Trasformazioni Fisiche e Chimiche

Prof. Federico Teloni

Elementi di Chimica

A. A. 2018-2019

LM85-bis

Scienze della formazione primaria

Concetto di TrasformazioneIl concetto di TRASFORMAZIONE è trasversale a tutta l’area scientifica.

In tutti i libri di chimica nella scuola secondaria di primo e secondo grado, viene proposta, all’inizio del testo, la DISTINZIONE tra:

trasformazione fisica trasformazione chimica

Spesso nelle scuole elementari e medie inferiori si pone troppo l’attenzione sulla catalogazione e suddivisione delle trasformazioni in diverse categorie (chimica, fisica, biologica, ecc.)

TrasformazioniAlle trasformazioni fisiche vengono in genere attribuite le caratteristiche dinon modificare la composizione del sistema, di non modificare le sostanze e lemolecole che costituiscono il sistema, di essere reversibili. Es.:

-fusione del ghiaccio

-ebollizione dell’acqua

-formazione della brina

-fusione di metalli e formazione di leghe

Trasformazioni

Alle trasformazioni chimiche vengono invece attribuite le caratteristiche dimodificare la composizione del sistema, di modificare le sostanze e lemolecole che costituiscono il sistema, di essere irreversibili.

-formazione di miscele omogenee (sale/acqua, zucchero/acqua)

-formazione di miscele eterogenee (es. zolfo e ferro)

La separazione dei componenti può avvenire con procedimenti fisici.

Reversibilità e Irreversibilità-viraggio di colore di un indicatore

-macinatura di cereali per farne farina

-rottura di un bicchiere di vetro

Si può affermare che le sostanze nei sistemi esaminati restano immutate?

Si può affermare che la trasformazione fisica è sempre reversibile?

Analisi Concetto TrasformazioneSe, attraverso due osservazioni successive condotte su un sistema, viene evidenziata una qualsiasi variazione, allora nel sistema in esame è avvenuta una TRASFORMAZIONE.

IMPORTANTE:• Si deve prendere in considerazione qualsiasi tipo

di trasformazione del sistema, anche il semplice“spostamento” di un oggetto al suo interno.

• L’osservazione non può riguardare solo la“morfologia”. Il sistema può anche essere rimastoidentico da un punto di vista “fotografico”: bastaperò, ad esempio, che ci sia stata una variazionedi temperatura.*

*Questo concetto di trasformazione è comunque riferito al livello di concettualizzazione macroscopico; a livello molecolare, due osservazioni successive evidenziano sempre una trasformazione, a meno di non trovarci alla T di 0 K.

Cosa contribuisce a costituire l’identità di una sostanza a livello macroscopico? Una sostanza, qualunque sia la sua provenienza o il modo in cui è stata preparata, presenta sempre le stesse proprietà fisiche e chimiche: ➢ha una composizione definita e costante, ➢a T e P ambiente, si presenta in un certo stato fisico; ➢ha una determinata densità; ➢fonde e bolle a temperature ben definite; ➢ha una certa durezza e solubilità; ecc.

Identità delle SostanzeLe trasformazioni fisiche riguardano lo stato fisico di una sostanza ma lascianoinalterata l’identità della sostanza.

In una trasformazione fisica, le sostanze NON restano immutate: fondono, sublimano,evaporano, condensano, solidificano, si dissolvono in opportuni solventi; le sostanzeallo stato solido possono essere frammentate e rese granulari e pulverulenti, ecc.

In una trasformazione fisica restano però inalterate alcune proprietà fondamentali e lacomposizione chimica.

Concetto di Trasformazione

Nel primo ciclo di istruzione è “opportuno” iniziare facendoriferimento al concetto di trasformazione “senza etichette”,fissando l’attenzione non solo sul “prima” e sul “dopo” maanche sul “durante”

PrimaDuranteDopo

reversibile o irreversibilecon o senza scambio di caloreconservazione della massavariazione di proprietà dei materialivariazione della composizione del sistema

Osservazione del sistema:

Osservazione della

trasformazione:

Concetto di TrasformazioneSolo successivamente si possono attuare graduali tentativi di identificazione e separazione tra trasformazioni FISICHE e CHIMICHE

Trasformazioni fisiche: nelle quali è assolutamente chiaro che nonsono avvenute modificazioni nella composizione delle sostanze.

Trasformazioni chimiche: nelle quali la composizione delle sostanzesubisce una modificazione evidente, non dovuta esclusivamente acambiamenti di stato fisico o formazione di miscele omogenee.

