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MATERIA E ENERGIA UNITA’ C1 - da pag. C2 a pag. C20 Osservare e capire la chimica Zanichelli
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MATERIA E ENERGIAUNITA’ C1 - da pag. C2 a pag. C20
Osservare e capire la chimica
Zanichelli
Le trasformazioni fisiche della materia
1. Proprietà fisiche della materia
2. Le sostanze pure e i miscugli (sistemi omogenei ed
eterogenei)
3. I principali metodi di separazione dei miscugli
4. Trasformazioni fisiche chimiche della materia
5. Temperatura e pressione nei passaggi di stato
I diversi tipi di sistemi
Un sistema è una porzione
delimitata di materia.
Sistema aperto → scambia
energia e materia con
l’ambiente
Sistema chiuso → scambia
energia ma NON materia con
l’ambiente
Sistema isolato → NON
può scambiare né materia né
energia con l’ambiente
Stati di aggregazione della materia
La materia può esistere in tre stati fisici, detti stati di
aggregazione della materia
• stato solido (forma e volume propri)
• stato liquido (volume proprio ma forma variabile)
• stato aeriforme (volume e forma variabile)
Lo «stato di aggregazione» di un materiale dipende dalla
temperatura e dalla pressione cui è soggetto.
L’acqua, per esempio, può assumere tutti e tre gli stati di
aggregazione a secondo delle condizioni di temperatura
e pressione esistenti sul nostro pianeta.
Le proprietà caratteristiche dei tre stati di aggregazione
della materia
Stati di aggregazione della materia
Passaggi di stato
Le proprietà caratteristiche dei tre stati della
materia dipendono dai cambiamenti di volume,
pressione, forma e densità.
Se queste variabili cambiano, una sostanza può
passare da uno stato di aggregazione all’altro
Passaggi di stato
Tali cambiamenti sono detti PASSAGGI DI STATO
Il passaggio dallo stato solido a quello liquido è chiamato
FUSIONE
Il passaggio dallo stato liquido a quello solido è chiamato
SOLIDIFICAZIONE
Il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme è
chiamato EVAPORAZIONE
Il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido è
chiamato CONDENSAZIONE
Il passaggio dallo stato solido a quello aeriforme è chiamato
SUBLIMAZIONE
Il passaggio dallo stato aeriforme a quello solido è chiamato
BRINAMENTO
densità e volume nei passaggi di stato
Volume e densità variano con i passaggi di stato
In genere per la maggior parte dei materiali il passaggio da
liquido a solido comporta una diminuzione di volume e, di
conseguenza, un aumento della densità
FA ECCEZIONE L’ACQUA
Il ghiaccio infatti ha un densità d = 917 kg/m3
Quindi galleggia sull’acqua che ha densità 1000kg/m3
Quale vantaggio dal punto di vista biologico?
Prova a formulare una tua ipotesi e poi vai qui
Sostanze pure e miscugli
Si ricorda che le proprietà intensive NON dipendono dalla
quantità o dalla dimensione del campione considerato
La densità dell’acqua è una proprietà INTENSIVA uniforme
(la densità dell’acqua è sempre la stessa indipendentemente
dalla quantità considerata)
L’acqua distillata è un sistema OMOGENEO
Sostanze pure e miscugli
Un materiale è detto puro quando è costituita da una sola
sostanza (sostanza pura). Vediamo alcuni esempi:
• L’acqua distillata non ha più componenti come gas, sali,
ecc. perché il processo di distillazione li elimina. E’ quindi una
sostanza pura.
• Il ferro è costituito solo da particelle (atomi) di ferro. E’ quindi
una sostanza pura.
Pur essendo acqua distillata e ferro due sostanze pure, l’acqua
viene definita «composto» ed il ferro «elemento».
Infatti la definizione di elemento è assegnata a quelle sostanze
che non possono essere scomposte in sostanze più semplici.
L’acqua può essere scomposta in sostanze più semplici
(idrogeno e ossigeno) che sono a loro volta elementi.
Sostanze pure: elementi e composti
La materia può essere suddivisa in
sostanze pure e miscugli.
Rivisitiamo il concetto, appena
presentato, di «sostanza pura»
Sostanze pure e miscugli
«Se un corpo è fatto di un unico materiale è una
«sostanza pura»
Quindi anche (per esempio) il RAME è una «sostanza
pura» come l’ACQUA distillata.
MA il Rame è definito ELEMENTO (cioè una sostanza
pura che non può essere scomposta in sostanze più
semplici)
Mentre l’acqua è un COMPOSTO (cioè una sostanza
pura costituita da elementi combinati tra loro
chimicamente)
Sostanze pure e miscugli
I miscugli
Ora che abbiamo chiaro cos’è
una sostanza pura, possiamo
chiederci:
«e se un sistema è formato
da due o più sostanze?»
