4. LE MISCELE SOSTANZE E MISCELE In precedenza, abbiamo parlato di corpi puri e abbiamo detto che i chimici identificano i corpi puri con le sostanze: un corpo puro è una sostanza. Per esempio, il corpo liquido alcol etilico è un corpo puro e quindi una sostanza perché costituito di particelle tutte dello stesso tipo; il corpo gassoso diossido di carbonio (anidride carbonica) è un corpo puro e quindi una sostanza perché costituito unicamente di particelle di diossido di carbonio; il corpo solido rame è un corpo puro e quindi una sostanza perché costituito unicamente di particelle di rame. Al contrario, il corpo gassoso aria non è un corpo puro perché risulta costituito di particelle di diverso tipo appartenenti a diversi corpi puri gassosi: azoto, ossigeno, diossido di carbonio, vapore acqueo che costituiscono una miscela di sostanze. Vi sono quindi due categorie di corpi: le sostanze e le miscele di sostanze. Un corpo puro è un sistema costituito di una sola sostanza Una sostanza è una porzione di materia costituita di particelle dello stesso tipo Una miscela è un sistema costituito di due o più sostanze Sistemi omogenei ed eterogenei: fasi e interfaccia Se in un contenitore si mescolano acqua e limatura di ferro (ferro in polvere) si ottiene una miscela di due sostanze che sono ancora ben distinguibili. Infatti, la limatura di ferro, essendo insolubile nell acqua, si deposita sul fondo del recipiente: si è partiti da due sostanze (acqua e ferro) e si è ottenuto un sistema in cui è chiaramente distinguibile la presenza di due diverse parti, una solida e una liquida; ciascuna presenta una propria omogeneità e risulta visibile dove finisce l una e comincia l altra. Le due parti di cui è costituito un tale sistema sono dette fasi; dato che le fasi sono distinguibili con metodi ottici si tratta di un sistema eterogeneo. Il sistema è eterogeneo perché è costituito da più fasi ed è una miscela poiché è costituito da più di una sostanza: tale miscela prende il nome di miscela eterogenea. Se in un contenitore si mescolano acqua e cloruro di sodio (il comune sale da cucina), la sostanza solida non è più visibile: si vede solo un sistema liquido. Però il cloruro di sodio è ancora presente nel sistema: infatti, l acqua risulta salata. In questo caso, potendo distinguere una sola fase, si è in presenza di un sistema omogeneo; dato che sono presenti due sostanze, si ha una miscela omogenea. Le diverse sostanze che costituiscono una miscela sono i componenti della miscela. Se in un contenitore sono presenti contemporaneamente acqua e ghiaccio, nel sistema sono chiaramente distinguibili due diverse parti, una solida e una liquida: una sola sostanza in due stati fisici differenti. Ciascuna parte presenta una propria omogeneità e risulta visibile dove finisce l una e comincia l altra. Il sistema è costituito da due diverse fasi che sono distinguibili con metodi ottici: si tratta di un sistema eterogeneo. Però è presente una sola sostanza, l acqua. Dunque è possibile che un sistema sia eterogeneo anche se non è una miscela. La rappresentazione particellare di una sola sostanza prevede che tutte le particelle siano dello stesso tipo, quindi un unico segno iconico, mentre la loro disposizione deve dare conto che distanza e ordine delle 1
