Chimica. È la Scienza che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia. Materia

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1 Chimica È la Scienza che studia la composizione, la struttura, le proprietà e le trasformazioni della materia Materia a) Definizione generale b) Definizione scientifica E tutto ciò che ci circonda E tutto ciò che ha massa e volume

2 a) Definizione generale E tutto ciò che ci circonda Esempi: pareti, Terra, matita, stelle, diario, pietra, piante, animale, fiume, ghiacciaio, banco, foglio, biro.quindi è tutto ciò che forma corpi e oggetti Corpo = porzione di materia naturale, non prodotta o lavorata dall uomo es. Terra, stelle, pietra, piante, fiume, animale, ghiacciaio Oggetto = porzione di materia prodotta o lavorata dall uomo es. pareti, matita, diario, banco, foglio, biro (Eccezione: vengono chiamati oggetti i corpi celesti non stellari) SISTEMA = porzione di materia Porzioni di materia con diversa composizione sono chiamate sostanze o materiali

3 b) Definizione scientifica E tutto ciò che ha massa e volume Massa = quantità di materia di un corpo (o di un oggetto) (= misura dell inerzia di un corpo, cioè misura della resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto) Volume = spazio occupato da una porzione di materia (corpo o oggetto) Massa e Volume sono grandezze fisiche

4 PROPRIETA DELLA MATERIA FISICHE CHIMICHE Proprietà osservabili e misurabili senza che si debba alterare la composizione della porzione di materia analizzata. Proprietà che la materia presenta quando interagisce con materia avente una diversa composizione oppure con la luce o il calore. Esempi: grandezze fisiche (dimensioni, massa, peso, colore, temperatura, densità, ecc.); stati di aggregazione Questo processo comporta sempre un cambiamento della composizione della materia analizzata.

5 PROPRIETA FISICHE INTENSIVE ESTENSIVE Non dipendono dalla quantità di materia considerata (dimensioni del sistema) Dipendono dalla quantità di materia considerata (dimensioni del sistema) Es. colore, temperatura, densità, solubilità, stati fisici Es. lunghezza, volume e massa

6 LE GRANDEZZE FISICHE Le grandezze fisiche sono proprietà oggettive (= indipendenti dall osservatore) che si possono misurare in modo da poter associare loro dei valori numerici. Secondo il Sistema Internazionale (SI) ci sono sette grandezze fondamentali.

7 Ogni grandezza fondamentale ha una sua unità di misura. L unità di misura è la grandezza a cui corrisponde il valore 1. Misurare significa confrontare la grandezza di cui vogliamo conoscere il valore con l unità di misura scelta e quindi trovare quante volte (interamente o in frazione) tale unità di misura è contenuta nella grandezza da misurare. Dalle grandezze fondamentali si ricavano le grandezze derivate. Le grandezze derivate sono espresse da relazioni matematiche (prodotto o quoziente) tra più grandezze fondamentali.

8 GRANDEZZE DERIVATE

9 GLI STATI FISICI DELLA MATERIA Dilatazione termica bassa media alta

10 AERIFORME VAPORE Aeriforme ottenuto per riscaldamento di una sostanza che a T e P ambiente si trova allo stato solido o liquido. GAS Sostanza che a T e P ambiente si presenta allo stato aeriforme. Sostanza che si trova allo stato aeriforme al di sotto della propria T critica. Sostanza che si trova allo stato aeriforme al di sopra della propria T critica. Può essere trasformato in liquido per aumento della pressione Non può essere trasformato in liquido per aumento della pressione Temperatura critica: T al di sopra della quale è impossibile che un aeriforme passi allo stato liquido, anche se sottoposto a pressioni elevatissime

11 La pressione è il rapporto fra la forza F che agisce perpendicolarmente a una superficie e l area s della superficie stessa p = F/s L unità di misura nel SI è il pascal (Pa), dove 1 Pa = 1 N/m2 = 1 kg m 1 s 2

12 Ogni sostanza aeriforme è caratterizzata da una T particolare, detta Temperatura critica, al di sopra della quale è impossibile farla diventare liquida, anche se si esercitano pressioni elevatissime: -quando una sostanza aeriforme è al di sopra della sua T critica è definita gas -quando una sostanza aeriforme è al di sotto della sua T critica è definita vapore Esempi: a) L acqua ha una T critica di 374 C: a T e P ambiente ( = 1 atm) l acqua è quindi allo stato liquido ma se viene riscaldata sopra i 100 C essa diventa vapore: aumentando la pressione è infatti possibile farla tornare allo stato liquido Se il riscaldamento continua, raggiunti i 374 C si ottiene il gas d acqua: anche aumentando enormemente la pressione, non è possibile farlo diventare liquido b) L ossigeno ha una T critica di C: a T e P ambiente l ossigeno è quindi un gas in quanto anche se viene compresso rimane allo stato aeriforme Sotto i C diventa vapore poiché aumentando la pressione è possibile portarlo allo stato liquido