è un miscuglio.
I miscugli possono essere
omogenei o eterogenei.
I miscugli omogenei
I miscugli sono quindi costituiti dalla mescolanza di due o
più sostanze.
I miscugli differiscono dai composti perché i componenti
(dei miscugli) non sono combinati chimicamente.
Consideriamo un bicchiere con acqua e sale da cucina:
• Il sale è completamente sciolto e non più visibile
• Il miscuglio di sale-acqua si presenta uniforme e non si
notano differenze di colore o di proprietà.
→
I miscugli omogenei
Siamo in presenza di un sistema formato da una sola fase
(con proprietà intensive uniformi).
I miscugli che presentano le stesse proprietà in tutte le
loro parti e sono costituiti da una sola fase sono detti
MISCUGLI OMOGENEI
Un miscuglio omogeneo di acqua e sale, come quello di cui
abbiamo appena parlato, è normalmente detto «soluzione»
dove l’acqua, il componente più abbondante, è detta
SOLVENTE ed il sale, componente meno abbondante,
SOLUTO.
I miscugli eterogenei
Se i componenti di una miscela appaiono (ad occhio nudo o
al microscopio) separati e distinguibili, il sistema è formato da
due o più fasi. Il miscugli di questo tipo sono detti
MISCUGLI ETEROGENEI
Sono miscugli eterogenei:
• Le rocce come il granito (miscuglio di minerali diversi distinguibili)
• Le bevande gassate (le due fasi acqua e gas appartengono anche
a stati di aggregazione diversi)
• La nebbia (aria + minuscole gocce di acqua anche in fase gassosa)
• Fumo (particelle slide disperse in fase gassosa)
Colloidi ed emulsioni
Alcuni miscugli eterogeni sono «difficili» da individuare in
quanto i componenti sono profondamente mescolati da
apparire omogenei. Sono i COLLOIDI e le EMULSIONI.
I COLLOIDI sono miscugli eterogenei tra due fasi NON solubili
tra loro. I componenti vengono energicamente mescolati e
formano microgoccioline intimamente mescolate tra loro e
con l’altra fase. Per i colloidi non si parla di solvente e soluto
ma di fase disperdente e fase dispersa. Alcuni esempi di
colloidi sono: l’albume d’uovo; il burro; la maionese; il
dentifricio; il sangue…
Le EMULSIONI sono colloidi costituiti da due fasi entrambe
liquide. Il latte è un’emulsione formata da una fase acquosa
ricca di zuccheri e proteine ed un’altra ricca di grassi.
Sistemi omogenei ed eterogenei
Sistema omogeneo
oliosistema eterogeneo
olio + acquaSistema omogeneo
acqua
Definizione Sostanza Miscuglio
Sistema
omogeneo
è costituito
da una sola
fase
acqua pura,oro
puro, cloruro di
sodio puro
acqua di rubinetto, sale
marino, acciaio, leghe
metalliche
Sistema
eterogeneo
è costituito
da due o più
fasi
acqua pura e
ghiaccio
acqua e sabbia, legno,
granito, latte, marmo,
fumo, sabbia
I miscugli
I miscugli
La filtrazione è il metodo per
separare materiali solidi da un
miscuglio liquido o gassoso.
Il miscuglio viene fatto passare
attraverso un filtro i cui pori
trattengono la parte solida e fanno
passare la frazione liquida.
Si basa quindi sulla dimensione delle
particelle che, se superiori delle
dimensioni dei pori del filtro, si
separano dal filtrato restando nel filtro
I principali metodi di separazione di miscugli e
sostanzeLA FILTRAZIONE
Questo metodo è utilizzato,
per esempio, nelle tecniche
di depurazione delle acque.
Si separano per filtrazione i
fanghi contenuti nelle
acque di scarico.
LA FILTRAZIONE
La centrifugazione è il metodo per
separare miscugli eterogenei di liquidi
e/o solidi aventi densità diversa,
attraverso la rapida rotazione della
centrifuga.
I componenti con maggiore densità si
depositano verso il fondo della
provetta rispetto a quelli com minore
densità.
LA CENTRIFUGAZIONE
E’ un’accelerazione del naturale processo di
decantazione.
La distillazione si basa sulla diversa volatilità dei
componenti di miscele liquide. Minore è la temperatura di
evaporazione, maggiore è la volatilità.
LA DISTILLAZIONE
Le sostanze che hanno un
basso punto di ebollizione
sono più “volatili” rispetto a
quelle che presentano un
punto di ebollizione più alto.
Durante il processo di distillazione il miscuglio viene
ricaldato. Il vapore sarà più ricco del componente più
volatile.
Possimo distingure due tipi di distillazione:
• La distillazione semplice
• La distillazione frazionata
LA DISTILLAZIONE
LA DISTILLAZIONE SEMPLICE
Permette di separare
completamente un solvente
dal suo soluto.
