Per assicurare i colpevoli alla giustizia, i chimici del Reparto. La materia e le sostanze

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1 1 La materia e le sostanze Per assicurare i colpevoli alla giustizia, i chimici del Reparto Investigazioni Scientifiche (RIS) dell Arma dei Carabinieri analizzano tutte le tracce non biologiche trovate sulla scena del crimine. Sostanze chimiche, liquidi, vernici, stoffe, materiali esplosivi e molti altri reperti sono analizzati applicando le regole e i metodi che guidano il lavoro del chimico. Se imparerai a conoscerlo meglio, può essere anche più affascinante di come appare in TV. 1 La materia attorno a noi 2 Dai miscugli alle sostanze 3 La dissoluzione e le soluzioni 1

2 In 1 La materia attorno a noi base al loro stato di aggregazione, i corpi si possono classificare in solidi, liquidi e aeriformi. I passaggi di stato sono le trasformazioni che cambiano il loro stato di aggregazione. È possibile anche classificare i corpi in miscugli omogenei ed eterogenei, sistemi costituiti da più materiali diversi. NELLE RISORSE DIGITALI Animazione I passaggi di stato Approfondimento Il metodo sperimentale Figura 1 I materiali allo stato gassoso sono spesso incolori e quindi invisibili. Per esempio, nell aria si trova sempre l invisibile vapore acqueo: quando ci sembra di «vederlo» è perché il vapore acqueo si è trasformato in minuscole goccioline di acqua liquida sospese nell aria, come per esempio nelle nuvole o nella nebbia. Se si fa bollire l acqua in un recipiente di vetro, si può osservare la formazione di bolle costituite dal vapore acqueo. Figura 2 " Gli stati di aggregazione e i passaggi di stato Gli oggetti che abbiamo intorno e con cui abbiamo a che fare tutti i giorni sono detti genericamente corpi e sono costituiti da materia. In generale, per materia si intende tutto ciò che possiede una certa massa e un certo volume. Il primo compito dei chimici è quello di osservare ciò che ci circonda per studiare come è fatta la materia. Un modo semplice e intuitivo per classificare la materia è quello che si basa su una proprietà dei corpi che possiamo valutare con i nostri sensi: lo stato di aggregazione. Gli stati di aggregazione della materia sono fondamentalmente tre: stato solido, stato liquido e stato aeriforme. I corpisolidi sono caratterizzati da una forma e da un volume definiti. I corpi liquidi hanno volume definito ma assumono la forma del recipiente che li contiene. I corpi aeriformi (gas e vapori) occupano tutto lo spazio a disposizione e quindi hanno la forma e il volume del contenitore (figura 1). goccioline di acqua liquida bolle di vapore acqueo Forse è un po meno noto che i diversi stati di aggregazione sono il risultato dei diversi gradi di libertà che caratterizzano le particelle (atomi o molecole) che costituiscono il corpo (figura 2). Le particelle che costituiscono i corpi nello stato solido sono molto vicine, hanno una posizione reciproca fssa e non possono spostarsi; tuttavia non sono immobili, dato che vibrano continuamente. Le particelle che costituiscono i corpi nello stato liquido sono molto vicine tra loro e sono libere di scorrere le une sulle altre; la distanza media tra le particelle, però, è sempre la stessa. Le particelle che costituiscono i corpi nello stato aeriforme hanno grande libertà di movimento e la distanza media tra esse è enormemente più grande delle dimensioni di ogni singola particella. 2

3 1 Capitolo La materia e le sostanze 1. La materia attorno a noi Gli stati di aggregazione solido e liquido sono detti stati condensati della materia, in quanto le particelle non possono essere ulteriormente avvicinate. Ciò spiega la incomprimibilità di solidi e di liquidi, cioè il fatto che corpi che si trovano in uno stato condensato, anche se fortemente compressi, non modificano significativamente il proprio volume. I corpi liquidi e quelli aeriformi sono detti fluidi in quanto le loro particelle possono muoversi: i fluidi non hanno una forma propria e questo consente di trasportarli facilmente attraverso condutture. Le trasformazioni che cambiano lo stato di aggregazione di un corpo si chiamano passaggi di stato o cambiamenti di stato (figura 3). solido fusione aumento di temperatura sublimazione liquido ebollizione ed evaporazione aeriforme Figura 3 Lo schema riporta i nomi di tutti i passaggi da uno stato di aggregazione all altro. Normalmente i passaggi di stato avvengono in seguito a una variazione della temperatura. solidifcazione condensazione brinamento diminuzione di temperatura " Il sistema e l ambiente In generale l osservazione della materia, sulla base dello stato di aggregazione, presuppone di saper individuare con precisione l oggetto da classificare. Nel caso di corpi solidi l oggetto da osservare può essere facilmente definito, mentre se abbiamo a che fare con corpi liquidi e soprattutto con corpi aeriformi l individuazione dell oggetto è più complessa. Per esempio, se vogliamo studiare l aria, qual è il limite di osservazione? L aria che ci circonda per qualche metro oppure ci spingiamo a considerare tutta l atmosfera che circonda la Terra? Occorre perciò fare un operazione mentale con la quale delimitare in modo preciso ciò che si vuole osservare. Per fare questo, è sempre necessario identificare e definire con precisione ciò che si deve studiare, distinguendo il sistema dall ambiente. Figura 4 Ognuno dei sistemi raffigurati ha un diverso modo di interagire con l ambiente. Il sistema (che può essere costituito da un singolo corpo o da un insieme di corpi) è quella porzione di materia che viene studiata; l ambiente indica tutta la materia che non costituisce il sistema. chiuso isolato Il sistema può interagire con l ambiente secondo modalità diverse (figura 4): se il sistema può scambiare materia ed energia con l ambiente si parla di sistema aperto; se il sistema può scambiare solo energia ma non materia si parla di sistema chiuso; se invece il sistema non può scambiare né materia né energia si parla di sistema isolato. L osservazione di un sistema non è mai fine a sé stessa ma costituisce il presupposto per studiare le proprietà e le eventuali trasformazioni che lo riguardano. aperto 3

