scambiaremateria e energia

può scambiaresolo energia

non può scambiare némateria né energia

sistema chiuso

ambiente

sistema aperto

ambiente

sistema isolato

ambiente

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MAPPA DI SINTESI 1 La materiae le sostanze

Capitolo

" Le soluzioni

" Le soluzioni sature

" La concentrazione

La concentrazione è una caratteristica fondamentale delle soluzioni: essa indica il rapporto trala quantità di soluto e la quantità di soluzione (o di solvente).

Considerando la figura, si può dire che ogni bicchiere di tè versato dalla caraffaè ugualmente dolce perché la concentrazione dello zucchero è sempre la stessa,indipendente dalla quantità di tè: infatti la concentrazione è una grandezza intensiva.

L'acqua minerale è un esempio di soluzione dato che nel solvente acqua sono disciolte alcunesostanze gassose e numerosi sali minerali. La concentrazione di ogni soluto presente nell’acquaviene generalmente espressa in mg/L ed è riportata sull’etichetta.

Le soluzioni sono miscugli omogenei, costituiti da un componente preponderante (disolito un liquido), detto solvente, e da un componente (o più componenti) disciolto,detto soluto.Quando una sostanza si scioglie in un liquido avviene una trasformazione che vienechiamata dissoluzione: se il soluto è solido, le sue particelle si staccano progressivamentee si disperdono mescolandosi uniformemente tra le particelle del liquido solvente; lasoluzione che si ottiene risulta essere un sistema liquido omogeneo trasparente.Nelle soluzioni non è più possibile distinguere il soluto (neppure con un potentemicroscopio) e non è possibile separare il soluto dal solvente con una filtrazione.Nel corso delle dissoluzioni la temperatura del sistema può cambiare:

◼ se la temperatura del sistema aumenta (tfinale > tiniziale) si ha una dissoluzione esotermica

◼ se la temperatura del sistema diminuisce (tfinale < tiniziale) si ha una dissoluzione endotermica

È facile verificare che non si può sciogliere una qualunque quantità di sale in un bicchierd’acqua: la presenza di un corpo di fondo (sale solido che non si riesce più a sciogliere)indica che si è formata una soluzione satura in cui la concentrazione raggiunge il massimovalore possibile a una data temperatura. Questo valore prende il nome di solubilitˆ.La solubilità generalmente aumenta con l’aumentare della temperatura.

Nel grafico è rappresentata la curva di solubilità del dicromato di potassio: si vedeche alla temperatura di 50 °C si sciolgono in 100 g di acqua circa 30 g di soluto.

soluzione

C =3,8 g

200 mL=

= 0,019 g/mLC =

19 g

1000 mL=

= 0,019 g/mL

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

solu

bilit

à(g

solu

to/1

00g

acqu

a)

temperatura (°C)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 La materiae le sostanze

Capitolo

13

ESERCIZI di autoverifica

1 La materia attorno a noi1 Quali stati di aggregazione sono detti condensati?

2 Un materiale che riempie completamente una bottigliaviene trasferito, senza che cambi la temperatura, in unabottiglia di volume doppio. Dato che questa bottiglia nonsi riempie completamente quali ipotesi puoi fare sullostato di aggregazione del materiale?

3 Indica la differenza fondamentale tra i corpi solidi e quelliliquidi.a I solidi sono costituiti da più componenti mentre i li-

quidi sono formati da un unico componenteb I solidi sono visibili a occhio nudo mentre i liquidi si

osservano solo al microscopioc I corpi solidi hanno massa definita, i liquidi invece nod I corpi liquidi, a differenza dei solidi, sono fluidie I corpi solidi sono caratterizzati dall’avere un volume

definito mentre i corpi liquidi no

4 Un corpo le cui particelle sono libere di muoversi purmantenendosi alla stessa distanza reciproca media è:a un solido b un fluidoc un aeriforme d un gase un liquido