13 GLI STATI FISICI DELLA MATERIA DIPENDONO DAGLI STATI DI AGGREGAZIONE La materia non è continua ma è costituita da microscopiche particelle (continua = suddivisibile all infinito). Secondo la teoria cinetica: - le particelle non sono a contatto, ma separate da spazi vuoti - le particelle della materia sono in continuo e inarrestabile movimento - le particelle si muovono tanto più rapidamente quanto più elevata è la temperatura (aumenta l energia cinetica) Lo stato fisico dipende dallo stato di aggregazione delle particelle cioè dalla risultante tra le forze attrattive che tendono a unire le particelle e la tendenza delle stesse ad allontanarsi.

14 Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono: solido; liquido; aeriforme.

15 Nei solidi le particelle non si muovono (anche se oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise) perché sono unite da legami forti. Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di movimento perché sono unite da legami deboli ed hanno un energia cinetica abbastanza elevata. Le particelle degli aeriformi hanno massima libertà di movimento con un moto totalmente disordinato perché non sono unite da legami in quanto le debolissime forze attrattive sono vinte dall elevata energia cinetica.

16 CARATTERISTICHE DEGLI STATI FISICI Lo stato solido e lo stato liquido sono detti STATI CONDENSATI in quanto le particelle non possono essere avvicinate per aumento (moderato) della pressione. I corpi allo stato solido o liquido sono quindi INCOMPRIMIBILI e pertanto non possono diminuire il volume. Lo stato liquido e lo stato aeriforme sono detti STATI FLUIDI in quanto le particelle possono muoversi le une rispetto alle altre. Questa caratteristica permette di trasportare le sostanze liquide e aeriformi attraverso condutture.

17 TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA FISICHE Fenomeni fisici Riguardano fenomeni nel corso dei quali la materia modifica alcune proprietà ma non la sua composizione CHIMICHE Riguardano fenomeni Fenomeni chela nel corso dei quali modificano materia cambia la la composizione dei propria composizione. materiali di un Sono anche chiamate oggetto Reazioni chimiche

18 Le trasformazioni fisiche producono una modificazione fisica della materia e non producono nuove sostanze.

19 Le trasformazioni chimiche sono modificazioni che comportano una variazione della composizione chimica delle sostanze con formazione di nuove sostanze.

20 Nelle trasformazioni chimiche le sostanze originarie si dicono reagenti, le nuove sostanze prendono il nome di prodotti. reagenti prodotti

21 Le trasformazioni chimiche possono presentare alcuni cambiamenti caratteristici, quali: formazione di bollicine; variazione di colore; formazione o scomparsa di un solido; liberazione di prodotti gassosi profumati o maleodoranti; riscaldamento o raffreddamento del recipiente in cui avviene la reazione, senza che sia stato fornito o sottratto calore dall esterno.

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24 I PASSAGGI DI STATO Qualunque sostanza può presentarsi in ciascuno dei tre stati fisici: lo stato di aggregazione dipende dai valori della temperatura e della pressione esterni. ad es. l acqua a P ambiente (= 1 atm) è: solida a T < 0 C liquida a 0 C < T < 100 C aeriforme a T > 100 C

25 Ciascuna sostanza presenta tuttavia proprie specifiche T e P di fusione e di ebollizione. ad es. a T e P ambiente: l acqua è liquida il ferro è solido l ossigeno è aeriforme Somministrando o sottraendo calore, cioè cambiando la T o variando la P, qualunque sostanza può cambiare il suo stato fisico. I cambiamenti di stato fisico sono detti PASSAGGI DI STATO

26 I PASSAGGI DI STATO o liquefazione Vaporizzazione = ebollizione o fusione

27 A parità di massa, nel passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme, il volume aumenta e la densità diminuisce. Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito, aumenta. Il ghiaccio è un eccezione perché è meno denso dell acqua.