4 1 Capitolo La materia e le sostanze 1. La materia attorno a noi " I miscugli Possiamo effettuare una classificazione della materia anche considerando che molti corpi sono formati da un insieme di più materiali. I materiali hanno la caratteristica di presentare proprietà che appunto li caratterizzano e che li distinguono dagli altri materiali. Per fare un esempio, un secchio può essere di plastica o di acciaio: l uso è lo stesso e anche alcune proprietà possono essere le stesse, come per esempio la capacità, tuttavia i materiali che lo costituiscono sono diversi e visibilmente distinguibili. Isistemi costituiti dapiùmaterialisonoindicaticonil termine genericodi miscugli (o miscele). Nello studio della materia è utile distinguere i miscugli in due categorie: miscugli eterogenei e miscugli omogenei (tabella 1). Tabella 1 Le principali caratteristiche distintive dei miscugli. Miscugli eterogenei Ogni componente mantiene le proprie caratteristiche e ciò permette di individuarlo a occhio nudo o con il microscopio Le proprietà non sono uguali in tutti i punti del miscuglio I componenti possono essere sempre mescolati in qualsiasi quantità e proporzione Miscugli omogenei I componenti si mescolano così bene da non essere più distinguibili neppure con il microscopio Le proprietà sono le stesse in qualunque punto del miscuglio Non sempre i componenti possono essere mescolati in qualunque quantità e proporzione Figura 5 A Il bronzo è una lega metallica costituita da stagno e rame. B Le particelle solide in sospensione nel succo di frutta sono spesso ben visibili sul fondo del bicchiere. C Le sostanze grasse presenti nel latte sono così uniformemente disperse nel sistema che si possono vedere solo con il microscopio. Consideriamo ora molti miscugli che sono attorno a noi, che hanno nomi propri e che possono essere ricondotti allo schema riportato nella tabella. Le leghe sono miscugli omogenei formati da due o più componenti, dei quali quello presente in percentuale maggiore è sempre un metallo: esempi di leghe sono l acciaio e il bronzo (figura 5 A). Tutte le leghe si trovano allo stato solido, eccetto alcune contenenti mercurio, chiamate amalgami, che possono essere anche liquide. Le sospensioni sono miscugli eterogenei in cui piccolissimi granuli di un solido sono dispersi in un liquido; sono esempi di sospensioni il sangue e i succhi di frutta (figura 5 B). Le emulsioni sono miscugli eterogenei tra liquidi: un liquido è disperso sotto forma di goccioline minutissime in un altro liquido in cui non è miscibile. La maionese e il latte sono esempi di emulsioni (figura 5 C). Gli aerosol sono miscugli eterogenei formati da un solido o da un liquido dispersi in un gas. I fumi sono esempi di miscuglio solido-gas, mentre la nebbia e le nuvole sono esempi di miscugli liquido-gas. Le soluzioni sono miscugli omogenei liquidi; una soluzione è costituita da un liquido nel quale vengono sciolti uno o più materiali che possono essere solidi, liquidi o aeriformi. L acqua potabile è un tipico esempio di soluzione. goccia al microscopio A B C 4

5 2 Dai miscugli alle sostanze Di tutti i miscugli omogenei ed eterogenei si possono separare i costituenti attraverso opportune tecniche. Le sostanze invece sono individui chimici e per questo non più scomponibili con semplici tecniche di separazione. NELLE RISORSE DIGITALI Video La distillazione di una soluzione Approfondimento La distillazione del petrolio " I metodi di separazione dei miscugli Fin dall inizio della sua storia, la specie umana ha imparato a utilizzare i materiali che offre la natura (l acqua, i sassi, il legno e altri ancora) ma via via che si è evoluta ha imparato anche a manipolare i miscugli naturali che aveva intorno a sé per recuperare da questi i componenti che le servivano. Con il passare dei secoli, sono state messe a punto tecniche di separazione sempre più perfezionate, senz altro molto diverse tra loro, ma accomunate da uno stesso principio: tutte sfruttano una proprietà specifica del componente che si intende separare. Presentiamo ora alcune di queste tecniche. Setacciatura La setacciatura è un metodo concettualmente molto semplice e tuttora in uso in alcune attività industriali oppure in agricoltura. Si può applicare ai miscugli eterogenei solido-solido in cui un materiale è formato da granuli di dimensioni diverse da quelle degli altri componenti. Filtrazione Questo metodo è utilizzato per la separazione dei miscugli eterogenei solido-liquido e solidoaeriforme. Il miscuglio viene fatto passare attraverso un filtro costituito da maglie con piccoli pori, in modo che i granuli del materiale solido vengano trattenuti; il liquido o il gas riescono ad attraversare il filtro (figura 6). Estrazione con solvente Questa tecnica viene utilizzata per miscugli sia omogenei sia eterogenei. Il miscuglio viene mescolato con un liquido (detto solvente) che è in grado di sciogliere soltanto il componente che si vuole separare. Una volta separata la soluzione dal miscuglio, si può recuperare il componente sciolto attraverso un altra tecnica di separazione. Decantazione La decantazione è un metodo utilizzato soprattutto per la separazione dei miscugli eterogenei solido-liquido e consiste nel lasciare a riposo il sistema in modo che i granuli del solido (che ha maggior peso specifico) si depositino spontaneamente sul fondo; successivamente si può travasare il liquido sovrastante ottenendo così la separazione dei componenti (figura 7). Si tratta di un metodo che può essere utilizzato anche per separare i miscugli eterogenei liquido-liquido: in tal caso il liquido con peso specifico maggiore si dispone sotto a quello con peso specifico minore. Figura 6 Il termine aria indica un miscuglio di diversi gas. Spesso però l aria che respiriamo contiene anche particelle solide. Proprio per questo i climatizzatori sono dotati di filtri per trattenere le polveri presenti nell aria in entrata. Figura 7 La decantazione rappresenta una delle fasi impiegate nei processi di trattamento e di depurazione delle acque. Questo procedimento serve per far depositare sul fondo delle vasche i fanghi che hanno peso specifico maggiore. La decantazione consente di separare dalle acque le particelle di solido che hanno diametro maggiore di 10 millesimi di millimetro. L immagine mostra l acqua che tracima dall ultima vasca di decantazione; essa può essere usata per l irrigazione agricola oppure riversata in un corso d acqua. 5

