Che cosa è la chimica?

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1 Che cosa è la chimica? La Terra può essere considerata come un immenso serbatoio di minerali, sostanze organiche ed energia. La chimica è quella materia che studia a analizza queste sostanze fin nelle sue più piccole parti, gli atomi. Essi interagiscono tra loro formando sostanze più o meno eterogenee, cioè la materia che ci circonda.

2 La materia La materia Possiamo dividere la materia in 2 grandi categorie: miscugli e sostanze pure. Queste a loro volta si possono suddividere in miscugli omogenei ed eterogenei, e composti ed elementi. I composti hanno proprietà molto diverse da quelle degli elementi da cui derivano, a causa della particolare interazione degli atomi. Esempio: il sodio e il cloro che separatamente si mostrano l uno sotto aspetto metallico, l altro sotto aspetto gassoso; insieme si mostrano come il nostro comune sale da cucina.

3 Contengono più Campioni (porzioni di materia) Contengono una sola Campioni eterogenei fase Campioni omogenei Miscugli eterogenei Miscugli omogenei Separabili con sostanze Metodi meccanici Metodi di purificazione Sostanze semplici Separabili con filtrazione distillazione Sostanze composte Senza cambiamenti centrifugazione cromatografia estrazione Con cambiamenti

4 I MISCUGLI

5 Miscugli eterogenei Miscela solido-solido (es. granito, formato da biotite, feldspato, quarzo e orneblenda) Miscela solido-liquido detta sospensione (acqua e sabbia) Miscela liquido-liquido detta emulsione (acqua e olio) Miscela liquido-gas detta schiuma

6 MISCUGLI ETEROGENEI 1. Nei miscugli eterogenei, i componenti mantengono le proprie caratteristiche e ciò permette di individuarli anche se sono ben mescolati.ad esempio un miscuglio di sale fino e pepe macinato. 2. I componenti di un miscuglio eterogeneo possono essere mescolati nelle più diverse quantità e proporzioni. 3. I componenti di un miscuglio eterogeneo possono essere separati mantenendo immutate le loro proprietà. 4. Le proprietà del miscuglio possono risultare diverse nelle diverse porzioni del miscuglio stesso.

7 MISCUGLI ETEROGENEI Ad esempio il latte sembra un miscuglio omogeneo e l aggettivo omogeneizzato che compare talvolta sulle confezioni contribuisce a dare l impressione che sia così. In realtà se osservato al microscopio, mostra distintamente i globuli di grasso immersi nel liquido. Nel latte omogeneizzato questi globuli sono molto piccoli, in quello appena munto sono molto più grandi e tendono a raccogliersi in superficie formando la panna.

8 MISCUGLI ETEROGENEI Il sistema acqua + olio rappresenta un miscuglio eterogeneo a due fasi. Le particelle delle due sostanze attirano solamente le particelle di ugual tipo e non si attirano tra di loro; questo provoca la separazione del sistema in due differenti fasi, quella acquosa sotto e quella oleosa sopra. Nelle due differenti fasi il sistema ha evidentemente diverse proprietà. Nel caso dei miscugli eterogenei le porzioni di materia che si interpongono sono sempre più o meno grossolane ed è quindi sempre possibile a occhio nudo o al massimo tramite l'utilizzo di un microscopio ottico riconoscere i componenti di partenza.

9 MISCUGLI ETEROGENEI Un altro esempio di miscuglio eterogeneo è il sistema acqua + sabbia a due fasi. Se proviamo infatti a mescolare acqua e sabbia otteniamo un miscuglio eterogeneo in cui possiamo distinguere una fase acquosa e una fase solida che col tempo si deposita sul fondo del recipiente. E' intuitivo comprendere che nella fase liquida e nella fase solida il sistema non ha le stesse proprietà.

10 MISCUGLI ETEROGENEI Un altro esempio di miscuglio eterogeneo è il sistema acqua + sabbia a due fasi. Se proviamo infatti a mescolare acqua e sabbia otteniamo un miscuglio eterogeneo in cui possiamo distinguere una fase acquosa e una fase solida che col tempo si deposita sul fondo del recipiente. E' intuitivo comprendere che nella fase liquida e nella fase solida il sistema non ha le stesse proprietà.