Durante una reazione chimica,le sostanze reagenti vengonoconvertite in nuove sostanze

Trasformazioni ChimicheLe trasformazioni chimiche, caratterizzate dalla NON conservazione della sostanzain esame, debbono essere presentare in primo luogo a livello di fenomeno, e solosuccessivamente per distinguere le sostanze.

Trasformazioni chimiche: fenomeni macroscopici

Trasformazioni chimiche: distinzione di sostanze in base alle loro proprietà e alla loro

reattività chimica

Trasformazioni Chimiche

Nel primo ciclo si può iniziare ad introdurre, in modograduale, la distinzione tra differenti sostanze chimiche inbase al comportamento chimico-fenomenologico:

Raggruppare le diverse sostanze in gruppi di grande rilevanza in chimica:

Combustibili, metalli, acidi, basi, sali

Trasformazioni chimiche: distinzione di sostanze in base

alla loro reattività chimica

Casi AmbiguiVi sono comunque trasformazioni sulle quali non è facile pronunciarsi in modo netto ed univoco

Cioè esse presentano qualche caratteristica “chimica” e qualche caratteristica “fisica” e per le quali è inutile cercare una attribuzione completamente soddisfacente (es. formazione di soluzioni di sali ed elettroliti)

Procedura OperativaUna procedura operativa utile nell’operare la distinzione tra trasformazioni fisiche echimiche è quindi basata sulla possibilità di assegnare una identità alle sostanze inbase a criteri esclusivamente empirici facendo riferimento a grandezze misurabilisperimentalmente.Nelle trasformazioni fisiche l’IDENTITÀ delle sostanze viene conservata, mentre nelletrasformazioni chimiche si verifica una DISCONTINUITÀ, poiché le sostanze prodottehanno identità diversa da quella delle sostanze reagenti.

Questo criterio è efficiente ed efficace anche a livello microscopico atomicomolecolare: a conservare la propria identità in una trasformazione fisica sono gliatomi e le molecole, mentre in una trasformazione chimica gli atomi conservano lapropria identità, ma le molecole la perdono.

La distinzione tra trasformazione fisica e chimica pienamente ègiustificata sia a livello macroscopico sia a livello microscopicoatomico/molecolare.

Conclusioni Invece a livello nucleo/elettronico, in cui entrano in gioco i legami covalenti,elettrostatici, intramolecolari e intermolecolari, in molti casi la distinzione non saràpiù possibile.

Questo però non è un paradosso per la scienza, né un trauma per lo studentepurché quest’ultimo sia stato educato in modo adeguato dal punto di vistaepistemologico. Questo significa che dovrebbe essere formato all’uso dei modelli,di cui dovrebbe conoscere le potenzialità ed i limiti.

Trasformazioni Chimiche

Quando i reagenti vengono convertiti in prodotti possiamo osservare:

– Variazione di colore

– Formazione di Precipitato

– Evoluzione di Gas

– Assorbimento di calore (reazioni endotermiche)

– Evoluzione di calore (reazioni esotermiche)

Evidenza di Trasformazioni Chimiche

Cambiamento di Colore

Formazione di un Precipitato Solido

Formazione di un GasEmissione di Luce

Rilascio o Assorbimento di Calore

A volte, per essere assolutamente sicuri che sia avvenuta una reazione chimica,è però necessario scendere al livello molecolare ed analizzare le strutture e lacomposizione delle sostanze all’inizio e alla fine della trasformazione

Equazioni Chimiche

monossido di azoto + ossigeno → biossido di azoto

Step 1: scrivere la reazione usando i simboli chimici.

NO + O2 → NO2

Step 2: bilanciare l’equazione chimica con opportuni coefficienti davanti alle formule dei composti.

Esiste un modo abbreviato che utilizza simbolismi per rappresentare unareazione chimica: l’EQUAZIONE CHIMICA.

Vi sono molti tipi di reazioni chimiche, che possiamo etichettare in modi differenti, ad esempio:a) Reazioni di Combinazioneb) Reazioni di Decomposizionec) Reazioni di Combustione

NO + O2 → NO22 1 2

Reazioni di Combinazione• Nelle reazioni di combinazione due o più sostanze

reagiscono a formare un prodotto.

• Esempi:

– 2Mg(s) + O2(g) ⎯⎯→ 2MgO(s)

– N2(g) + 3H2(g) ⎯⎯→ 2NH3(g)

– C3H6(g) + Br2(l) ⎯⎯→ C3H6Br2(l)C CH

H H

C

H HH

p r o p - 1 - e n e 1 , 2 - d i b r o m o p r o p a n o

C CH

HH

C

H HH

B r

B r

Reazioni di Decomposizione

• In una reazione di decomposizione una sostanza decompone dividendosi in due o più sostanze.