6 1 Capitolo La materia e le sostanze 2. Dai miscugli alle sostanze Centrifugazione Questo metodo è utilizzato per la separazione dei miscugli eterogenei solido-liquido e liquidoliquido. Il miscuglio è introdotto in un recipiente che viene fatto ruotare molto velocemente: le parti del miscuglio con peso specifico maggiore si raccolgono rapidamente sul fondo e sulle pareti del recipiente (figura 8). A livello industriale, la centrifugazione viene utilizzata per esempio per separare l olio extravergine d oliva dal liquido di spremitura e per ottenere la panna dal latte. Figura 8 In laboratorio, per separare rapidamente i componenti di un miscuglio eterogeneo si usa un apparecchiatura chiamata appunto centrifuga. Cromatografia Questo metodo consente di separare miscugli costituiti da molti componenti e sfrutta la diversa velocità di migrazione dei componenti su opportuni supporti. Le tecniche cromatografiche sono utilizzate nell analisi delle urine e degli inquinanti delle acque e dell aria. Il nome prende origine dal termine greco chrôma che significa «colore» ed è stato introdotto dal botanico italo-russo M.S. Tswett, il quale notò per primo che operando su un estratto di foglie verdi, come quello riportato nella figura 9, si ottenevano zone diversamente colorate. Figura 9 Nell analisi cromatografica, piccole quantità del miscuglio vengono poste sulla carta che viene poi immersa verticalmente in un opportuno solvente (eluente). Il solvente risale per capillarità nella carta, i componenti si sciolgono in esso e la separazione avviene per effetto della diversa velocità di risalita. estratto di spinaci liquido eluente carta speciale ogni banda colorata corrisponde a un diverso componente del miscuglio Figura 10 Apparecchiatura utilizzata in laboratorio per la distillazione semplice. Distillazione Questa tecnica consente di separare i componenti dei miscugli omogenei solido-liquido e liquido-liquido. Il miscuglio liquido viene fatto bollire e i vapori che si liberano sono poi fatti condensare. Per ottenere separatamente i componenti di una soluzione salina, come per esempio l acqua del mare, è possibile utilizzare una tecnica chiamata distillazione semplice che si può realizzare con un apparecchiatura simile a quella della figura 10. condensazione del vapore vapore acqueo soluzione salina entrata acqua fredda 100 ml acqua distillata uscita acqua

7 1 Capitolo La materia e le sostanze 2. Dai miscugli alle sostanze " Le sostanze chimiche L acqua fornita dall acquedotto, così come l acqua minerale e l acqua dei fiumi e dei laghi, è detta acqua dolce per distinguerla dall acqua del mare, che è salata a causa della grande quantità di sali minerali che vi sono sciolti. Tuttavia, anche l acqua dolce contiene disciolti, naturalmente in misura minore, sali minerali e anche materiali aeriformi come ossigeno e anidride carbonica (figura 11). Con apparecchiature chimiche chiamate deionizzatori è possibile eliminare dalla soluzione acquosa i sali disciolti, ottenendo così un materiale liquido detto acqua demineralizzata. L acqua demineralizzata però è ancora un miscuglio, perché contiene microrganismi, materiali gassosi e tracce di solidi disciolti. Per una purificazione ulteriore è necessario sottoporre l acqua demineralizzata a un processo di distillazione; in questo modo si ottiene un sistema formato da un solo componente, cioè un materiale unico: l acqua distillata. Figura 11 L acqua minerale è una soluzione, cioè un miscuglio omogeneo costituito da più componenti. molecola d acqua L acqua potabile è una soluzione costituita da più componenti. L acqua demineralizzata presenta ancora tracce di altri componenti. L acqua distillata è un materiale puro, identifcato dalla formula chimica H 2 O. Così come l acqua distillata, ogni sistema che può essere considerato come un materiale puro è un individuo chimico, cioè presenta caratteristiche che lo rendono unico e inconfondibile. Ogni individuochimico è unasostanza chimica, o più semplicemente sostanza. Una sostanza assolutamente pura è un concetto astratto, poiché la possibilità di determinare se contiene o no impurità è legata alla sensibilità dei metodi di analisi. Potremmo dire allora che una sostanza è pura quando nessun metodo di analisi consente di accertare la presenza di tracce di altre sostanze. In realtà, nella vita di ogni giorno una sostanza è considerata pura quando contiene poche impurità che non interferiscono in modo significativo con gli usi ai quali è destinata. Per esempio, il cloruro di sodio usato in cucina è molto meno puro del rame usato per i cavi elettrici o del silicio impiegato nei chip; tuttavia un ulteriore purificazione del sale da cucina sarebbe inutile, perché non migliorerebbe l uso al quale è destinato. In molte situazioni è importante saper distinguere se un sistema è una sostanza oppure un miscuglio. Un metodo che può essere utile a questo scopo è quello di basarsi sul nome. I nomi delle sostanze possono essere letti solo al singolare perché ogni sostanza è un individuo chimico e, quindi, non possono esserci diversi tipi della stessa sostanza (figura 12). Figura 12 Bicarbonato di sodio, acido solforico e alluminio sono nomi di sostanze e non possono essere mai declinati al plurale. I nomi dei miscugli, invece, si possono usare anche al plurale: infatti esistono diversi tipi di farine, così come esistono più oli, più benzine eccetera. 7