11 Miscugli omogenei Un miscuglio è omogeneo quando le sostanze che lo formano, cioè i suoi componenti, si trovano mescolati in modo uniforme. Le proprietà di un miscuglio omogeneo sono le stesse in qualunque parte del campione. I componenti non si distinguono neanche con il microscopio.

12 MISCUGLI OMOGENEI Nei miscugli omogenei i componenti sono mescolati in modo molto più profondo, tanto che essi perdono alcune caratteristiche esteriori e non sono più individuabili, neppure con l aiuto del microscopio. Nella foto, una soluzione di solfato di rame.

13 MISCUGLI OMOGENEI 1. Nei miscugli omogenei i componenti si mescolano così bene che perdono alcune delle loro proprietà e non si riescono più a distinguere. 2. I componenti di un miscuglio omogeneo possono essere mescolati in moltissime proporzioni, talvolta con qualche limitazione. 3. I componenti di un miscuglio omogeneo possono essere separati se si cambia il loro stato di aggregazione o se si sfrutta la loro diversa solubilità. 4. Le proprietà di un miscuglio omogeneo sono assolutamente le stesse in qualunque suo punto.

14 MISCUGLI OMOGENEI Se mescoliamo una certa quantità di acqua con proporzioni anche variabili di zucchero da cucina (saccarosio), dopo il mescolamento otterremo un miscuglio omogeneo. Se cerchiamo però di sciogliere troppo zucchero otterremo un miscuglio eterogeneo; in questo caso infatti sarà possibile osservare una fase liquida sovrastante e una fase solida indisciolta sul fondo del recipiente. Questo miscuglio si presenta in un'unica fase; non è infatti più possibile individuare i componenti di partenza (se non sapessimo di avere a che fare con acqua zuccherata non riusciremmo a distinguerla da acqua pura) e questo è dovuto al fatto che le porzioni di materia che si interpongono le una con le altre sono così piccole che ad occhio nudo o tramite l'utilizzo di un microscopio ottico sembra di aver a che fare con un'unica sostanza.

15 MISCUGLI OMOGENEI Possiamo dire che il mescolamento avviene a livello molecolare intendendo con questo che se noi potessimo "guardare" la composizione del miscuglio vedremmo le molecole delle due sostanze mescolate casualmente le une con le altre. I miscugli omogenei sono indicati anche come soluzioni. Altri esempi di miscugli omogenei sono: acqua + sale da cucina, acqua + alcol etilico, l'aria che respiriamo.

16 MISCUGLI OMOGENEI: le SOLUZIONI Alcuni tipi di miscugli omogenei liquidi sono chiamati SOLUZIONI. Questi sistemi sono molto diffusi: l acqua minerale o del rubinetto, la miscela per gli scooter, la candeggina per il bucato, l alcol denaturato. Le SOLUZIONI sono quindi miscugli omogenei formati da due o più componenti. Il componente presente in quantità maggiore è detto SOLVENTE, l altro (o gli altri) si chiama SOLUTO. Il SOLVENTE è un materiale liquido mentre, prima di sciogliersi, il SOLUTO può essere in uno qualunque dei tre stati di aggregazione.

17 MISCUGLI OMOGENEI: le SOLUZIONI Ad esempio la COCA COLA è una soluzione in cui sono presenti SOLUTI SOLIDI (zucchero, caffeina, caramello), LIQUIDI (acido ortofosforico) e GASSOSI (soprattutto anidride carbonica).

18 SOLUZIONI con SOLUTO SOLIDO Gli sciroppi per preparare le granite, ad esempio, sono soluzioni acquose in cui il soluto principale, lo zucchero, è un solido.

19 SOLUZIONI con SOLUTO LIQUIDO Questi sistemi sono molto diffusi e vengono anche chiamati MISCELE. L esempio forse più noto è costituito dal carburante dei ciclomotori: il soluto è l olio lubrificante che è sciolto nella benzina, il solvente. La benzina, a sua volta, è una miscela di liquidi chiamati idrocarburi.

