Miscugli eterogenei, soluzioni e sostanze

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1 CORSI SPECIALI DI ABILITAZIONE ALL INSEGNAMENTO SECONDARIO Corso di fondamenti e didattica della chimica e laboratorio di didattica della chimica Docenti: prof.ssa Marvelli e prof. Fogagnolo Miscugli eterogenei, soluzioni e sostanze Prof. Egidio Barbone egidio.barbone@tiscali.it

2 Per fornire agli studenti la metodologia e la strategia idonea a risolverlo si terrà conto delle loro capacità cognitive e procedurali, strutturando l UD come segue. Collocazione curricolare 2^ media inferiore Tempo previsto 6 ore Prerequisiti Conoscere le principali proprietà della materia Possedere le nozioni di temperatura e calore Conoscere le principali unità di misura Saper osservare e descrivere un fenomeno naturale e saper eseguire calcoli Obiettivi cognitivi Conoscere i concetti di solvente, soluto, concentrazione Conoscere il concetto di sostanza pura e di miscuglio Saper distinguere tra miscugli omogenei (soluzioni) ed eterogenei

3 Obiettivi operativi Conoscere e saper utilizzare i più semplici strumenti di un laboratorio chimico Saper separare gli elementi di miscugli con vari metodi Contenuti I miscugli eterogenei Le parti che formano i miscugli eterogenei si possono separare con mezzi meccanici I miscugli omogenei o soluzioni Le sostanze pure o specie chimiche Metodologia Accertamento prerequisiti Introduzione problematica agli argomenti Lezione interattiva Attività di laboratorio Analisi casi reali Integrazione del glossario scientifico Verifica Test, interrogazione dialogica, relazione laboratorio

4 Collegamenti pluridisciplnari Tecnologia: tecniche di separazione dei componenti di un miscuglio, l esempio del petrolio (la distillazione frazionata, il cracking e il reforming). Materiali impiegati nella costruzione di un edificio. Materie prime impiegate nella costruzione dei computer. Geografia: i paesi maggiori produttori di ferro, rame, alluminio, uranio, silicio e quali impieghi ne vengono fatti. Storia: l impiego dei materiali naturali, l estrazione e la lavorazione dei metalli, hanno segnato momenti significativi nella storia delle società umane. Individua alcuni momenti significativi della storia umana influenzati dall impiego di nuovi materiali. Arte e immagine: materiali usati nella scultura e nella pittura. Fattori che influenzano la loro conservazione. Musica: Materiali impiegati nella fabbricazione di uno strumento musicale e i caratteri del suono che possono essere influenzati dai materiali costitutivi dello strumento.

5 I miscugli eterogenei Che cosa sono i miscugli eterogenei La maggior parte dei corpi che ti circondano sono eterogenei, cioè non hanno le stesse proprietà in tutti i loro punti. Osserva l'esempio del granito. Un pezzo di granito è eterogeneo. Infatti, in base al colore puoi riconoscere facilmente in esso parti solide diverse. Anche il miscuglio di acqua e di ghiaccio contenuto nel bicchiere della figura 2 è eterogeneo. Infatti, in alcuni punti è formato da acqua liquida e in altri da acqua solida (cioè, da ghiaccio). Corpi che hanno in punti diversi proprietà diverse si chiamano miscugli eterogenei. Le parti omogenee dei miscugli eterogenei si chiamano fasi. Così, il granito è formato da più fasi solide. Il miscuglio di acqua e di ghiaccio, invece, è formato da due fasi: una fase liquida e una fase solida.

6 Esistono più tipi di miscugli eterogenei Nella natura, i miscugli eterogenei sono frequentissimi. Essi possono essere distinti in più tipi. 1) Le rocce e le sabbie. Miscugli solidi. Le rocce e le sabbie sono miscugli eterogenei formati da fasi tutte solide. Osserva la figura. Nelle rocce e nelle sabbie è facile riconoscere particelle che hanno colori, dimensioni, durezza ecc. diversi. 2) Le sospensioni. Le sospensioni sono miscugli eterogenei formati da una fase liquida e da una o più fasi solide sospese nella fase liquida. Per esempio, tutte le acque che si trovano sulla superficie della Terra (mari, laghi, fiumi ecc.) sono sospensioni (figura 4). 3)I fumi. I fumi (figura 5) sono miscugli eterogenei formati da particelle solide sospese in un gas. 4) Le nebbie. Le nebbie sono miscugli eterogenei formati da particelle liquide sospese in un gas.