28 EVAPORAZIONE ed EBOLLIZIONE Viene definita tensione di vapore di un liquido, a una data temperatura, la pressione che esercita un vapore in equilibrio con il proprio liquido puro (in equilibrio = quantità di liquido che evapora è uguale alla quantità di liquido che condensa), ed è tanto più alta quanto maggiore è la temperatura. Finché la P del vapore è inferiore alla P atmosferica, il vapore si forma solo alla superficie del liquido e si ha l evaporazione. Quando il vapore esercita una P uguale alla P atmosferica, ha inizio l ebollizione e le bolle di vapore si formano in tutto il liquido.

29 Evaporazione = processo che avviene a qualunque T superiore a quella di fusione (>0 C nel caso dell acqua) e tanto più velocemente quanto più la T è elevata. Riguarda solo le particelle superficiali del liquido Ebollizione = processo che avviene ad una T fissa, specifica per ogni sostanza (il valore della T dipende comunque sempre dalla pressione). Riguarda tutta la massa liquida. Condensazione = passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido per raffreddamento Liquefazione = passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido per aumento della pressione

30 La temperatura di ebollizione di un liquido è la temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia la pressione esterna: maggiore è la pressione, più difficile è l ebollizione del liquido (un aumento della pressione produce un innalzamento della temperatura di ebollizione perché il liquido deve raggiungere una tensione di vapore maggiore). Es: in alta montagna (P<) l acqua bolle a T< 100 C nella pentola a pressione (P>) l acqua bolle a T >100 C A differenza dell ebollizione e della condensazione, la fusione e la solidificazione sono poco influenzate dalla pressione esterna: infatti sono passaggi caratterizzati da piccoli cambiamenti di volume, non particolarmente contrastati da pressioni elevate.

31 I passaggi di stato secondo la teoria cinetica Secondo la teoria cinetica le particelle si muovono tanto più rapidamente quanto più elevata è la temperatura: il calore somministrato ad una sostanza infatti, conferisce alle sue particelle energia (energia cinetica) che le fa vibrare più energicamente. Ciò provoca la rottura dei legami tra le particelle e quindi un cambiamento nel loro modo di aggregarsi ovvero il passaggio da uno stato fisico ad un altro. Il calore ceduto o acquistato durante i passaggi di stato si chiama calore latente (calore latente di fusione, di evaporazione ecc.) Durante i passaggi di stato la T rimane costante nonostante si continui a somministrare calore perché tale energia viene utilizzata per consentire alle particelle di vincere le forze di attrazione che le tengono legate. Soltanto quando tutta la massa ha completato il passaggio di stato, l ulteriore calore somministrato provocherà un aumento dell energia cinetica delle particelle e questo si manifesterà come aumento della Temperatura.

32 COMPOSIZIONE DELLA MATERIA Un sistema è una porzione delimitata di materia, oggetto di studio (per ambiente si intende tutta la materia intorno al sistema) L acqua è il sistema Il bicchiere è l ambiente

33 Un sistema formato da una singola sostanza si dice puro. Le sostanze pure hanno caratteristiche e composizione costanti

34 Un sistema formato da due o più sostanze pure è una miscela (miscuglio). Le miscele hanno composizione chimica variabile.

35 CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA in base alla sua composizione SOSTANZE PURE 1. Sostanza con proprietà chimiche e fisiche specifiche e una composizione definita e costante 2. E rappresentabile attraverso una formula chimica 3. Non è scomponibile in altre sostanze con semplici metodi fisici quali ad es. filtrazione, centrifugazione, distillazione 4. Es. oro, ferro, neon, elio, ossigeno, cloro, idrogeno, diamante, acqua, sale da cucina, zucchero da cucina, amido, cacao ecc. MISCELE 1. Sostanza con composizione variabile perché formata dall unione di due o più sostanze pure (ognuna delle quali mantiene la propria composizione) mescolate in qualsiasi rapporto (tra le sostanze non si formano legami chimici) 2. Non è rappresentabile attraverso una formula chimica 3. Con metodi fisici semplici è separabile nelle sostanze pure che la costituiscono 4. Es. acqua zuccherata, acqua salata, succo di frutta, cioccolata, acciaio, ottone, olio e aceto, roccia, sabbia, suolo, aria, cellula ecc.

