Trasformazioni, composti ed elementi 1

LICEO SCIENTIFICO STATALE“LEONARDO da VINCI di FIRENZE

CORSO SPERIMENTALE FDOCENTE Prof. Enrico Campolmi

TRASFORMAZIONI, COMPOSTI ED ELEMENTI

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Nelle ultime esperienze di laboratorio abbiamo effettuato due trasformazioni di sostanze pure:

Vediamo ora quali somiglianze e quali differenze vi siano tra queste due esperienze

La fusione – solidificazione del paradiclorobenzene

La decomposizione del clorato di potassio

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Somiglianze In ambo le trasformazioni si aumenta la temperatura

Differenze Fusione – solidificazione del paradiclorobenzene

Decomposizione del clorato di potassio

All’aumentare della temperatura il paradiclorobenzene fonde

All’aumentare della temperatura il clorato di potassio prima fonde, ma poi si riforma un solido.

Non si sviluppa gas Si sviluppa ossigeno

La trasformazione è reversibile al variare della temperatura

La trasformazione non è reversibile

La sostanza non cambia le sue (proprietà) caratteristiche

La sostanza cambia le sue (proprietà) caratteristiche

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Tali argomenti sono sufficienti per concludere che le due trasformazioni sono assai differenti tra loro

Generalizzando questi esempi possiamo dire che in natura esistono due tipi di trasformazioni

Trasformazioni fisiche Trasformazioni chimiche

Le sostanze non cambiano natura e non cambiano quindi le loro proprietà caratteristiche.Esempi: tutti i passaggi di stato; un sasso che cade; un oggetto che si rompe; un corpo scaldato che si dilata

Le sostanze cambiano natura e cambiano quindi le loro proprietà caratteristiche.Esempi: decomposizione del clorato di sodio; tutte le combustioni; il ferro che arrugginisce; l’acido che corrode; un petardo che esplode

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Le trasformazioni chimiche si chiamano anche reazioni chimiche o semplicemente reazioni

In una reazione chimica partiamo con delle sostanze iniziali, chiamate reagenti, ed otteniamo delle sostanze finali, che si formano cioè in seguito alla reazione, chiamate prodotti

Una reazione può inoltre essere rappresentata da una equazione chimica con a primo membro le formule dei reagenti ed a secondo membro quelle dei prodotti

I due membri, invece che da un segno di uguale, sono collegati da una freccia con la punta rivolta verso destra, come nello schema seguente

reagenti → prodotti C + O2 → CO2

Sia tutti i fenomeni naturali, che i processi di trasformazione inventati dall’uomo corrispondono a trasformazioni chimiche o fisiche.

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Non tutte le sostanze però si trasformano (reagiscono) allo stesso modo

Sottoposto a riscaldamento il paradiclorobenzene fonde, ma non si trasforma, mentre il clorato di sodio si decompone

A contatto con un acido il marmo si corrode, mentre il vetro no

Esposto agli agenti atmosferici il ferro arrugginisce, l’oro no

Si definiscono proprietà chimiche di una sostanza i modi in cui essa si comporta nei confronti di altre sostanze (come reagisce, con chi reagisce, a quali prodotti da luogo).

Manifestandosi attraverso un comportamento, le proprietà chimiche si possono definire e misurare solo confrontando la sostanza da analizzare con altre sostanze diverse

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Tutte le altre proprietà dei corpi fin qui studiate (massa, volume, temperatura di fusione ecc.), sono dette invece proprietà fisiche

Esse si definiscono e si misurano in modo diretto, ossia attraverso uno strumento di misura (bilancia, metro, termometro ecc.)

In base a questa differenza possiamo quindi introdurre una nuova suddivisione delle proprietà:

Proprietà chimiche

Si definiscono e misurano per confronto con altre sostanze

Il bruciare, il corrodere, l’arrugginire ecc.