8 3 La dissoluzione e le soluzioni Il fenomeno che riguarda una sostanza che si scioglie in un liquido è detto dissoluzione: in questa trasformazione la massa del sistema non cambia, mentre il volume può variare. La concentrazione delle soluzioni corrisponde al rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di soluzione (o di solvente). NELLE RISORSE DIGITALI Animazione Approfondimento Dissoluzione e concentrazione di una soluzione La densità delle soluzioni Figura 13 Il permanganato di potassio è un solido viola scuro; quando è disciolto in acqua anche la soluzione diventa violetta. Il recipiente che contiene la soluzione viene abitualmente utilizzato nei laboratori chimici e prende il nome di becher. " Il processo di dissoluzione È sufficiente guardarsi un po attorno per rendersi conto che le soluzioni sono sistemi molto diffusi e utilizzati ogni giorno per moltissimi usi. Le soluzioni sono miscugli omogenei liquidi costituiti da un solvente in cui sono sciolti uno o più soluti. Le soluzioni più comuni hanno come solvente l acqua e sono perciò dette soluzioni acquose. Per comprendere le proprietà delle soluzioni occorre considerare che cosa accade, per esempio, quando una sostanza solida si scioglie in un liquido. La trasformazione che avviene si chiama dissoluzione: le particelle che costituiscono il solido si staccano progressivamente dal corpo di cui fanno parte e si disperdono mescolandosi uniformemente con le particelle del liquido solvente. Proprio per questo nella soluzione non è più possibile distinguere il soluto, neppure con un potente microscopio: la soluzione è un liquido omogeneo trasparente (figura 13). permanganato di potassio acqua distillata soluzione Figura 14 I componenti della soluzione acquosa di permanganato di potassio non si riescono a separare con una filtrazione: le particelle del soluto sono così piccole che nessun filtro riesce a trattenerle. Abbiamo descritto quello che accade quando la sostanza che si scioglie è solida; a questo stesso stato di soluzione si può giungere anche sciogliendo una sostanza liquida o aeriforme. Dopo la dissoluzione di una sostanza nel solvente, il soluto non è più né solido né liquido né gassoso: le sue particelle sono uniformemente disperse tra quelle del solvente e quindi si può dire soltanto che la sostanza è sciolta. In questo nuovo stato non è possibile separare il soluto dal solvente né con una centrifugazione né con una filtrazione (figura 14). Durante la dissoluzione la temperatura del sistema cambia e la variazione può essere talvolta così marcata da essere facilmente avvertita dai nostri sensi. Ci sono situazioni in cui la temperatura del sistema aumenta: in questo caso si dice che la dissoluzione è esotermica. In altri casi si osserva l effetto contrario: la temperatura del sistema diminuisce e si dice che la dissoluzione è endotermica. Quando si mescolano più corpi formati da materiali uguali o diversi, la massa del sistema che si ottiene è sempre uguale alla somma aritmetica delle masse dei singoli corpi separati. Possiamo cioè dire che in generale la massa è una proprietà dei corpi che si conserva anche nelle operazioni di mescolamento. Naturalmente questo è vero anche per le soluzioni: la massa di una soluzione corrisponde alla somma delle masse del solvente e delle sostanze che vengono sciolte. 8

9 1 Capitolo La materia e le sostanze 3.Ladissoluzioneelesoluzioni È importante invece sottolineare che il volume di una soluzione non sempre corrisponde alla somma dei volumi del solvente e delle sostanze che vengono sciolte in esso (figura 15). livello del liquido Anche se proviamo a mescolare alcol denaturato con acqua si verifica che il volume finale della soluzione risulta minore della somma dei volumi dei due liquidi non ancora miscelati (figura 16). Tutto questo porta ad affermare che in generale il volume dei corpi è una grandezza che non sempre si conserva nelle dissoluzioni, cioè il volume dei corpi può cambiare se vengono mescolati tra loro. Nel caso dei miscugli eterogenei il volume del sistema è sempre uguale alla somma dei volumi dei singoli componenti. Figura 15 Dopo la dissoluzione del solido nell acqua, si osserva che la massa del sistema non cambia, mentre il volume diminuisce. volume iniziale volume fnale " La concentrazione Conoscere qual è il solvente e qual è il soluto non è sufficiente per caratterizzare in modo completo una soluzione: è necessario indicare anche la sua composizione quantitativa, cioè la concentrazione (C). Per capire che cosa indica la concentrazione di una soluzione si può considerare la seguente situazione: una tazza contiene 200 ml di tè in cui sono stati sciolti 3,8 g di zucchero e una caraffa contiene 1000 ml di tè in cui sono stati sciolti 19 g di zucchero. Pur avendo utilizzato due quantità diverse di zucchero, si può constatare che il tè nella tazza e quello della caraffa sono dolci alla stessa maniera. Questo accade perché le due soluzioni hanno la stessa composizione quantitativa, cioè hanno la stessa concentrazione di zucchero. Possiamo assegnare un valore numerico alla concentrazione dello zucchero nel tè dividendo la massa del soluto per il volume della soluzione; otteniamo in entrambi i casi lo stesso risultato (figura 17). Questa conclusione ha validità del tutto generale: Figura 16 Aggiungendo all acqua alcol denaturato, i due liquidi rimangono momentaneamente separati a causa della diversa densità. Dopo il mescolamento si osserva che il volume della miscela è minore di quello del sistema iniziale. La concentrazione (C) di una soluzione è espressa dal rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di soluzione (o di solvente). Figura 17 I valori uguali sottolineano che la concentrazione è una grandezza intensiva. C = 3,8 g 19 g = 0,019 g/ml C = = 0,019 g/ml 200 ml 1000 ml 9