20 SOLUZIONI con SOLUTO Probabilmente già sapete che i pesci possono sopravvivere nell acqua purché vi sia disciolta una quantità sufficiente di ossigeno. Ammoniaca e acido cloridrico, che vengono usati in soluzione acquosa, con dei gas. GASSOSO

21 SOLUZIONI Per caratterizzare in modo completo una soluzione, oltre a sapere quali sono il SOLUTO e il SOLVENTE, occorre conoscere una grandezza che si chiama CONCENTRAZIONE. La CONCENTRAZIONE di una soluzione esprime la composizione quantitativa del miscuglio omogeneo, cioè il rapporto tra quantità di soluto e quantità di soluzione (o di solvente). Ad esempio, la pericolosità di una soluzione acida dipende soprattutto dalla sua concentrazione.

22 CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE La CONCENTRAZIONE è una proprietà che caratterizza un sistema indipendentemente dalla quantità di soluzione. Una grandezza di questo tipo, che cioè non dipende dalla massa del sistema e che si conserva anche se si dimezza o si raddoppia la massa del sistema, è una GRANDEZZA INTENSIVA. Le GRANDEZZE ESTENSIVE sono invece quelle che dipendono dalla quantità del sistema, come ad esempio la MASSA e il VOLUME.

23 CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE La concentrazione di una soluzione NON può assumere qualunque valore, ossia un certo volume di solvente NON è in grado di sciogliere qualunque quantità di soluto. Il SOLUTO, infatti, rimane indisciolto quando la soluzione ha raggiunto la massima concentrazione possibile ad una certa TEMPERATURA. In questo caso si parla di SOLUZIONE SATURA e la sostanza indisciolta viene detta CORPO DI FONDO.

24 Metodi per separare i miscugli eterogenei I componenti di un miscuglio possono essere separati. Le tecniche a disposizione per separare un miscuglio eterogeneo sono: -centrifugazione -estrazione con solvente -cristallizzazione -filtrazione

25 TECNICHE DI SEPARAZIONE Per separare un miscuglio sia esso omogeneo che eterogeneo nei suoi componenti è possibile utilizzare metodi fisici e/o meccanici che non alterano affatto la natura delle sostanze costituenti.

26 SEPARAZIONE DEI COMPONENTI DI UN MISCUGLIO ETEROGENEO Per comodità di studio prendiamo in considerazione miscugli a due fasi. Tra i vari metodi di separazione, tratteremo: - metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti; - metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti.

27 Metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti FERROMAGNETISMO. Per separare due solidi mescolati fra loro si possono sfruttare le differenti caratteristiche di uno dei due. Per esempio il miscuglio limatura di ferro + sale da cucina si può suddividere o sfruttando la proprietà del ferro di essere attirato da una calamita (come nella foto) o la solubilità in acqua del cloruro di sodio. Nel secondo caso l'aggiunta di acqua va fatta seguire da una filtrazione ed eventualmente dall'evaporazione dell'acqua per riottenere il sale solido. DIMENSIONI.Utilizzo di setacci per miscugli solidi in cui le parti hanno diverse dimensioni. COLORE. Ad esempio in un miscuglio di sale fino e pepe con lente di ingrandimento e pinzetta saremmo in grado di separare i componenti.

28 Metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti Si possono separare anche le fasi di una EMULSIONE (miscuglio di liquido in liquido) purché esse abbiano densità diversa, come avviene nel miscuglio acqua-olio. Due liquidi che, come acqua e olio, non sono in grado di mescolarsi a causa della diversa densità, si dicono IMMISCIBILI. Tuttavia, se noi agitiamo un miscuglio acquaolio con una comune frusta da cucina, vedremmo l olio disperdersi nell acqua sotto forma di minuscole goccioline.

29 Metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti CRISTALLIZZAZIONE Consente di separare sotto forma cristallina un solido (soluto) da una sua soluzione resa satura per evaporazione del solvente. Si generano cristalli tanto più grandi quanto più lenta è l evaporazione del solvente. In natura questo fenomeno avviene nelle saline.