Proprietà fisiche

Si definiscono e misurano direttamente con strumenti

Densità, temperatura di fusione, massa, volume

Le proprietà chimiche sono intensive, costituiscono un nuovo gruppo di proprietà caratteristiche di una sostanza e possono quindi essere impiegate per la sua identificazione, come avviene in tutte le analisi chimiche

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Le due reazioni fatte in laboratorio (decomposizione del clorato di sodio, elettrolisi dell'acqua) si definiscono reazioni di analisi (o di decomposizione), perchè producono sostanze più semplici di quelle di partenza

Non tutte le sostanze però si possono decomporre, alcune sono infatti talmente tanto semplici da non essere ulteriormente suddivisibili

Esistono pertanto due tipi di sostanze pure:

Sostanze elementario elementi

Sostanze pure non ulteriormente suddivisibili,

Sostanze composteo composti

Sostanze pure ulteriormente suddivisibili durante una reazione chimica

Ogni composto è dato dall’unione di due o più elementi: l’acqua, ad es., è un composto formato dall’elemento ossigeno e dall’elemento idrogeno

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Gli elementi conosciuti sono poco più di un centinaio: 92 naturali e gli altri ottenuti artificialmente

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Materia

Sistemi eterogenei

Sistemi omogenei

Soluzioni

ElementiSostanze pure Composti

A questo punto possiamo dire di aver concluso il nostro tentativo di mettere ordine all’interno dei corpi materiali (ricordate l’esperienza dei 100 barattoli?)

Aggregandosi tra loro in vario modo gli elementi formano alcuni milioni di composti, dando così origine a tutto ciò che esiste in natura.

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Sistema da analizzare

Osservazioni preliminari

Aspetto eterogeneo

Sistema eterogeneo (polifasico)

Tecniche di separazione fisico - meccaniche

Decantazione Centrifugazione Filtrazione Separazione magnetica

Estrazione con solvente

Aspetto omogeneo

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Aspetto omogeneo

Sistema omogeneo (monofasico)

Tecniche di separazione basate su passaggi di stato

Distillazione Evaporazione del solvente

Sostanza pura

Sostanza composta

Trasformazione chimica

Sostanza elementare

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Nell’esperienza effettuata con la pastiglia di Alka Seltzer abbiamo verificato che durante la reazione la massa si conserva. (La massa si conserva anche durante le trasformazioni fisiche)

La ripetizione di tantissimi esperimenti di questo tipo, col raggiungimento dei medesimi risultati, condussero Lavoisier, chimico francese di fine ‘700 alla formulazione della legge della conservazione della massa (detta anche legge di Lavoisier)

In una reazione la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti.

Una legge fisica è un’espressione che ci dice come avviene un certo fenomeno, senza spiegarci perché esso avvenga.

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L’ENERGIA Capacità di compiere una trasformazione

Non vediamo l’energia, ma ne osserviamo gli effetti, come calore e lavoro, quando essa viene scambiata tra corpi diversi (tra sistemi ed ambienti)

L’energia è un aspetto fondamentale per tutto ciò che esiste o che avviene nell’universo

Esistono varie forme di energia, ovvero i modi in cui questa si presenta, che sono legati alle caratteristiche del corpo o della sostanza cui si riferiscono.

Energia di posizione: deriva appunto dalla posizione del corpo che la possiede.

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Energia di movimento: posseduta da tutti gli oggetti che non sono fermi

Energia elettrica: legata al flusso di elettroni detto corrente elettrica

E’ molto versatile, si trasporta male su lunghe distanze, si conserva con difficoltà

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Energia termica (o del calore): si scambia tra corpi a diversa temperatura. Si disperde facilmente

Energia luminosa: quella del Sole rifornisce ogni giorno il nostro pianeta

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Energia chimica: posseduta dai combustibili; si conserva bene

Le forme dell’energia si trasformano l’una nell’altra in molti modi ed attraverso vari dispositivi

Principio di conservazione dell’energia: in qualsiasi trasformazione sia fisica, che chimica, l’energia può solo essere trasformata da una forma in un’altra, ma non può essere creata dal nulla, né distrutta nel nulla.

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Da non confondere con le forme di energia sono le fonti energetiche, ovvero i modi con i quali produciamo l’energia di cui abbiamo bisogno

Carbone, petrolio e metano sono combustibili fossili e possiedono quindi energia chimica

L’energia idroelettrica è una forma di energia di posizione

L’energia solare è energia luminosa

L’energia eolica è energia di movimento

L’energia geotermica è energia termica

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L’energia nucleare è infine un particolare tipo di energia fisica

Fonti energetiche (dati del 2001)

Energie rinnovabili: fonti energetiche che si rigenerano o non sono esauribili nella scala dei tempi umani.

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Il consumo energetico crescente è alla base di numerosi problemi a livello globale

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sistema

Sistema isolato: non scambia ne’ materia, né energia con l’ambiente

RELAZIONI TRA SISTEMA E AMBIENTE

Sistema chiuso: scambia energia con l’ambiente, ma non scambia materia

Sistema aperto: scambia con l'ambiente sia energia, che materia