10 1 Capitolo La materia e le sostanze 3.Ladissoluzioneelesoluzioni Per saperne di più La solubilità di un gas in un liquido aumenta all aumentare della pressione. Questa proprietà viene sfruttata quando si aggiunge anidride carbonica sotto pressione nella preparazione delle acque minerali frizzanti. Quando si stappa la bottiglia la pressione si abbassa, la solubilità del gas diminuisce e quindi possiamo osservare le bolle di anidride carbonica che salgono in superficie. Figura 18 Ogni curva rappresenta la variazione della solubilità di una determinata sostanza solida in acqua al variare dalla temperatura. " Le soluzioni sature e la solubilità Avendo a disposizione una sostanza e un solvente in cui essa è solubile, quanti tipi di soluzione si possono preparare? Dato che è sufficiente cambiare la concentrazione per avere una soluzione diversa dall altra, si può giustamente rispondere che è possibile preparare un numero teoricamente infinito di soluzioni differenti. Ma ne siamo proprio sicuri? Consideriamo una situazione che tutti possono facilmente verificare: se mescoliamo anche a lungo 100 g di sale da cucina in 200 ml di acqua distillata ci possiamo rendere conto che non tutto il sale si scioglie ma una parte rimane allo stato solido. In questo caso è stato raggiunto il massimo valore possibile di concentrazione, cioè si è formata una soluzione satura. Il rapporto tra la quantità di sostanza sciolta che ha determinato la saturazione e la quantità di solvente è un valore caratteristico della coppia soluto-solvente; questo valore viene chiamato solubilitˆ. La solubilità di una sostanza in un determinato solvente corrisponde alla massima concentrazione che può avere una soluzione a una certa temperatura. Nella definizione di solubilità compare anche la temperatura. Infatti, se si scalda o se si raffredda il sistema, si osserva un cambiamento della quantità di soluto necessaria per saturare la soluzione. Nel grafico della figura 18 è mostrata la variazione della solubilità in acqua di alcune sostanze, solide a temperatura ambiente. Contrariamente a quanto accade per quasi tutte le sostanze solide, la solubilità dei gas in un solvente diminuisce all aumentare della temperatura. solubilità (g soluto/100 g acqua) temperatura ( C) nitrato di sodio dicloruro di calcio nitrato di piombo nitrato di potassio cloruro di sodio cloruro di potassio dicromato di potassio clorato di potassio solfato di cerio Proviamo insieme Sulla base del grafico della figura 18 vogliamo determinare la solubilità del dicromato di potassio alla temperatura di 50 C. Dobbiamo individuare sull asse delle ascisse il punto che corrisponde alla temperatura di 50 C e da lì seguire la linea verticale parallela all asse delle ordinate fino a incontrare la curva di colore violetto; da quel punto possiamo seguire la linea orizzontale parallela all asse delle ascisse fino a individuare il valore 30. Pertanto la solubilità del dicromato di potassio a 50 C vale 30 g / 100 g di acqua. Determina a quale temperatura la solubilità del clorato di potassio è uguale a quella del dicromato di potassio determinata a 50 C. 10

11 MAPPA DI SINTESI 1 Capitolo La materia e le sostanze " I passaggi di stato aumento di temperatura I passaggi di stato (o cambiamenti di stato) sono le trasformazioni che cambiano lo stato di aggregazione dei corpi. Normalmente i passaggi di stato avvengono a seguito di una variazione di temperatura. Le particelle che costituiscono i solidi e i liquidi sono molto vicine: nei solidi vibrano continuamente mentre nei liquidi scorrono le une sulle altre. Le particelle dei corpi allo stato aeriforme sono libere di muoversi e occupano tutto lo spazio a disposizione. solido fusione solidifcazione sublimazione liquido ebollizione ed evaporazione condensazione aeriforme brinamento diminuzione di temperatura " Sistema e ambiente Per osservare con metodo scientifico la materia occorre individuare esattamente ciò che è oggetto di studio e che chiamiamo genericamente sistema; tutto il resto si indica con il termine di ambiente. sistema aperto può scambiare materia e energia ambiente sistema chiuso può scambiare solo energia ambiente sistema isolato non può scambiare né materia né energia ambiente " I miscugli I miscugli sono sistemi costituiti da due o più materiali mescolati in modo eterogeneo o omogeneo. Miscugli eterogenei Ogni componente mantiene le proprie caratteristiche e ciò permette di individuarlo a occhio nudo o con il microscopio Le proprietà non sono uguali in tutti i punti del miscuglio I componenti possono essere sempre mescolati in qualsiasi quantità e proporzione Miscugli omogenei I componenti si mescolano così bene da non essere più distinguibili neppure con il microscopio Le proprietà sono le stesse in qualunque punto del miscuglio Non sempre i componenti possono essere mescolati in qualunque quantità e proporzione Sono esempi di miscugli eterogenei il fumo, le nuvole, il latte. Sono esempi di miscugli omogenei la benzina, l acqua potabile, le leghe di metalli. I singoli componenti dei miscugli possono essere isolati utilizzando diverse tecniche di separazione, come la setacciatura, la filtrazione, la decantazione, la centrifugazione, la cromatografia, la distillazione e l estrazione con solvente. " Le sostanze Tutti i materiali che costituiscono i corpi sono sostanze o miscugli di sostanze. Una sostanza è un sistema caratterizzato da un unico componente, cioè è un materiale puro: ogni sostanza è quindi un individuo chimico con caratteristiche proprie invariabili. Sono esempi di sostanze l acqua distillata, il bicarbonato di sodio, l ossigeno, l oro puro (24 carati). 11