5 Un sistema è chiuso quando:a può scambiare con l’ambiente sia materia sia energiab può scambiare con l’ambiente materia ma non energiac può scambiare con l’ambiente energia ma non materiad non può scambiare con l’ambiente né materia né energiae non può mai scambiare energia con l’ambiente

6 Le seguenti proprietà si riferiscono ai miscugli eteroge-nei; indica quella sbagliata.a Non sempre i loro componenti possono essere visibili

a occhio nudob I loro componenti possono essere mescolati in qualun-

que proporzionec Le proprietà di questi miscugli sono le stesse in ogni

punto del sistemad I componenti conservano le loro proprietà quando

sono mescolatie I componenti possono essere solidi, liquidi o aeriformi

7 Le seguenti proprietà si riferiscono ai miscugli omogenei;indica quella sbagliata.a I componenti sono invisibili anche al microscopiob I componenti possono essere mescolati in qualunque

quantità e proporzionec Le proprietà di questi miscugli sono le stesse in tutti i

punti del sistema

d I componenti possono essere solidi, liquidi o aeriformie I componenti, mescolandosi, perdono alcune loro pro-

prietà

2 Dai miscugli alle sostanze8 Per separare un miscuglio eterogeneo solido-solido tra-

mite setacciatura i granuli dei diversi materiali devonoavere:a diverso peso specifico b diverse dimensionic diversa solubilità in acqua d diversa formae diversa densità

9 Per quale tipo di sistemi risulta efficace la filtrazione?a Soltanto per i miscugli eterogenei formati da solidi e

liquidib Soltanto per i miscugli eterogenei formati da liquidic Per tutti i miscugli omogenei eccetto quelli solidid Soltanto per i miscugli omogenei liquido-solidoe Per i miscugli eterogenei solido-liquido e solido-aeri-

forme

10 Per quale tipo di sistemi è efficace la centrifugazione?a Per tutti i miscugli omogenei formati da liquidib Per i miscugli eterogenei formati da liquidic Per tutti i miscugli eterogenei formati da solidid Soltanto per i miscugli omogenei liquido-gase Soltanto per i miscugli eterogenei solido-liquido

11 Quale tra i seguenti metodi può essere utilizzato per se-parare i sali presenti nell’acqua del mare?a La centrifugazione b L’estrazione con solventec La filtrazione d L’evaporazione del solventee La setacciatura

12 Un miscuglio è formato da sabbia, sale marino e conchi-glie. Per separare il sale si può eseguire:a una filtrazione b una centrifugazionec una estrazione con solvente d una setacciaturae una decantazione

13 Qual è la differenza tra miscugli e sostanze?a I costituenti delle sostanze non sono visibili neppure

al microscopio, quelli dei miscugli sìb I costituenti delle sostanze si possono vedere soltanto

con il microscopioc I miscugli sono formati da più componenti, le sostanze

da uno solod Le proprietà delle sostanze sono uguali in ogni punto,

quelle dei miscugli noe I miscugli sono sistemi eterogenei, le sostanze sono si-

stemi omogenei

Altri esercizi online

14

1 La materiae le sostanze

CapitoloESERCIZI di autoverifica

14 Indica l’unico cambiamento di stato che può riguardareun materiale aeriforme.a Evaporazioneb Solidificazionec Sublimazioned Fusionee Condensazione

15 Aggirandosi tra le corsie di un supermercato, uno studen-te crede di avere individuato alcuni articoli in vendita checorrispondono praticamente a sostanze chimiche. Pur-troppo nel suo elenco c’è un errore che devi scoprire:a alluminiob pepec saccarosiod trielinae acetone

3 La dissoluzione e le soluzioni16 In un cilindro graduato si miscelano 10,0 mL di un liqui-

do A (m = 10,0 g) con 10,0 mL di un liquido B (m = 7,9 g).Dopo che si è formata la soluzione, quale affermazione ècompletamente vera?a La massa è di 20,0 g e il volume di 17,9 mLb La massa è di 17,9 g e il volume di 20,0 mLc La massa è di 17,9 g e il volume minore di 20,0 mLd La massa è di 17,9 g e il volume maggiore di 20,0 mLe La massa è di 17,9 g e il volume può essere diverso da