stesse siano adeguati a rappresentare lo stato liquido e quello solido. Ovviamente si tratta di rappresentare una piccola porzione di particelle che si trovano al confine tra il corpo solido e quello liquido. (Figura 1) Figura 1 Sistema acqua-ghiaccio e sua rappresentazione con il modello particellare In un sistema, si definiscono fasi le porzioni di materia omogenee, di data composizione chimica e in un determinato stato fisico, distinguibili con metodi ottici e separabili meccanicamente. In generale Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo Consideriamo la miscela eterogenea costituita di acqua e limatura di ferro. Fra questi due corpi, la discontinuità delle caratteristiche fisiche dei due corpi permette di percepire con metodi ottici una superficie di confine che indica la presenza di due fasi in contatto tra loro: questa superficie di confine prende il nome di interfaccia. Se, per esempio, si uniscono acqua ed esano (sostanze liquide, incolori, trasparenti e immiscibili), si ottiene un sistema liquido incolore e trasparente in cui è possibile percepire una superficie originata da una diversa interazione con la luce delle due sostanze. Questa interfaccia indica la presenza di due fasi. L interfaccia è la superficie di confine che permette di distinguere due differenti fasi a contatto tra loro. È possibile riassumere questi concetti nel seguente schema: 2
LE MISCELE SOLIDO-LIQUIDO Mescolando una sostanza solida e una sostanza liquida si possono avere due tipi di miscela: Una miscela eterogenea nella quale sono visibili due fasi Una miscela omogenea in cui la sostanza solida è dispersa in quella liquida e non è più visibile; la miscela risulta quindi costituita di una sola fase e prende il nome di soluzione. Per esempio, il sistema costituito di acqua e limatura di ferro è una miscela eterogenea che a livello macroscopico presenta la fase solida sul fondo del recipiente sovrastata dalla fase liquida (figura 2) Figura 2 Limatura di ferro e la miscela eterogenea acqua/limatura di ferro Quando questo sistema macroscopico viene rappresentato a livello microscopico, si ricorre al modello particellare. In una miscela sono presenti almeno due sostanze differenti e ogni sostanza viene rappresentata con un solo tipo di particella. Quindi, per rappresentare una miscela eterogenea costituita di una sostanza solida e di una sostanza liquida si devono disegnare due diversi tipi di particelle. La rappresentazione di questo sistema a livello microscopico è riportata nella figura 3. Figura 3 Rappresentazione di una miscela eterogenea solido/liquido Al contrario, il sistema costituito di acqua e saccarosio (il comune zucchero) è una miscela omogenea in cui, a livello macroscopico, è visibile un unica fase: quella liquida (Figura 4). 3
Figura 4 In un contenitore è presente del saccarosio (a). Si aggiunge all acqua (b) e si agita con un cucchiaino (c). Si nota che il saccarosio non è più visibile (d). La rappresentazione di questo sistema a livello microscopico è riportata nella figura 5. Anche se a livello macroscopico è visibile una sola fase, a livello microscopico si devono rappresentare le particelle delle due sostanze che costituiscono la miscela omogenea: le particelle della sostanza solida sono disperse fra le particelle della sostanza liquida. Le miscele omogenee prendono il nome di soluzioni nelle quali la sostanza più abbondante è ritenuta il solvente e quella meno abbondante è ritenuta il soluto. Figura 5 Rappresentazione di una miscela omogenea solido/liquido (soluzione) LE MISCELE LIQUIDO-LIQUIDO Molti liquidi usati abitualmente nella vita di ogni giorno sono soluzioni, ossia miscele omogenee liquido-liquido. Per esempio, sono miscele omogenee di acqua e alcol etilico molte bevande come il vino, la birra, gli alcolici in generale (cognac, whiskey, vodka, ecc.); l alcol denaturato è una miscela di alcol etilico e diversi additivi (olio di ricino, acetone, kerosene, alcol metilico, ecc.). Esistono anche miscele eterogenee, come quella costituita di acqua e esano. Come si può constatare nella figura 6, quando si aggiunge l esano all acqua le due sostanze non si mescolano, ma formano due fasi riconoscibili dalla presenza di un interfaccia. Si usano gli attributi miscibile e immiscibile per riferirsi alla possibilità di un liquido di sciogliersi in un altro liquido. Per esempio, l alcol è miscibile con l acqua mentre l esano è immiscibile. 4