12 MAPPA DI SINTESI Capitolo 1 La materia e le sostanze " Le soluzioni Le soluzioni sono miscugli omogenei, costituiti da un componente preponderante (di solito un liquido), detto solvente, e da un componente (o più componenti) disciolto, detto soluto. Quando una sostanza si scioglie in un liquido avviene una trasformazione che viene chiamata dissoluzione: se il soluto è solido, le sue particelle si staccano progressivamente e si disperdono mescolandosi uniformemente tra le particelle del liquido solvente; la soluzione che si ottiene risulta essere un sistema liquido omogeneo trasparente. Nelle soluzioni non è più possibile distinguere il soluto (neppure con un potente microscopio) e non è possibile separare il soluto dal solvente con una filtrazione. Nel corso delle dissoluzioni la temperatura del sistema può cambiare: se la temperatura del sistema aumenta (t finale > t iniziale ) si ha una dissoluzione esotermica se la temperatura del sistema diminuisce (t finale < t iniziale ) si ha una dissoluzione endotermica soluzione " La concentrazione La concentrazione è una caratteristica fondamentale delle soluzioni: essa indica il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di soluzione (o di solvente). Considerando la figura, si può dire che ogni bicchiere di tè versato dalla caraffa è ugualmente dolce perché la concentrazione dello zucchero è sempre la stessa, indipendente dalla quantità di tè: infatti la concentrazione è una grandezza intensiva. L'acqua minerale è un esempio di soluzione dato che nel solvente acqua sono disciolte alcune sostanze gassose e numerosi sali minerali. La concentrazione di ogni soluto presente nell acqua viene generalmente espressa in mg/l ed è riportata sull etichetta. C = 3,8 g 200 ml = = 0,019 g/ml C = 19 g 1000 ml = = 0,019 g/ml " Le soluzioni sature È facile verificare che non si può sciogliere una qualunque quantità di sale in un bicchier d acqua: la presenza di un corpo di fondo (sale solido che non si riesce più a sciogliere) indica che si è formata una soluzione satura in cui la concentrazione raggiunge il massimo valore possibile a una data temperatura. Questo valore prende il nome di solubilitˆ. La solubilità generalmente aumenta con l aumentare della temperatura. Nel grafico è rappresentata la curva di solubilità del dicromato di potassio: si vede che alla temperatura di 50 C si sciolgono in 100 g di acqua circa 30 g di soluto. solubilità (g soluto/100 g acqua) temperatura ( C) 12

13 ESERCIZI di autoverifica 1 Capitolo La materia e le sostanze Altri esercizi online 1 La materia attorno a noi 1 Quali stati di aggregazione sono detti condensati? 2 Un materiale che riempie completamente una bottiglia viene trasferito, senza che cambi la temperatura, in una bottiglia di volume doppio. Dato che questa bottiglia non si riempie completamente quali ipotesi puoi fare sullo stato di aggregazione del materiale? 3 Indica la differenza fondamentale tra i corpi solidi e quelli liquidi. a I solidi sono costituiti da più componenti mentre i liquidi sono formati da un unico componente b I solidi sono visibili a occhio nudo mentre i liquidi si osservano solo al microscopio c I corpi solidi hanno massa definita, i liquidi invece no d I corpi liquidi, a differenza dei solidi, sono fluidi e I corpi solidi sono caratterizzati dall avere un volume definito mentre i corpi liquidi no 4 Un corpo le cui particelle sono libere di muoversi pur mantenendosi alla stessa distanza reciproca media è: a un solido b un fluido c un aeriforme d un gas e un liquido 5 Un sistema è chiuso quando: a può scambiare con l ambiente sia materia sia energia b può scambiare con l ambiente materia ma non energia c può scambiare con l ambiente energia ma non materia d non può scambiare con l ambiente né materia né energia e non può mai scambiare energia con l ambiente 6 Le seguenti proprietà si riferiscono ai miscugli eterogenei; indica quella sbagliata. a Non sempre i loro componenti possono essere visibili a occhio nudo b I loro componenti possono essere mescolati in qualunque proporzione c Le proprietà di questi miscugli sono le stesse in ogni punto del sistema d I componenti conservano le loro proprietà quando sono mescolati e I componenti possono essere solidi, liquidi o aeriformi 7 Le seguenti proprietà si riferiscono ai miscugli omogenei; indica quella sbagliata. a I componenti sono invisibili anche al microscopio b I componenti possono essere mescolati in qualunque quantità e proporzione c Le proprietà di questi miscugli sono le stesse in tutti i punti del sistema d I componenti possono essere solidi, liquidi o aeriformi e I componenti, mescolandosi, perdono alcune loro proprietà 2 Dai miscugli alle sostanze 8 Per separare un miscuglio eterogeneo solido-solido tramite setacciatura i granuli dei diversi materiali devono avere: a diverso peso specifico b diverse dimensioni c diversa solubilità in acqua d diversa forma e diversa densità 9 Per quale tipo di sistemi risulta efficace la filtrazione? a Soltanto per i miscugli eterogenei formati da solidi e liquidi b Soltanto per i miscugli eterogenei formati da liquidi c Per tutti i miscugli omogenei eccetto quelli solidi d Soltanto per i miscugli omogenei liquido-solido e Per i miscugli eterogenei solido-liquido e solido-aeriforme 10 Per quale tipo di sistemi è efficace la centrifugazione? a Per tutti i miscugli omogenei formati da liquidi b Per i miscugli eterogenei formati da liquidi c Per tutti i miscugli eterogenei formati da solidi d Soltanto per i miscugli omogenei liquido-gas e Soltanto per i miscugli eterogenei solido-liquido 11 Quale tra i seguenti metodi può essere utilizzato per separare i sali presenti nell acqua del mare? a La centrifugazione b L estrazione con solvente c La filtrazione d L evaporazione del solvente e La setacciatura 12 Un miscuglio è formato da sabbia, sale marino e conchiglie. Per separare il sale si può eseguire: a una filtrazione b una centrifugazione c una estrazione con solvente d una setacciatura e una decantazione 13 Qual è la differenza tra miscugli e sostanze? a I costituenti delle sostanze non sono visibili neppure al microscopio, quelli dei miscugli sì b I costituenti delle sostanze si possono vedere soltanto con il microscopio c I miscugli sono formati da più componenti, le sostanze da uno solo d Le proprietà delle sostanze sono uguali in ogni punto, quelle dei miscugli no e I miscugli sono sistemi eterogenei, le sostanze sono sistemi omogenei 13