20,0 mL

17 Considera una generica soluzione e indica quali sono leaffermazioni vere e quelle false.a) Le particelle del soluto non possono mai essere

separate da quelle del solvente con una fltrazione v f

b) Le particelle di un liquido si disperdonouniformemente nel solvente v f

c) Le particelle dei gas disciolti formano bollevisibili nel solvente v f

d) Le particelle del soluto si disperdono assumendole proprietà delle particelle del solvente v f

e) Le particelle del soluto non sonopiù distinguibili da quelle del solvente v f

18 Una bottiglia contiene 1 L di una soluzione acquosa disaccarosio. Se ne utilizzi 500 mL come cambiano la massadel soluto, il volume e la concentrazione della soluzionerimasta nella bottiglia?

19 La concentrazione di una soluzione indica:a la quantità di solvente impiegata per preparare la so-

luzione

b la quantità di soluto impiegata per preparare la solu-zione

c il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di so-luzione

d il rapporto tra il volume di soluzione e il volume delsoluto

e il rapporto tra la massa della soluzione e la massa delsoluto

20 In relazione alle soluzioni, indica per ogni affermazionese è vera o falsa.a) Le soluzioni sono miscugli omogenei v f

b) Le soluzioni sono miscugli liquidi v f

c) I componenti delle soluzioni non si possonoseparare v f

d) Il materiale sciolto nel liquido non si distingueneppure con il microscopio v f

e) Se il materiale sciolto era solido, si puòseparare con una fltrazione v f

21 In un becher è contenuta la soluzione acquosa di unsale che ha concentrazione 15 g/L. Se si fa bollire la so-luzione per 20 min e si lascia raffreddare, quale affer-mazione sulla soluzione è sicuramente sbagliata?a La concentrazione della soluzione è aumentatab La massa del soluto è aumentatac Il volume del solvente è diminuitod La massa del solvente è diminuitae Il volume della soluzione è diminuito

22 In relazione alla dissoluzione di una sostanza in un sol-vente, indica l’affermazione corretta.a Se la sostanza è solida, essa fonde nel solventeb Se la sostanza è un gas, essa condensa nel solventec Se la sostanza è liquida, essa liquefa nel solvented Se la sostanza è liquida, essa si miscela con il solventee Se la sostanza è solida, essa si fa liquida nel solvente

23 In 200 mL di una soluzione sono disciolti 3,6 g di sale dacucina mentre 0,38 L di una seconda soluzione ne conten-gono 4,6 g. Calcola la concentrazione delle due soluzionie indica qual è la più salata.

24 In quale situazione si può affermare che una soluzione sa-lina è satura?a Contiene un po’ di sale non scioltob La temperatura della soluzione è elevatac Il sistema è perfettamente limpido e incolored Il sistema rimane limpido anche se si raffredda la solu-

zionee È stata sciolta una elevata quantità di soluto

15

VERIFICA DELLE COMPETENZE 1 La materiae le sostanze

Capitolo

" Descrivere un dato sistema utilizzando unlinguaggio scientificamente corretto

1 Per ogni materiale, indica se è un miscuglio omogeneo(MO) o un miscuglio eterogeneo (ME).

MO MEa) Bronzo q q

b) Aria q q

c) Vinagrette q q

d) Latte parzialmente scremato q q

e) Aceto di vino q q

f) Grappa q q

g) Nuvole q q

h) Acqua di sorgente q q

2 Un aerosol è un miscuglio:a omogeneo liquido-aeriformeb eterogeneo liquido-aeriformec omogeneo aeriforme-aeriformed eterogeneo aeriforme-aeriformee omogeneo solido-aeriforme