36 MISCELE OMOGENEE = SOLUZIONI 1. Le sostanze che le costituiscono sono mescolate in modo uniforme per cui le proprietà di una soluzione sono le stesse in ogni sua parte (= in ogni unità di volume) 2. I componenti non si distinguono nemmeno con il microscopio 3. Es. acqua salata, acqua zuccherata, vino, cioccolata, aria, ottone, acciaio 4. I componenti non possono essere mescolati in qualunque proporzione ETEROGENEE = MISCUGLI 1. Le sostanze che le costituiscono sono mescolate in modo casuale (es. sabbia) o preferenziale ( es. olio e aceto) ma mai uniforme per cui le proprietà di un miscuglio variano da punto a punto (= in ogni unità di volume) 2. I componenti si distinguono a occhio nudo o con il microscopio 3. Es. olio e aceto, suolo, roccia, sabbia, cellula 4. I componenti possono essere mescolati in qualunque proporzione

37 SOLUZIONE MISCUGLIO MISCELA OMOGENEA MISCELA ETEROGENEA SISTEMA OMOGENEO SISTEMA ETEROGENEO 1 FASE 2 o PIU FASI FASE = PORZIONE DELIMITATA E FISICAMENTE DISTINGUIBILE DI UN SISTEMA CHE PRESENTA LE MEDESIME PROPRIETA IN TUTTE LE SUE PARTI

38 Un miscuglio è un sistema eterogeneo perché è formato da componenti chimicamente definiti e fisicamente distinguibili.

39 La schiuma, la nebbia, il fumo e l emulsione sono esempi di miscugli eterogenei in fasi diverse.

40 SOSTANZE PURE Una sostanza pura costituisce un sistema eterogeneo se si presenta in fasi (es.stati fisici) diverse MISCELE

41 Il colloide è uno stato intermedio tra solido e liquido Se la fase liquida o gassosa, prevale su quella solida si ha un sol. = se la fase dispersa è un solido si ha un sol Se la fase solida prevale su quella liquida o gassosa, si ha un gel. = se la fase dispersa è un liquido si ha un gel

42 CLASSIFICAZIONE SOLUZIONI E MISCUGLI SOLUZIONI La sostanza più abbondante, cioè il mezzo disperdente è chiamata solvente L altra o le altre cioè i componenti dispersi sono chiamate soluti Nella maggior parte delle soluzioni il solvente è liquido (l acqua è il solvente più comune) ma ci sono anche soluzioni con solvente solido o aeriforme Nel caso in cui i componenti siano in stati fisici diversi, la soluzione assume sempre lo stato fisico del solvente. Liquido Solido es. acqua e zucchero acqua e sale MISCUGLI Liquido Solido SOSPENSIONE = particelle di un solido sono disperse in un liquido es. acqua e farina acqua e sabbia succo di frutta sangue COLLOIDE = la componente solida è formata da grosse molecole (rispetto alle precedenti particelle sono però piccolissime) che formano una specie di rete impedendo al liquido di fluire liberamente. Sono considerate pseudo-soluzioni in quanto ad un esame superficiale appaiono come miscele omogenee es. gelatina = acqua + proteine budino = acqua + amido gel per capelli (acqua + colla)

43 Liquido Liquido es. acqua e alcool olio e benzina Liquido Liquido EMULSIONE = un liquido è disperso in modo stabile, sotto forma di piccoliss goccioline, in un altro liquido. es. latte = acqua + grasso maionese = olio + limone + tuorlo creme = acqua + oli STRATIFICAZIONE = i due liquidi non si mescolano, se non temporaneam e quello + leggero (meno denso) si stratifica sull altro es. acqua e olio Liquido Aeriforme es. acqua e gas (in contenitore chiuso) ammoniaca commerciale (acqua + ammoniaca gassosa) acido muriatico ( acqua + acido cloridrico gassoso) Liquido Aeriforme es. acqua e gas (in contenitore aperto) SCHIUMA = piccolissime goccioline di aeriforme sono disperse in un liquido nel quale rimangono bloccate es. sapone da barba (sapon + aria) albume a neve (albume + aria) panna (latte + aria) AEROSOL = piccolissime goccioline di liquido sono disperse in un aeriforme es. nebbia nubi = acqua + aria