14 ESERCIZI di autoverifica 1 Capitolo La materia e le sostanze 14 Indica l unico cambiamento di stato che può riguardare un materiale aeriforme. a Evaporazione b Solidificazione c Sublimazione d Fusione e Condensazione 15 Aggirandosi tra le corsie di un supermercato, uno studente crede di avere individuato alcuni articoli in vendita che corrispondono praticamente a sostanze chimiche. Purtroppo nel suo elenco c è un errore che devi scoprire: a alluminio b pepe c saccarosio d trielina e acetone 3 La dissoluzione e le soluzioni 16 In un cilindro graduato si miscelano 10,0 ml di un liquido A (m = 10,0 g) con 10,0 ml di un liquido B (m =7,9g). Dopo che si è formata la soluzione, quale affermazione è completamente vera? a La massa è di 20,0 g e il volume di 17,9 ml b La massa è di 17,9 g e il volume di 20,0 ml c La massa è di 17,9 g e il volume minore di 20,0 ml d La massa è di 17,9 g e il volume maggiore di 20,0 ml e La massa è di 17,9 g e il volume può essere diverso da 20,0 ml 17 Considera una generica soluzione e indica quali sono le affermazioni vere e quelle false. a) Le particelle del soluto non possono mai essere separate da quelle del solvente con una fltrazione vf b) Le particelle di un liquido si disperdono uniformemente nel solvente v f c) Le particelle dei gas disciolti formano bolle visibili nel solvente v f d) Le particelle del soluto si disperdono assumendo le proprietà delle particelle del solvente vf e) Le particelle del soluto non sono più distinguibili da quelle del solvente v f 18 Una bottiglia contiene 1 L di una soluzione acquosa di saccarosio. Se ne utilizzi 500 ml come cambiano la massa del soluto, il volume e la concentrazione della soluzione rimasta nella bottiglia? 19 La concentrazione di una soluzione indica: a la quantità di solvente impiegata per preparare la soluzione b la quantità di soluto impiegata per preparare la soluzione c il rapporto tra la quantità di soluto e la quantità di soluzione d il rapporto tra il volume di soluzione e il volume del soluto e il rapporto tra la massa della soluzione e la massa del soluto 20 In relazione alle soluzioni, indica per ogni affermazione se è vera o falsa. a) Le soluzioni sono miscugli omogenei v f b) Le soluzioni sono miscugli liquidi v f c) I componenti delle soluzioni non si possono separare v f d) Il materiale sciolto nel liquido non si distingue neppure con il microscopio v f e) Se il materiale sciolto era solido, si può separare con una fltrazione v f 21 In un becher è contenuta la soluzione acquosa di un sale che ha concentrazione 15 g/l. Se si fa bollire la soluzione per 20 min e si lascia raffreddare, quale affermazione sulla soluzione è sicuramente sbagliata? a La concentrazione della soluzione è aumentata b La massa del soluto è aumentata c Il volume del solvente è diminuito d La massa del solvente è diminuita e Il volume della soluzione è diminuito 22 In relazione alla dissoluzione di una sostanza in un solvente, indica l affermazione corretta. a Se la sostanza è solida, essa fonde nel solvente b Se la sostanza è un gas, essa condensa nel solvente c Se la sostanza è liquida, essa liquefa nel solvente d Se la sostanza è liquida, essa si miscela con il solvente e Se la sostanza è solida, essa si fa liquida nel solvente 23 In 200 ml di una soluzione sono disciolti 3,6 g di sale da cucina mentre 0,38 L di una seconda soluzione ne contengono 4,6 g. Calcola la concentrazione delle due soluzioni e indica qual è la più salata. 24 In quale situazione si può affermare che una soluzione salina è satura? a Contiene un po di sale non sciolto b La temperatura della soluzione è elevata c Il sistema è perfettamente limpido e incolore d Il sistema rimane limpido anche se si raffredda la soluzione e È stata sciolta una elevata quantità di soluto 14

15 VERIFICA DELLE COMPETENZE Capitolo 1 La materia e le sostanze " Descrivere un dato sistema utilizzando un linguaggio scientificamente corretto 1 Per ogni materiale, indica se è un miscuglio omogeneo (MO) o un miscuglio eterogeneo (ME). MO ME a) Bronzo q q b) Aria q q c) Vinagrette q q d) Latte parzialmente scremato q q e) Aceto di vino q q f) Grappa q q g) Nuvole q q h) Acqua di sorgente q q 2 Un aerosol è un miscuglio: a omogeneo liquido-aeriforme b eterogeneo liquido-aeriforme c omogeneo aeriforme-aeriforme d eterogeneo aeriforme-aeriforme e omogeneo solido-aeriforme " Individuare la tecnica di separazione per separare i componenti di un dato sistema 3 Un miscuglio è formato da tre componenti: X, Y, Z. Uno studente effettua prima una filtrazione per recuperare X e poi una distillazione per separare Y e Z. In base a queste informazioni, quale affermazione è certamente sbagliata? a Il miscuglio iniziale è eterogeneo b Il miscuglio tra Y e Z è omogeneo c Sicuramente X è un materiale solido d Il miscuglio tra Y e Z è liquido e Sicuramente X, Y e Z sono materiali liquidi 4 Si può utilizzare il metodo della centrifugazione per separare l alcol presente nella birra? a Dipende dalla gradazione alcolica della birra b Sì, ma solo dopo avere tolto il gas che la rende frizzante c No, poiché la birra contiene troppo poco alcol d No, poiché l alcol è miscelato in modo omogeneo con l acqua presente nella birra e Sì, solo dopo avere effettuato la filtrazione della birra 5 In relazione alle soluzioni, indica per ogni affermazione se è vera o falsa. a) Le soluzioni sono miscugli omogenei v f b) Le soluzioni sono miscugli liquidi v f c) I componenti delle soluzioni non si possono separare v f d) Il materiale sciolto nel liquido non si distingue neppure con il microscopio v f " Distinguere tra un miscuglio e una sostanza 6 Nell elenco che segue, indica le sostanze: a acqua distillata b lingotto d oro a 24 carati c olio extravergine d oliva spremuto a freddo e filtrato d bicarbonato di sodio e sangue f burro g saccarosio h alluminio I pepe " Applicare la definizione di concentrazione di una soluzione 7 In 200 ml di una soluzione sono disciolti 3,6 g di sale da cucina mentre 0,38 L di una seconda soluzione ne contengono 4,6 g. Calcola la concentrazione delle due soluzioni e indica qual è la più salata. 8 Un bicchiere contiene 150 ml di una soluzione in cui sono sciolti 20,0 g di zucchero. In un altro bicchiere è contenuta una soluzione zuccherina avente concentrazione 125 g/l. Qual è la soluzione più dolce? 9 Quale delle seguenti soluzioni ha la concentrazione maggiore? a 5 g di soluto in 100 ml di soluzione b 50 g di soluto in 0,500 L di soluzione c 0,05 kg di soluto in 100 ml di soluzione d 5 g di soluto in 100 cm 3 di soluzione e 0,05 kg di soluto in 1,00 dm 3 di soluzione " Interpretare le informazioni ricavabili da un grafico temperatura/solubilitˆ 10 A quale temperatura la solubilità in acqua del cloruro di potassio è uguale a quella del cloruro di sodio? 11 Per ottenere acqua fredda e molto frizzante, usando i dispositivi che consentono di trasformare l acqua del rubinetto in acqua frizzante, è preferibile addizionare prima l anidride carbonica e poi mettere l acqua in frigorifero oppure invertire le due operazioni? 12 In quale situazione si può affermare che una soluzione salina è satura? a Contiene un po di sale non sciolto b La temperatura della soluzione è elevata c Il sistema è perfettamente limpido e incolore d Il sistema rimane limpido anche se si raffredda la soluzione e È stata sciolta una elevata quantità di soluto 15