Così, per esempio, si
prepara l’acqua distillata,
partendo da acqua comune (del rubinetto). I sali contenuti
nell’acqua del rubinetto non sono volatili e quindi non
entrano nella frazione di vapore che poi viene condensato.
LA DISTILLAZIONE FRAZIONATA
Si intende quella tecnica che
consente di ottenere, allo stato
praticamente puro, i singoli
componenti contenuti in una miscela
di liquidi con punti di ebollizione diversi tra loro.
Questo metodo si basa sul principio per il quale, riscaldando
una miscela di due o più liquidi, bolle per primo quello che ha
un punto di ebollizione più basso.
In questo caso, alla sommità della colonna di distillazione, si
accumulano i vapori del componente più volatile, il quale, una
volta condensato viene raccolto.
LA DISTILLAZIONE FRAZIONATA
La metodica della distillazione frazionata, così come
l’abbiamo descritta, non è applicabile se i punti di ebollizione
dei componenti della miscela sono molto vicini tra loro.
In questo caso, per ottenere i diversi componenti allo stato
puro, è necessario applicare una tecnica di distillazione
frazionata differente.
Il principio di questa tecnica è basato sul fatto che la
composizione dei vapori liberati da una miscela al suo punto
di ebollizione, è diversa da quella della miscela liquida
originale.
LA DISTILLAZIONE FRAZIONATA
Anche se in modo un po’ semplificato, potremmo descrivere
così il processo:
• A e B sono i componenti di una miscela liquida. I loro
punti di ebollizione sono molto simili. A bolle un po’ prima.
• Quando si raggiunge il punto di ebollizione di A il vapore
conterrà anche un po’ di B ma in misura minore di quanto
presente nella miscela originale.
• Se su questa nuova miscela povera di B si applica
nuovamente il processo di distillazione, il vapore che si
ottiene al punto di ebollizione di A, sarà ancora più ricco di
A e povero di B
• Ripetendo il processo e con qualche accorgimento, si
otterrà, alla fine, solo A nella fase vapore.
L’estrazione è il metodo per separare i componenti di un
miscuglio per mezzo di un solvente.
Quando si prepara il caffè si opera un’estrazione.
Si sfrutta la capacità dell’acqua (solvente) di estrarre
alcune sostanze dai chicchi di caffè macinati.
Le sostanze estratte devono essere quindi solubili nel
solvente. Nel caso del “caffè”, le sostanze (soluti) estratte
dai chicci, sono solubili in acqua (solvente).
ESTRAZIONE TRAMITE SOLVENTI E CROMATOGRAFIA
La cromatografia è il metodo
per separare i componenti di un
miscuglio che si spostano con
velocità diverse su un supporto
(fase fissa), trascinati da un solvente o eluente (fase mobile).
Nella cromatografia i vari componenti della miscela tendono a
ripartirsi in modo diverso tra le due FASI, in funzione della
loro affinità con ciascuna di esse.
Una fase, un solido o un gel, rimane fissa (la fase stazionaria)
un'altra fase, liquida o gassosa, (la fase mobile) fluisce su di
essa trascinando con sé in quantità maggiore i componenti
della miscela che più risultano affini a lei.
LA CROMATOGRAFIA
I principali metodi di separazione di miscugli e sostanze
ESERCIZI 1
Puoi svolgere gli esercizi n° 6,7,8,9,13,14 al collegamento sopra
indicato e poi controllare i risultati.
ESERCIZI 2Puoi svolgere gli esercizi n° 2,3,4,5 al collegamento sopra
indicato e poi controllare i risultati.
ESERCIZI 3
Puoi svolgere gli esercizi n° 1,2,4,5,6,7,8,9,10,17,18,19,20 al
collegamento sopra indicato e poi controllare i risultati.
Svolgere inoltre gli esercizi a pag. C18 del libro di testo dal n: 1 al n. 19
Trasformazioni chimiche e
fisiche
Per identificare una sostanza si osservano due tipi di
proprietà: proprietà fisiche e proprietà chimiche.
Le proprietà fisiche sono quelle che caratterizzano la
sostanza: colore, temperatura di fusione, conduttività elettrica
e densità.
Le proprietà chimiche sono le proprietà che essa presenta
quando interagisce con un’altra sostanza: infiammabilità,
corrosività e reattività con gli acidi, formazione di ruggine su
minerali di ferro ad opera dell’ossigeno
Proprietà delle sostanze
Trasformazioni chimiche e fisiche
Taluni cambiamenti che coinvolgono le proprietà
fisiche sono detti TRASFORMZIONI FISICHE
Queste trasformazioni NON alterano la composizione
chimica della sostanza.