7 5) Le emulsioni. Le emulsioni sono miscugli eterogenei formati da un liquido disperso dentro un altro liquido Per esempio il latte è una emulsione di goccioline di grasso disperse in un liquido (che è formato da acqua contenente zucchero e altre sostanze). Un altro esempio è il miscuglio di acqua e olio. 6) Le schiume. Le schiume sono miscugli eterogenei formati da bolle di gas mescolate a un liquido (figura 8). Le parti che formano i miscugli eterogenei si possono separare con mezzi meccanici II segreto per separare le fasi dei miscugli eterogenei è quello di sfruttare le loro diverse proprietà. In questo modo: le fasi dei miscugli eterogenei possono essere separate con mezzi meccanici abbastanza semplici. Vediamo quali sono i metodi di separazione più usati.

8 L'uso dell'acqua. Osserva la figura. Puoi separare, per esempio, un miscuglio di sabbia e di segatura semplicemente ponendolo in acqua. Infatti, una volta poste in acqua (recipiente a destra), la segatura, che galleggia, e la sabbia, che va in basso, si separano. Il setacciamento. Se le parti del miscuglio eterogeneo sono formate da particelle diverse per dimensione, oltre che per natura, puoi usare il setaccio, uno strumento antichissimo. Così, per esempio, puoi separare per setacciamento la sabbia dalla ghiaia o la farina dalla crusca. La ventilazione. Un altro metodo per separare le parti dì un miscuglio eterogeneo solido è la ventilazione. Si procede così. Si macina il miscuglio. Poi si fa cadere da una certa altezza la polvere ottenuta. Mentre cade, si investe la polvere con una corrente d'aria. Le particelle più leggere, spinte lontano dal "vento" artificiale, si ammucchiano in un luogo più lontano da quello in cui cadono le particelle più pesanti. Il metodo della ventilazione è usato in molti processi industriali. La ventilazione è usata anche nella trebbiatura, per separare il grano (il seme del frumento) dalla pula (la leggera pellicola che lo avvolge).

9 L'uso delle calamite. Osserva la figura 2. In miscugli eterogenei in cui siano presenti minerali di ferro (per esempio, in miscugli di sabbia e limatura di Fe (figura 2a) le fasi che contengono ferro possono essere separate per mezzo di una calamità, sfruttando la loro proprietà di essere attratte dalle calamite (figura 2b). La decantazione e la filtrazione. Le fasi solide delle sospensioni sono separabili dalla fase liquida mediante la decantazione e la filtrazione. Sottoponendo a decantazione e a filtrazione una sospensione, ottieni un liquido omogeneo, cioè che ha le stesse proprietà in ogni suo punto.

10 I miscugli omogenei o soluzioni Nell'acqua limpida normalmente sono disciolte parti di altre sostanze, come dimostra il risultato che si ottiene sottoponendola ai passaggi di stato. Miscugli formati da più sostanze separabili solo tramite passaggi dì stato si chiamano miscugli omogenei o soluzioni. Esistono, dunque, due tipi di miscugli, come mostra la tabella. MISCUGLI ETEROGENEI (ad esempio limatura di Fe e S, fumi, nebbie..) Con proprietà diverse in punti diversi punti Separabili con mezzi meccanici MISCUGLI OMOGENEI O SOLUZIONI (ad esempio soluzioni, aria, acqua marina.) Con le stesse proprietà in tutti i loro punti Separabili solo con passaggi di stato Come si recupera il solvente di una soluzione liquida: la distillazione Nelle soluzioni, il componente presente in quantità maggiore si chiama solvente. Le sostanze disciolte nel solvente si chiamano soluti. Il modo più semplice per separare un solvente liquido da un soluto solido è l'evaporazione. Ma l'evaporazione da sola consente solo di recuperare il soluto, cioè le sostanze disciolte nel solvente. Se invece vuoi recuperare il solvente, devi eseguire due passaggi di stato. Prima devi trasformare il solvente in vapore (primo passaggio di stato: da liquido a vapore); poi devi trasformare il vapore in liquido mediante raffreddamento (secondo passaggio di stato: da vapore a liquido). Il procedimento di separazione che permette di recuperare il solvente di una soluzione liquida sì chiama distillazione.