" Individuare la tecnica di separazione per separare icomponenti di un dato sistema

3 Un miscuglio è formato da tre componenti: X, Y, Z. Unostudente effettua prima una filtrazione per recuperare X epoi una distillazione per separare Y e Z. In base a questeinformazioni, quale affermazione è certamente sbagliata?a Il miscuglio iniziale è eterogeneob Il miscuglio tra Y e Z è omogeneoc Sicuramente X è un materiale solidod Il miscuglio tra Y e Z è liquidoe Sicuramente X, Y e Z sono materiali liquidi

4 Si può utilizzare il metodo della centrifugazione per sepa-rare l’alcol presente nella birra?a Dipende dalla gradazione alcolica della birrab Sì, ma solo dopo avere tolto il gas che la rende friz-

zantec No, poiché la birra contiene troppo poco alcold No, poiché l’alcol è miscelato in modo omogeneo con

l’acqua presente nella birrae Sì, solo dopo avere effettuato la filtrazione della birra

5 In relazione alle soluzioni, indica per ogni affermazionese è vera o falsa.a) Le soluzioni sono miscugli omogenei v f

b) Le soluzioni sono miscugli liquidi v f

c) I componenti delle soluzioni non si possonoseparare v f

d) Il materiale sciolto nel liquido non si distingueneppure con il microscopio v f

" Distinguere tra un miscuglio e una sostanza

6 Nell’elenco che segue, indica le sostanze:a acqua distillatab lingotto d’oro a 24 caratic olio extravergine d’oliva spremuto a freddo e filtratod bicarbonato di sodioe sanguef burrog saccarosioh alluminioI pepe

" Applicare la definizione di concentrazione di unasoluzione

7 In 200 mL di una soluzione sono disciolti 3,6 g di sale dacucina mentre 0,38 L di una seconda soluzione ne conten-gono 4,6 g. Calcola la concentrazione delle due soluzionie indica qual è la più salata.

8 Un bicchiere contiene 150 mL di una soluzione in cui sonosciolti 20,0 g di zucchero. In un altro bicchiere è contenutauna soluzione zuccherina avente concentrazione 125 g/L.Qual è la soluzione più dolce?

9 Quale delle seguenti soluzioni ha la concentrazione mag-giore?a 5 g di soluto in 100 mL di soluzioneb 50 g di soluto in 0,500 L di soluzionec 0,05 kg di soluto in 100 mL di soluzioned 5 g di soluto in 100 cm3 di soluzionee 0,05 kg di soluto in 1,00 dm3 di soluzione

" Interpretare le informazioni ricavabili da un graficotemperatura/solubilitˆ

10 A quale temperatura la solubilità in acqua del cloruro dipotassio è uguale a quella del cloruro di sodio?

11 Per ottenere acqua fredda e molto frizzante, usando i di-spositivi che consentono di trasformare l’acqua del rubi-netto in acqua frizzante, è preferibile addizionare primal’anidride carbonica e poi mettere l’acqua in frigoriferooppure invertire le due operazioni?

12 In quale situazione si può affermare che una soluzione sa-lina è satura?a Contiene un po’ di sale non scioltob La temperatura della soluzione è elevatac Il sistema è perfettamente limpido e incolored Il sistema rimane limpido anche se si raffredda la solu-

zionee È stata sciolta una elevata quantità di soluto

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1 La materiae le sostanze

CapitoloVERIFICA DELLE COMPETENZE

OLTRE L’ESPERIMENTO – La distillazione di una soluzione

1) Come si chiama il passaggio di stato che avviene all’interno del pal-lone codato?

2) Come si chiama il passaggio di stato che avviene dentro al refrige-rante?

3) L’acqua di rubinetto che fuisce nel refrigerante attraverso i tubi diraccordo entra a contatto con i vapori che escono dal pallone codato?

4) Che cosa cambia nell’acqua di rubinetto da quando entra nel refrige-rante a quando ne esce?