Figura 6 L alcol è miscibile con l acqua, ossia solubile in acqua; quando viene aggiunto all acqua forma una miscela omogenea costituita da un unica fase (provetta di sinistra). L esano è immiscibile, ossia insolubile in acqua; quando viene addizionato all acqua, si forma una miscela eterogenea costituita di due fasi (provetta di destra). La rappresentazione di questi sistemi a livello microscopico è riportata nella figura 7. Nella figura 7a è rappresentata una miscela omogenea di due liquidi; si deve rappresentare un tipo di particella per ciascuna delle due sostanze che costituiscono la miscela: le particelle della sostanza presente in quantità minore (soluto) sono disperse fra le particelle della sostanza presente in quantità maggiore (solvente). Nella figura 7b viene rappresentata una miscela eterogenea di due sostanze allo stato liquido. Anche in questo caso ogni sostanza viene rappresentata con uno specifico tipo di particella, ma le particelle di un tipo non diffondono tra quelle dell altro tipo; nel disegno viene rappresentata una zona di confine tra i due tipi di particella. a b Figura 7 Rappresentazione di una miscela omogenea tra due sostanze liquide (a); rappresentazione di una miscela eterogenea di due sostanze liquide (b) Le emulsioni L emulsione è una miscela eterogenea di due liquidi, di cui uno è presente sotto forma di goccioline, visibili al microscopio, disperse nell altro liquido. (Figura 8) Figura 8 Un emulsione vista al microscopio 5
I due liquidi costituiscono due fasi distinte chiamate rispettivamente fase dispersa o discontinua e fase disperdente o continua. Un emulsione di solito non è trasparente ma torbida od opaca. Esempi di emulsioni sono offerti da molti alimenti (latte, burro, maionese), cosmetici (creme, lozioni, unguenti), medicine, detersivi, erbicidi, insetticidi, oli lubrificanti, vernici, lacche, ecc. Il latte è una emulsione naturale di goccioline di grasso in acqua; nel latte il grasso rappresenta la fase dispersa e l acqua la fase disperdente. Il burro è un emulsione naturale di acqua in grasso: l acqua rappresenta la fase dispersa e il grasso la fase disperdente. Nella maionese, le goccioline d olio sono disperse nell acqua. All atto dell estrazione dai giacimenti, acqua e petrolio formano un emulsione; analogamente, la gomma naturale è presente sotto forma di emulsione nel lattice. LE MISCELE GAS-LIQUIDO In commercio si trovano due tipi di acqua minerale: quella naturale e quella frizzante. L etichetta che è incollata sulle bottiglie di acqua minerale frizzante porta la dicitura addizionata di anidride carbonica. Questo significa che, al momento dell imbottigliamento, nell acqua è stata immessa dell anidride carbonica (diossido di carbonio) che è un gas, il quale si libera parzialmente formando bollicine quando si versa l acqua in un bicchiere. A livello macroscopico, quando una bottiglia di acqua gassata è chiusa ermeticamente, non si vedono bollicine: si tratta di una miscela omogenea, ossia una soluzione di acqua e anidride carbonica; appena viene aperta la bottiglia, si formano delle bollicine di gas e l acqua appare frizzante: è una miscela eterogenea. A livello microscopico, la rappresentazione del contenuto della bottiglia con il modello particellare (Figura 9) richiede che si ricorra a due tipi di particelle: un tipo per rappresentare l acqua e un tipo per rappresentare l anidride carbonica. Nella bottiglia chiusa, le particelle di anidride carbonica sono disperse fra le particelle di acqua (figura 9a); quando la bottiglia viene aperta, le bollicine di gas si vedono, quindi ogni bollicina è costituita di un elevato numero di particelle di anidride carbonica: a livello microscopico possiamo solo rappresentare alcune particelle che si trovano al confine tra una bolla di anidride carbonica e l acqua (figura 9b). a Figura 9 Rappresentazione