11 Le sostanze pure o specie chimiche Che cosa accade se ritrasformi in vapore l'acqua distillata Se ritrasformi in vapore l'acqua che proviene dalla distillazione (figura 1a), cioè se fai subire all'acqua distillata un passaggio di stato, che cosa accade? L'acqua distillata non lascia residui (vedi figura in basso). Essa può essere ulteriormente condensata a liquido o congelata; ma non subisce alterazioni, ossia non sì scompone in parti diverse. Infatti, l'acqua distillata non contiene al suo interno altre sostanze. Essa, cioè, non è un miscuglio, ma è una sostanza pura.

12 condensazione solidificazione Aeriforme Liquido Solido I passaggi di stato sono esempi di trasformazioni fisiche: la stessa sostanza è presente prima e dopo la trasformazione. = H 2 O ( acqua) Sono sostanze pure tutti i corpi che non possono essere separati in parti diverse, cioè in altre sostanze, attraverso trasformazioni fisiche. Le sostanze pure sono anche chiamate specie chimiche.

13 Esempi di specie chimiche sono, oltre all acqua distillata (H2O), l'oro (figura 2), il mercurio (le goccioline in figura 3), il ferro (Fe) (figura 4), il platino (figura 5), il bromo (Br2), il rame (Cu), lo stagno (Sn), e gli altri metalli, il metano (CH4), l'alcol, lo iodio (I2), lo zucchero, il sale da cucina (NaCl) ecc. Miscugli omogenei o soluzioni (ad esempio soluzioni, aria, acqua marina.) Hanno proprietà variabili, secondo il tipo e la qualità del soluto presente Sono separate in altre sostanze dai passaggi di stato Le sostanze pure o specie chimiche Hanno proprietà caratteristiche e sempre uguali Subiscono i passaggi di stato senza separarsi in altre sostanze

14 Dai miscugli alle sostanze pure La figura 6 riassume in uno schema il modo in cui dai miscugli (eterogenei e omogenei) si possono ottenere sostanze pure. Come vedi, dai miscugli eterogenei, per separazione con mezzi meccanici (setacciamento, ventilazione, decantazione, filtrazione ecc.) si ottengono miscugli omogenei, cioè dotati delle stesse proprietà in tutti i loro punti. Sottoponendo i miscugli omogenei ai passaggi di stato si ottengono, invece, sostanze pure o specie chimiche (infatti, le soluzioni si scompongono nelle sostanze che le compongono). Sottoponendo ai passaggi di stato le sostanze pure, si ottengono ancora sostanze pure: cioè, le sostanze pure restano immutate.

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16 Laboratorio I componenti dei miscugli possono essere separati con vari metodi. Questi metodi ti verranno ora illustrati attraverso una serie di attività sperimentali. Miscuglio di ferro e zolfo Materiali limatura di ferro, zolfo (S8), piattino, becher con acqua, calamità, cucchiaino. Esecuzione Avvicina la calamità alla limatura di ferro e osserva. Immergi un po' di limatura di ferro nell'acqua e osserva. Ripeti le stesse prove utilizzando lo zolfo. Prepara ora un miscuglio mescolando un cucchiaino di zolfo e uno di limatura di ferro nel piattino e osservane il colore. Avvicina la calamità al miscuglio e osserva. Rifai il miscuglio. Immergi il miscuglio nell acqua e osserva Compila la tabella dei risultati. ferro zolfo miscuglio colore prova alla calamità prova in acqua

17 Separazione per filtrazione. La filtrazione serve per separare miscugli solido-liquido o liquido-liquido Cosa devi usare Riso, acqua (H2O), carta da filtro, un imbuto, una ciotola, un bicchiere. Come devi procedere Mescola in una ciotola un po' di riso e un bicchiere d'acqua. Prendi un disco di carta da filtro e piegalo lungo i 2 diametri in modo da dividerlo in quarti. Sistema il filtro nell'imbuto in modo da aprire solo il primo quadrante lasciando ripiegati gli altri tre. Appoggia l'imbuto su un bicchiere e filtra il miscuglio. Cosa osservi?... I due componenti del miscuglio sono separati del tutto?..

18 Evaporazione Separare i componenti della soluzione acqua e sale Cosa devi usare 200 mi di acqua (H2O), 4 cucchiaini di sale (NaCl), un bicchiere, una scodella, una striscia di carta assorbente Come devi procedere Prepara nella scodella una soluzione di acqua (100 mi) e sale (2 cucchiaini) e poi cerca di ottenere nuovamente il sale facendo evaporare l'acqua vicino a una fonte di calore (calorifero). Quanto tempo dovrai aspettare?... Prepara nuovamente la stessa soluzione nel bicchiere e inserisci una striscia di carta assorbente facendo in modo che si appoggi alle pareti del bicchiere. Cosa osservi dopo un giorno?... E dopo due giorni?... Quale sostanza si è depositata sul fondo del bicchiere?... Sai dire perché?...