• Esempi:

– CaCO3(s) ⎯⎯→ CaO(s) + CO2(g)

– 2KClO3(s) ⎯⎯→ 2KCl(s) + O2(g)

– 2NaN3(s) ⎯⎯→ 2Na(s) + 3N2(g)

Reazioni di Combustione

Avvengono tra il combustibile ed il comburente(generalmente l’ossigeno dell’aria).

• Le reazioni di combustione sono generalmente reazioni rapide che producono una fiamma e calore

• Le reazioni di combustione spesso coinvolgono idrocarburi che reagiscono con l’ossigeno dell’aria.

Reazioni in Soluzione

• stretto contatto tra atomi, ioni e molecole necessario a produrre la reazione.

• Solvente, generalmente in soluzione acquosa (aq).

• Soluto, una sostanza disciolta nel solvente.

Sono reazioni chimiche che avvengono in una soluzione liquida:

Anche le reazioni chimiche che avvengono in una soluzione liquida (come l’acqua) possiamo etichettarle in vari modi, in funzione di un parametro che attiene al livello macroscopico o a quello microscopico:• Reazioni di Precipitazione• Reazioni acido-base• Reazioni di complessazione• Reazioni di ossidoriduzione

Reazioni di Precipitazione

• Ioni solubili possono combinarsi e formare compostiinsolubili.

• Si forma un precipitato.

• Ad esempio è un test per la presenza di ioni ioduro in acqua.

Ag+(aq) + I-

(aq) → AgI(s)

AgNO3(aq) AgI(s) + Na+(aq) + NO3

-(aq)NaI(aq)

+

Reazioni tra acidi e basi

• Latino acidus (aspro)– Sapore aspro• Arabo al-qali (ceneri di certe piante)– Sapore amaro• Svante Arrhenius (1884) teoria Acido-Base.

Svante Arrhenius

Sostanze Acide

• Acidi forti completamente ionizzati:

• Acidi deboli → ionizzazione non completa:

HCl(aq) H+(aq) + Cl-(aq)

CH3CO2H(aq) H+(aq) + CH3CO2-(aq)

Gli acidi rilasciano ioni H+ in soluzione acquosa

Sostanze Basiche

• Basi forti:

• Basi deboli:

NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

NaOH(aq) Na+(aq) + OH-(aq) H2O

Le basi rilasciano ioni OH- in soluzione acquosa

Riconoscimento di Acidi e Basi• Gli Acidi hanno atomi di idrogeno ionizzabili.

acido acetico CH3COOH

• Le Basi hanno ioni OH- (gruppo ossidrile) combinati con uno ione metallico.

potassio idrossido KOH

o possono produrre ioni OH- in soluzione acquosa:sodio carbonato Na2CO3

Na2CO3(s) + H2O(l)→ HCO3-(aq) + 2 Na+

(aq) + OH-(aq)

Acidi e Basi Comuni

Trasferimento del Protone Processo di trasferimento protonico dall’acido alla base:

Altre Reazioni Acido-Base

• Latte di magnesia Mg(OH)2

Mg(OH)2(s) + 2 H+(aq) → Mg2+(aq) + 2 H2O(l)

Mg(OH)2(s) + 2 CH3CO2H(aq) → Mg2+(aq) + 2 CH3CO2

-(aq) + 2 H2O(l)

Usato come antiacido

Altre Reazioni Acido-Base• Calcare e Marmo.

CaCO3(s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + H2CO3(aq)

ma: H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(g) si sviluppa gas CO2

CaCO3(s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + H2O(l) + CO2(g)

Altre Reazioni con Sviluppo di Gas

Sono reazioni acido-base in cui è presente unodegli ioni sotto riportati, i quali reagiscono con H+

o OH- con formazione di prodotti gassosi:

Reazioni di Ossido-Riduzione

L’una NON può avvenire senza l’altra.

Una ossidazione avviene quando un atomo o ione perde elettroni.

Una riduzione avviene quando un atomo o ione acquista elettroni.

Reazioni di Ossido-Riduzione

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Reazione rappresentata da due semi-reazioni:

Ossidazione:

Riduzione:

TOTALE:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Cu2+(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(aq)

Reazioni di Ossido-Riduzione

2Ag+(aq) + Cu(s) → 2Ag(s) + Cu2+(aq)

Reazione rappresentata da due semi-reazioni:

Ossidazione:

Riduzione:

TOTALE:

Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e-

2 Ag+(aq) + 2 e- → 2 Ag(s)

Cu(s) + 2 Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

Reazioni di Combinazione redox

Le reazioni di combinazione di sostanze elementari a formarecomposti ionici sono anch’esse reazioni di ossidoriduzione.