30 Cristallizzazione Si scioglie il solido nella minima quantità di solvente a caldo, sfruttando il fatto che la maggior parte dei solidi è più solubile a caldo che a freddo. Si filtra la soluzione, per allontanare le impurezze insolubili. Raffreddando lentamente il filtrato, la sostanza si separa sotto forma di cristalli.

31 Metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti FILTRAZIONE Consiste nella separazione delle due fasi attraverso una CARTA DA FILTRO, che lascia passare il liquido, ma trattiene le parti solide. In questo caso, oltre alla gravità, si sfrutta la POROSITA della carta, grazie alla quale le particelle liquide possono passare, mentre quelle più grosse vengono trattenute.

32 Filtrazione La filtrazione separa i componenti della miscela eterogenea solido-liquido, utilizzando un materiale poroso, di solito carta da filtro, sfruttando la diversa dimensione delle particelle. Il solido viene trattenuto dalla carta, il liquido riesce a passare. La carta da filtro va piegata due volte, arrotolata a cono e allargata.

33 Filtrazione sospensione liquido filtrato

34 Metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti DECANTAZIONE Consiste nel lasciare a riposo il miscuglio; si lascia cioè che agisca la gravità, per un periodo di tempo variabile in funzione delle dimensioni delle particelle del solido: quanto più piccole sono le particelle, tanto più lungo sarà il tempo necessario perché decantino. Al termine dell operazione, la parte solida, che ha comunque un peso specifico più elevato, cadrà sul fondo del recipiente, mentre quella liquida rimarrà al di sopra.

35 Metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti Questi metodi vengono impiegati per separare le SOSPENSIONI (i miscugli di solidi in liquidi), in cui le particelle del solido sono molto minute (es. farina mescolata con acqua).

36 Estrazione con solvente Se si devono separare due solidi, ad esempio iodio e solfato di rame, si trattano con due solventi non miscibili, in cui le due sostanze presentano diversa solubilità. Ponendo il tutto in un imbuto separatore, le due soluzioni stratificheranno e così sarà possibile separarle. I solidi si otterranno per successiva evaporazione del solvente. Soluzione di iodio in trielina Soluzione di cromato di potassio in acqua

37 Metodi basati sullo STATO DI AGGREGAZIONE dei componenti CENTRIFUGAZIONE Se il solido mescolato al liquido presenta particelle piccolissime o ha un peso specifico molto diverso da quello del liquido stesso, si utilizzano particolari apparecchiature, dette CENTRIFUGHE, che agiscono esaltando i fenomeni di gravità. In pratica, con la centrifugazione si ottiene lo stesso risultato della decantazione, ma in un tempo più breve: anche nella centrifugazione, infatti, le particelle del solido cadono sul fondo del recipiente, mentre il liquido resta nella parte superiore. La centrifugazione è una tecnica che separa i componenti in base alla differente densità. La centrifuga rende più rapida la naturale stratificazione dei componenti i miscugli eterogenei.

38 Metodi per separare i miscugli omogenei I componenti di un miscuglio possono essere separati. Le tecniche a disposizione per separare un miscuglio omogeneo sono: -distillazione -cromatografia

39 Le soluzioni Una miscela omogenea viene anche definita soluzione. In una soluzione il componente presente in quantità maggiore viene definito solvente, gli altri soluti. A seconda dello stato fisico in cui si presentano, possiamo distinguere le soluzioni liquide, costituite da un solvente liquido che contiene disciolto un soluto solido, un liquido, oppure un gas, dando rispettivamente vita a : soluzioni del tipo solido in liquido, del tipo liquido in liquido, o gas in liquido. Esistono anche soluzioni in fase gassosa (aria) e in fase solida (leghe)

40 Metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti DISTILLAZIONE Può servire a separare componenti di una soluzione, per esempio acqua e sale. A differenza della semplice evaporazione del solvente che permette di ottenere solo il sale, in questo caso è possibile raffreddare e quindi condensare i vapori d acqua che si liberano durante il riscaldamento e ottenere acqua liquida separata dal sale. L acqua così ottenuta è particolarmente pura ed è chiamata appunto distillata.