16 VERIFICA DELLE COMPETENZE 1 Capitolo La materia e le sostanze OLTRE L ESPERIMENTO La distillazione di una soluzione 1) Come si chiama il passaggio di stato che avviene all interno del pallone codato? 2) Come si chiama il passaggio di stato che avviene dentro al refrigerante? 3) L acqua di rubinetto che fuisce nel refrigerante attraverso i tubi di raccordo entra a contatto con i vapori che escono dal pallone codato? 4) Che cosa cambia nell acqua di rubinetto da quando entra nel refrigerante a quando ne esce? 5) Descrivi brevemente come può essere utilizzata l apparecchiatura del video per stabilire quale tra due mari è più salato. 6) Il vino rosso contiene molte sostanze; le due principali sono liquide: acqua e alcol etilico (t eb = 79 C); sono presenti anche sostanze solide coloranti e aromatizzanti. Supponi ora di scaldare e far bollire il vino rosso in un apparecchiatura uguale a quella del video. In questo modo puoi separare l alcol presente nel vino? Motiva la tua risposta. CHIMICA NELLA REALTÀ Il latte microfiltrato Il latte è un alimento fondamentale per la nostra alimentazione e richiede attente modalità di lavorazione e di conservazione. Il latte, se non diversamente specificato, è il latte vaccino, cioè il prodotto della mungitura delle vacche che all origine viene detto latte crudo. Per legge, il latte destinato alla vendita al dettaglio deve aver subito almeno un trattamento termico e deve essere confezionato in contenitori chiusi nello stabilimento in cui si effettua il trattamento. I trattamenti termici consentiti sono due: la pastorizzazione, ossia il trattamento termico in flusso continuo per 15 s, a temperatura inferiore al punto di ebollizione ma superiore a 72 C, idoneo ad assicurare la distruzione di tutti i microrganismi patogeni e di parte rilevante della flora microbica saprofita, con limitate alterazioni delle caratteristiche chimiche, fisiche e organolettiche; la sterilizzazione, ossia il trattamento termico che assicura la distruzione di tutti i microrganismi presenti nel latte e ne impedisce definitivamente la proliferazione. Capita sempre più spesso di trovare nel banco frigorifero del supermercato confezioni di latte la cui durata, dalla data di produzione, è maggiore di quella del latte pastorizzato: si tratta di latte microfiltrato. Ai sensi del D.M. del 17/06/2002 del Ministero della Salute che riguarda il latte, si definisce microfiltrazione la tecnica di filtrazione condotta su elementi filtranti esenti da cessioni e aventi pori con luce media da 1,4 a 2 micron. Infatti il latte microfiltrato è quello che esce dopo aver attraversato una membrana filtrante in grado di trattenere anche la grande maggioranza dei batteri presenti naturalmente nel latte. Prima di essere sottoposto alla microfiltrazione, il latte crudo deve essere scremato, generalmente tramite centrifugazione. La parte grassa separata subisce un processo di omogeneizzazione e poi viene nuovamente miscelata con la parte microfiltrata: il prodotto così ottenuto, che ha già una carica batterica estremamente ridotta, viene infine sottoposto al processo di pastorizzazione. Oggetto Mosca Capello Globulo rosso Escherichia coli Virus dell epatite C Molecola del DNA Molecola d acqua Ione calcio Ordine di grandezza 10 2 m 10 4 m 10 5 m 10 6 m 10 7 m 10 9 m m m Dopo aver letto il testo rispondi alle seguenti domande 1) In base alle nostre regole di classifcazione della materia, come è defnito il latte? Motiva la risposta. 2) Usando le unità di misura del Sistema Internazionale, indica il diametro dei pori delle membrane fltranti che si utilizzano per il latte. 3) Che cosa pensi che accada se si sottopone alla microfltrazione il latte crudo? 4) Si sente spesso affermare che il latte è un alimento «ricco di calcio». È possibile che lo ione calcio sia trattenuto dalla membrana fltrante? Motiva la risposta. 5) Spiega perché il latte microfltrato si conserva più a lungo rispetto al latte pastorizzato. 6) Perché il latte sterilizzato contenuto nella confezione integra si conserva per molti giorni anche se non è messo in frigorifero? 7) Rappresenta con uno schema a blocchi il processo di produzione del latte microfltrato. 16