19 Soluzione e filtrazione Separazione del sale dalla sabbia Si versa acqua sul miscuglio di sale e sabbia; il sale si scioglie; si filtra il nuovo miscuglio; si separa il sale dall'acqua facendo evaporare l'acqua. Il filtro trattiene la sabbia nell'imbuto, mentre nel recipiente rimane la soluzione di acqua e sale. Il sale poi si può separare dall'acqua con il metodo dell'evaporazione Decantazione. La decantazione serve per separare miscugli solido-liquido Separazione del terreno dall'acqua Prova a mescolare in un becker un po di terreno con acqua e lascia decantare. Cosa succede?... Versa ora con molta attenzione, l acqua, facendola gocciolare a poco a poco

20 Come separare il sale dalla sabbia Materiali NaCl, sabbia, H2O, due becher, carta da filtro, imbuto, fornello ad alcool, treppiede e reticella Esecuzione Prepara il miscuglio di sale e sabbia in un becher (1-2). Versa dell'acqua nel becher e mescola sin che il sale sia sciolto (3-3a). Prepara il filtro ripiegandolo e poni il filtro sull'imbuto che avrai sistemato sull'altro becher (4). Filtra il contenuto del primo becher(5). Fai bollire (6). Risultati L'acqua scioglie il ma non la La carta da filtro trattiene la e lascia passare il e l'acqua. II sale si deposita sul fondo del becher quando tutta l'acqua è con l'ebollizione.

21 Cristallizzazione Consiste nel far evaporare il solvente della soluzione aumentando la sua temperatura. Il soluto, durante l'operazione, non perde completamente l'acqua, trattenendone una piccola parte chiamata acqua di cristallizzazione. La cristallizzazione può avvenire anche per raffreddamento della soluzione. Cosa devi usare un bicchiere, acqua, filo di cotone, bacchetta di vetro, un cucchiaio di solfato di rame. Come devi procedere Metti in un becher contenente acqua un cucchiaio di solfato di rame. Scalda la soluzione continuando a mescolare fino a quando tutto il solfato di rame si sarà sciolto. Metti il becher in un luogo dove non venga urtato e applica un filo di cotone a una bacchetta di vetro, sistemandola poi così come mostrato dalla figura B, in modo che il filo scenda nella soluzione. Che cosa succede il giorno dopo?... Cosa noti sul filo?... Cristalli di solfato di rame si sono formati sul filo una volta che la soluzione si è completamente raffreddata. Se attendi la completa evaporazione dell acqua noterai gli stessi cristalli sul fondo e sui bordi del becher.

22 Distillazione Che cosa ti serve Una teiera da fuoco; un pezzo di tubo di gomma;un tubicino di vetro;una bottiglietta; un pò di sale da cucina; un po' di ghiaccio; un fornello. Come devi procedere Metti un po' di acqua salata nella teiera. Mediante il tubo di gomma, collega il becco della teiera con il tubicino di vetro.metti a raffreddare la bottiglietta in un recipiente contenente del ghiaccio. Infila il tubicino di vetro nella bottiglietta. Poni la teiera sul fornello, fino a far bollire l'acqua. Che cosa osservi II vapor d'acqua sale e, passando per il becco della teiera, entra nella cannuccia di vetro. Qui si condensa, per andare a raccogliersi infine nella bottiglietta. Assaggia l'acqua così ottenuta. E ancora salata?... Si tratta proprio di acqua distillata!

23 Qual è la soluzione più concentrata? Cosa devi usare Té solubile, acqua, 4 tazze uguali, un cucchiaino da té. Come devi precedere Prepara nelle 4 tazze del té a contrazione diversa sciogliendove 1, 2, 3, 4 cucchiaini e osserva le differenze di colore e di sapore. Cosa osservi Cosa noti?... In quale caso il colore è più intenso? E il sapore più forte?... Sai spiegare perché?... Da quali fattori dipende la solubilità di una sostanza Solubilità e temperatura Cosa devi usare Acqua, zucchero, becher, un fornellino, una reticella spargifiamma. Come devi procedere Prepara nel becher una soluzione satura di acqua e zucchero, poi scaldala sul fornelletto in presenza di un adulto. Noterai che lo zucchero, in un primo tempo presente sul fondo del becher, si scioglierà rapidamente. Cosa puoi concludere?... La solubilità aumenta all aumentare della temperatura