41 DISTILLAZIONE Metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti Con questa apparecchiatura si possono separare anche i componenti di una soluzione di due liquidi, sfruttando la loro diversa tendenza a passare allo stato di vapore (diversa volatilità). Il riscaldamento porta all ebollizione il componente che bolle a t più bassa e i vapori vengono convogliati nel condensatore dove il raffreddamento li trasforma nuovamente in liquido che viene raccolto goccia a goccia. Quando due liquidi hanno t di ebollizione vicine, non è possibile ottenere una separazione completa delle due sostanze, ma si può ottenere un ARRICCHIMENTO

42 Distillazione semplice La distillazione semplice permette di separare i componenti di una miscela omogenea sfruttando la loro diversa volatilità e quindi la loro diversa temperatura di ebollizione. Il componente più volatile diventa vapore per primo, e giunge ad un dispositivo raffreddato con l acqua, il refrigerante, dove subisce un secondo passaggio di stato, la condensazione, e quindi si raccoglie come liquido puro nel recipiente di raccolta.

43 Separazione dei componenti di una miscela omogenea (soluzione) distillazione semplice termometro uscita acqua condensatore ingresso acqua vapore soluzione distillato calore L apparecchio per la distillazione semplice è costituito da un pallone, un termometro, un refrigerante, una beuta di raccolta, un bunsen

44 Distillazione frazionata Permette di separare i liquidi di un miscuglio omogeneo, anche se presentano piccole differenze di volatilità ( ad esempio acqua e alcol etilico). Il pallone contenente i liquidi viene riscaldato, e la miscela di vapori che sale, incontrando la colonna di frazionamento, subirà un raffreddamento: il componente meno volatile si condenserà e scenderà verso il pallone di distillazione. Incontrando i vapori che salgono esso li raffredderà, portando via gran parte dei componenti meno volatili. In questo modo, solo il vapore del liquido più volatile raggiungerà la testa della colonna, condensando come liquido puro.

45 Distillazione frazionata termometro colonna di frazionamento uscita acqua condensatore ingresso acqua vapore soluzione calore distillati La distillazione frazionata si esegue utilizzando, oltre all apparecchiatura necessaria per la distillazione semplice, anche una colonna di frazionamento, riempita di palline di vetro

46 Metodi basati sulle CARATTERISTICHE FISICHE dei componenti CROMATOGRAFIA La cromatografia su carta è un metodo usato per separare i diversi soluti presenti in un miscuglio omogeneo. La soluzione viene fatta assorbire si carta di particolare qualità, quando la parte terminale di questa viene messa a contatto con il liquido solvente contenuto nella vaschetta: il solvente risale per CAPILLARITA, ad esempio nella carta, e trascina i componenti della miscela con velocità diverse separandoli.

47 La cromatografia E una tecnica che permette di separare i componenti di una miscela omogenea sfruttando la loro diversa velocità di spostamento su un solido, la fase fissa, quando vengono trascinati da un eluente, la fase mobile. La fase fissa può essere una striscia di carta porosa (cromatografia su carta), o una colonna di vetro riempita con ossido di alluminio (cromatografia su colonna). Le particelle delle diverse sostanze vengono assorbite dalla superficie del solido con forze di diversa entità e perciò saranno trattenute in maniera diversa. Al passaggio dell eluente, esse verranno trascinate con velocità diversa, per cui si separeranno formando degli strati diversamente colorati.

48 Cromatografia su colonna eluente miscela di quattro sostanze ossido di alluminio

49 La cromatografia su carta fase fissa carta cromatografica linea di partenza fase mobile

50 TECNICHE DI SEPARAZIONE DI MISCUGLI ETEROGENEI ED OMOGENEI Tecnica di separazione Calamita Setacciatura Filtrazione Distillazione Cristallizzazione Cromatografia Centrifugazione Decantazione Principio su cui si basa Magnetismo Diverse dimensioni Diverso stato di aggregazione dei componenti Diversa volatilità Diverso stato di aggregazione Diversa adsorbibilità Diverso stato di aggregazione Diversa densità Diverso stato di aggregazione dei componenti