5) Descrivi brevemente come può essere utilizzata l’apparecchiaturadel video per stabilire quale tra due mari è più salato.

6) Il vino rosso contiene molte sostanze; le due principali sono liquide: acqua e alcol etilico (teb = 79 °C); sono presenti an-che sostanze solide coloranti e aromatizzanti. Supponi ora di scaldare e far bollire il vino rosso in un’apparecchiaturauguale a quella del video. In questo modo puoi separare l’alcol presente nel vino? Motiva la tua risposta.

CHIMICA NELLA REALTÀ – Il latte microfiltratoIl latte è un alimento fondamentale per lanostra alimentazione e richiede attente mo-dalità di lavorazione e di conservazione. Illatte, se non diversamente specificato, è illatte vaccino, cioè il prodotto della mungi-tura delle vacche che all’origine viene dettolatte crudo. Per legge, il latte destinato allavendita al dettaglio deve aver subito almenoun trattamento termico e deve essere confe-zionato in contenitori chiusi nello stabili-mento in cui si effettua il trattamento.

I trattamenti termici consentiti sonodue:• la pastorizzazione, ossia il trattamento

termico in flusso continuo per 15 s, atemperatura inferiore al punto di ebol-lizione ma superiore a 72 °C, idoneo adassicurare la distruzione di tutti i mi-crorganismi patogeni e di parte rilevantedella flora microbica saprofita, con limi-tate alterazioni delle caratteristiche chi-miche, fisiche e organolettiche;

• la sterilizzazione, ossia il trattamentotermico che assicura la distruzione di tuttii microrganismi presenti nel latte e ne im-pedisce definitivamente la proliferazione.

Capita sempre più spesso di trovare nel ban-co frigorifero del supermercato confezioni dilatte la cui durata, dalla data di produzione,è maggiore di quella del latte pastorizzato:si tratta di latte microfiltrato.

Ai sensi del D.M. del 17/06/2002 del Mi-nistero della Salute che riguarda il latte, sidefinisce microfiltrazione la tecnica di fil-trazione condotta su elementi filtranti esen-ti da cessioni e aventi pori con luce mediada 1,4 a 2 micron.

Infatti il latte microfiltrato è quello cheesce dopo aver attraversato una membra-na filtrante in grado di trattenere anche lagrande maggioranza dei batteri presenti na-turalmente nel latte.

Prima di essere sottoposto alla microfiltra-zione, il latte crudo deve essere scremato,generalmente tramite centrifugazione. Laparte grassa separata subisce un processo diomogeneizzazione e poi viene nuovamentemiscelata con la parte microfiltrata: il pro-dotto così ottenuto, che ha già una caricabatterica estremamente ridotta, viene infinesottoposto al processo di pastorizzazione.

Oggetto Ordine di grandezza

Mosca 10–2 m

Capello 10–4 m

Globulo rosso 10–5 m

Escherichia coli 10–6 m

Virus dell’epatite C 10–7 m

Molecola del DNA 10–9 m

Molecola d’acqua 10–10 m

Ione calcio 10–10 m

Dopo aver letto il testo rispondi alle seguenti domande

1) In base alle nostre regole di classifcazione della materia,come è defnito il latte? Motiva la risposta.

2) Usando le unità di misura del Sistema Internazionale, in-dica il diametro dei pori delle membrane fltranti che siutilizzano per il latte.

3) Che cosa pensi che accada se si sottopone alla microfltra-zione il latte crudo?

4) Si sente spesso affermare che il latte è un alimento «riccodi calcio». È possibile che lo ione calcio sia trattenuto dal-la membrana fltrante? Motiva la risposta.

5) Spiega perché il latte microfltrato si conserva più a lungorispetto al latte pastorizzato.

6) Perché il latte sterilizzato contenuto nella confezione in-tegra si conserva per molti giorni anche se non è messo infrigorifero?

7) Rappresenta con uno schema a blocchi il processo di pro-duzione del latte microfltrato.