44 Solido Solido LEGHE = metallo + metallo es. acciaio = ferro + carbonio bronzo = rame + stagno ottone = rame + zinco Solido Solido es. roccia / sabbia = insieme di minerali sale e zucchero farina e zucchero Solido Aeriforme ///// Solido Aeriforme SCHIUMA SOLIDA = bolle di aeriforme sono bloccate dentro ad un solido es. meringa pane ecc. gommapiuma polistirolo espanso AEROSOL = piccolissime particelle di solido sono disperse in un gas es. fumo (degli autoveicoli, delle sigarette, dei camini) Aeriforme Aeriforme es. aria = ossigeno + azoto + anidride carbonica + altri gas in tracce (in realtà contiene anche pulviscolo atmosferico) Aeriforme Aeriforme es. aria (se considerata nel complesso, infatti da luogo a luogo può cambiare la percentuale delle sue componenti (confronta aria di zona inquinata con aria di montagna). Nello stesso ambiente è invece omogenea

45 PRINCIPALI METODI DI SEPARAZIONE DI MISCELE E SOLUZIONI estrazione affinità (= solubilità)

46 I principali metodi di separazione di miscugli e soluzioni La filtrazione è il metodo per separare, per mezzo di filtri, i materiali solidi da un miscuglio liquido o gassoso.

47 I principali metodi di separazione di miscugli e soluzioni La decantazione e la centrifugazione sono i metodi per separare miscugli eterogenei di liquidi e/o solidi aventi densità diversa.

48 I principali metodi di separazione di miscugli e soluzioni La cromatografia è il metodo per separare i componenti di un miscuglio che si spostano con velocità diverse su un supporto (fase fissa), trascinati da un solvente (fase mobile).

49 I principali metodi di separazione di miscugli e soluzioni La distillazione si basa sulla diversa volatilità dei componenti di miscele liquide. Minore è la temperatura di evaporazione, maggiore è la volatilità.

50 Sostanze pure: elementi e composti

51 SOSTANZA PURA Elementi 1. Sostanza pura che non può essere decomposta con mezzi chimici in 2 o più sostanze, cioè non può essere scissa in sostanze più semplici Composti 1. Sostanza pura che può essere decomposta con mezzi chimici in sostanze più semplici, perché è formata dall unione (= legame chimico) di due o più elementi combinati in un rapporto fisso e caratteristico 2. La più piccola particella di un elemento che conserva le proprietà chimiche dell elemento è l atomo 2. La più piccola particella di un composto che conserva le proprietà chimiche del composto è la molecola (Nei composti ionici però la molecola è solo ideale) 3. L elemento è formato da atomi tutti uguali 3. Il composto è formato da atomi diversi per cui le proprietà di un composto sono diverse da quelle degli atomi che lo costituiscono 4. In natura, gli atomi di un elemento possono essere: - liberi, es. neon, elio, argon (gas rari) - uniti da legame metallico, es. ferro, rame, oro, argento (metalli) - uniti da legame covalente, es. idrogeno, ossigeno, cloro, diamante (in questo caso formano molecole) 4. Gli atomi di un composto possono essere: - uniti da legame ionico, es. sale da cucina, bicarbonato, calcare - uniti da legame covalente, es. acqua, anidride carbonica, zucchero, amido

52 0 Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per formare i composti. Un composto è una sostanza costituita da più elementi combinati secondo un rapporto fisso. Sodio elemento Cloro elemento Cloruro di sodio composto

53 Una caratteristica delle sostanze pure è la SOSTA TERMICA: durante i passaggi di stato la temperatura non varia fino a quando tutta la sostanza non ha completato il passaggio stesso. La lunghezza della sosta termica dipende quindi dalla quantità della sostanza in esame. Ad es. quando il ghiaccio inizia a fondere, la T dell acqua rimane invariata fino a quando non è fuso del tutto. Allo stesso modo, quando l acqua inizia a bollire, la T non aumenta fino a quando non sarà evaporata l ultima goccia.

54 Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato (PUNTI FISSI) Curva di riscaldamento dell acqua Alla temperatura di fusione coesistono la fase liquida e la fase solida. Alla temperatura di ebollizione coesistono la fase liquida e la fase di vapore (la tensione di vapore è uguale alla pressione esterna).

55 Ogni sostanza pura ha una curva di raffreddamento attraverso la quale si distinguono: temperatura di condensazione (a parità di pressione uguale a quella di ebollizione); temperatura di solidificazione (a parità di pressione uguale a quella di fusione).

56 Una soluzione: -Solidifica a T più basse e bolle a T più alte (rispetto a quelle del solvente, es dell acqua) -Le T di solidificazione ed ebollizione dipendono dalla concentrazione e non dalla natura del soluto -Non ha soste termiche (a causa dell evaporazione la concentrazione della soluzione varia) L analisi di una curva di riscaldamento o di raffreddamento permette quindi di distinguere una sostanza pura da una soluzione