24 Solubilità in vari solventi Cosa devi usare Acqua, zucchero, sale, alcol, becher. Come devi procedere Prova a fare soluzioni con le stesse quantità di soluto e solvente di: acqua-zucchero acqua-sale Alcol-zucchero Alcol-sale Cosa osservi Cosa hai notato?... La stessa quantità di zucchero si è sciolta allo stesso modo in uguali volumi di acqua e di alcol?... Se no, in quale solvente si è sciolto meglio?... E il sale?... Puoi concludere che La solubilità di una sostanza varia la variare del solvente

25 Verifica 1) Indica quali affermazioni sono vere e quali sono false Si chiamano miscugli eterogenei i corpi che non hanno in tutti i loro punti le stesse proprietà Si chiamano miscugli omogenei o soluzioni i corpi che hanno in tutti loro punti le stesse proprietà e che possono essere scomposti in sostanze diverse tramite passaggi di stato Miscugli eterogenei formati da una fase liquida e da una o più fasi solide si chiamano fumi. Le emulsioni sono miscugli formati da un liquido e da un gas. V F Le sostanze sciolte in una soluzione sì possono separare mediante passaggi di stato. Sono sostanze pure tutti i corpi che non possono essere separati in parti diverse mediante passaggi di stato. V V V V V F F F F F

26 2) Completa le frasi, scegliendo fra i due termini in colore quello corretto Un miscuglio di acqua e di ghiaccio è un miscuglio eterogeneo/una soluzione. Le nebbie/emulsioni sono miscugli eterogenei formati da particene liquida sospese in un gas. Le sospensioni sono miscugli eterogenei formati da una fase liquida e da una o più fasi solide/da un liquido disperso dentro un altro liquido. La decantazione/filtrazione serve a far depositare le particelle più pesanti presenti in una sospensione. Le soluzioni sono miscugli omogenei/eterogenei. Le soluzioni possono essere separate con mezzi mezzi meccanici/con passaggi di stato. l corpi che possono/non possono essere separati in parti diverse mediante ì passaggi di stato si chiamano sostanze pure. Le sostanze pure sono anche chiamate soluzioni/specie chimiche. 3) Scegli la risposta esatta. Come possono essere separate le parti in ferro in un miscuglio di sabbia e di limatura di ferro? A. Mediante setacciamento. B. Usando una calamità. C. Mettendole in acqua. 4) Scegli il completamento esatto. La ventilazione serve per separare: A. miscugli eterogenei solidi ridotti in polvere; B. le fasi solide dalla fase liquida delle sospensioni.

27 5) Indica che tipo di miscuglio eterogeneo mostra ciascuna immagine a b c... 6) Che tipo di operazione illustra la fotografia? A che cosa serve tale operazione? 7) A che cosa serve un distillatore da laboratorio? A. A recuperare il soluto di una soluzione liquida. B. A recuperare il solvente di una soluzione liquida. C. A far evaporare il solvente di una soluzione liquida.

28 8) Indica, accanto a ogni lettera della figura, il nome dell'elemento che essa contrassegna 9) Setacciando, riesci a separare le fasi di un miscuglio. Di che tipo di miscuglio si tratta? Scegli l'ipotesi corretta. A. Un miscuglio eterogeneo. B. Un miscuglio omogeneo. 10) Facendo bollire dell'acqua dentro un pentolino, fino a quando il recipiente è completamente asciutto, sul fondo e sulle pareti del recipiente trovi delle incrostazioni solide. Come spieghi questo fenomeno? 11) Facendo subire a un corpo un passaggio di stato, il corpo non si scompone in altre sostanze. Di che tipo di corpo si tratta? Scegli l'ipotesi corretta. A. Una soluzione. B. Una specie chimica. C. Una sospensione.

29 12) Abbina ciascun termine alla definizione corrispondente, assegnandogli la stessa lettera di quest'ultima. Miscuglio eterogeneo A Metodo per separare in base alla dimensione le diverse fasi di un miscuglio eterogeneo. Emulsione B Corpo che non ha in tutti i suoi punti le stesse proprietà Sospensione C Miscuglio eterogeneo formato da un liquido disperso dentro un altro liquido Setacciamento D Miscuglio eterogeneo formato da una fase liquida e da più fasi solide Soluzione E Corpo che non può essere separato in parti diverse tramite passaggi di stato Specie chimica F Miscuglio formato da più sostanze separabili solo tramite passaggi di stato.

30 13) Completa la mappa concettuale