Altri cambiamenti coinvolgono la composizione
chimica delle sostanze e sono detti TRASFORMZIONI
CHIMICHE
Queste trasformazioni cambiano la composizione
delle sostanze coinvolte dando origine ad altre nuove
sostanze.
Le trasformazioni chimiche sono dette anche
REAZIONI CHIMICHE
Trasformazioni chimiche e fisiche
Non sempre è facile riconoscere se una trasformazione è
fisica oppure chimica.
Possiamo contare su alcuni «indizi» che segnalano la
presenza di una trasformazione chimica (reazione
chimica):
• Assorbimento o emissione di calore: la cottura di
una torta è una reazione esotermica mentre l’esplosione
di un petardo è una reazione endotermica.
• formazione di effervescenza: unendo ad una
soluzione di acqua e succo di limone del bicarbonato di
sodio notiamo la formazione di “bollicine” che indicano
che sta avvenendo una reazione chimica.
Trasformazioni chimiche e fisiche
• variazione di colore: esponendo all’aria una mela
tagliata dopo poco si nota l’imbrunimento della polpa
esposta all’aria.
• variazione di odore: un uovo marcio ha un odore
diverso da quello di un uovo fresco in quanto il primo ha
subito una trasformazione chimica.
Nelle trasformazioni chimiche la materia non è mai
distrutta, né creata e la somma delle masse dei
reagenti è pari alla somma delle masse dei prodotti di
reazione.
Temperatura e pressione nei
passaggi di stato
Curva di riscaldamento (e raffreddamento) di una
sostanza
Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e
temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in
funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.
In questo esempio di curva di
riscaldamento dell’acqua
pura, l’acqua viene lentamente
riscaldata partendo da una
temperatura di – 18°C (stato
solido).
Quando viene raggiunta la
temperatura di 0°C
(temperatura di fusione), per
un certo tempo
l’ulteriore somministrazione di calore NON fa variare la temperatura (sosta
termica). In questa fase convivono ghiaccio e acqua e il ghiaccio si trasforma
lentamente tutto in acqua.
Terminata la sosta termica la temperatura riprende ad innalzarsi fino a
raggiungere 100°C (temperatura di ebollizione) . Anche in questo caso,
per un certo tempo, l’ulteriore somministrazione di calore NON fa variare la
temperatura che rimane a 100°C sino a che l’acqua non è completamente
evaporata.
Successivamente, se la somministrazione di calore prosegue, il vapore
tornerà ad elevare la propria temperatura.
Analogamente ogni sostanza pura
ha una curva di raffreddamento
attraverso la quale si distinguono:
• temperatura di
condensazione (a parità di
pressione uguale a quella di
ebollizione);
• temperatura di solidificazione (a parità di pressione uguale a
quella di fusione).
Alla temperatura di fusione coesistono la fase liquida e la fase solida.
Alla temperatura di ebollizione la fase liquida e la fase di vapore
coesistono, e la tensione di vapore è uguale alla pressione esterna.
La pressione e i passaggi di stato
La tensione di vapore di un liquido, a una data
temperatura, è la pressione che esercita un
vapore in equilibrio con il proprio liquido puro, ed
è tanto più alta quanto maggiore è la
temperatura.
La temperatura di ebollizione di un liquido è la
temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia
la pressione esterna: maggiore è la pressione, più
difficile è l’ebollizione del liquido.
La pressione e i passaggi di statoUn aumento della pressione produce un
innalzamento della temperatura di ebollizione.
Nella pentola a pressione il vapore
acqueo trattenuto all’interno
(chiusura ermetica) fa aumentare
la pressione interna.
Si innalza così la temperatura di
ebollizione dell’acqua,
intensificando (e riducendo nel
tempo) la cottura prevista.
Per esempio se la pressione nella pentola raddoppia, la
temperatura di ebollizione dell’acqua si porterà oltre i
120°C
La pressione e i passaggi di stato
La fusione e la solidificazione sono poco
influenzate dalla pressione esterna: infatti sono
passaggi caratterizzati da piccoli cambiamenti di
volume, non particolarmente contrastati da
pressioni elevate.
Collegamenti
Qual è il vantaggio biologico del fatto che il ghiaccio
galleggia sull’acqua?
L’acqua liquida raggiunge la densità massima a circa 4
gradi (3.98 °C) al di sopra della sua temperatura di
congelamento, che è 0 °C.
Se una massa d’acqua (per esempio, un fiume, uno stagno,
un lago) viene a trovarsi in un ambiente in cui la
temperatura si abbassa al di sotto di 3.98 °C, la densità
dell’acqua diminuisce e questo le permette di risalire in
superficie dove congela e non affonda. Lo strato di
ghiaccio formato in superficie funziona come isolante
termico, proteggendo l’ambiente biologico che si trova al di
sotto. E così, il pescatore può pescare pesci - vivi! - sotto lo
strato di ghiaccio, persino al Polo Nord.
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