di particelle di una sostanza gassosa disperse nell acqua (a); rappresentazione di alcune particelle di una sostanza gassosa contenute in una bollicina sospesa nell acqua (b). Un fenomeno interessante è l interazione acqua-aria. Sulla superficie terrestre sono presenti distese più o meno grandi di acqua: oceani, mari, laghi, fiumi, torrenti. Tutte queste acque sono in contatto con l aria: la superficie degli oceani, dei mari, dei laghi, dei fiumi e dei torrenti è l interfaccia di un gigantesco sistema eterogeneo costituito da acqua (fase liquida) e aria (fase gassosa). Cosa succede quando si mette a contatto una zolletta di zucchero con l acqua? Lo zucchero si scioglie gradualmente nell acqua e dopo un certo lasso di tempo non è più visibile. Si b 6
forma una miscela omogenea costituita di acqua e zucchero. Cosa succede alle sostanze gassose che compongono l aria che è in contatto con l acqua? Esattamente la stessa cosa. Le sostanze si sciolgono nell acqua è danno origine alla formazione di una soluzione di aria, costituita di diversi gas, nell acqua. Esistono evidenze sperimentali di questa soluzione? Se si riempie un bicchiere con dell acqua e lo si lascia in riposo, si nota che alle pareti del bicchiere aderiscono delle bollicine: esse sono dovute all aria presente nell acqua. Pensiamo al processo di respirazione. Gli esseri umani e gli animali terrestri respirano immettendo aria nell organismo. L aria è una miscela di gas: i due più importanti sono l azoto (circa il 79%) e l ossigeno (circa il 20%). Solo l ossigeno viene utilizzato nella respirazione. Anche i pesci utilizzano l ossigeno nella respirazione. Dove lo prelevano? Nell aria che è sciolta nell acqua che viene introdotta nelle branchie. Si può quindi concludere che quando l acqua è in contatto con l aria si forma una miscela omogenea di gas nell acqua. L acqua gassata è una miscela omogenea liquido-gas, in cui l acqua è il solvente e il gas è il soluto. Esiste anche una miscela eterogenea liquido-gas: si tratta della nebbia. L aria che ci circonda contiene dell acqua sotto forma di gas (vapore acqueo). Quando gli strati di aria si raffreddano, il vapore d acqua si condensa formando piccole goccioline d acqua. Si forma una nuvola in prossimità del suolo che prende il nome di nebbia. LE MISCELE SOLIDO-SOLIDO Se si mescolano due o più sostanze pulverulenti, si ottengono in genere miscele eterogenee in cui le varie sostanze sono ancora visibili. Questo avviene, per esempio, mescolando limatura di ferro e zolfo in polvere: nella figura 10 sono riprodotti la sostanza ferro (a), la sostanza zolfo (b) e la miscela delle due sostanze (c). Figura 10 Immagine delle sostanze ferro (a), zolfo (b) e della miscela ferro/zolfo (c) La figura 11 rappresenta una miscela eterogenea di due sostanze allo stato solido. Se osserviamo al microscopio la miscela riportata in figura 9c, possiamo distinguere molti granelli delle due sostanze mescolati tra loro. Tuttavia, dato che ogni granello è costituito di un enorme quantità di particelle, a livello microscopico è possibile rappresentare solo una piccola porzione di particelle poste al confine tra due granelli delle due sostanze. Figura 11 Rappresentazione di una miscela eterogenea di due sostanze solide 7
È possibile ottenere anche miscele omogenee di due o più sostanze allo stato solido. Tali miscele omogenee prendono il nome di soluzioni solide e la loro preparazione è possibile se le sostanze che vengono combinate sono solubili allo stato liquido, ossia dopo essere state trasformate in corpi liquidi con un processo di fusione a temperature elevate. Se si raffredda la miscela che si forma in queste condizioni, si ottiene una miscela omogenea allo stato solido che è una soluzione solida. Sono soluzioni solide le leghe, miscele costituite da due o più sostanze di cui quella presente in maggior quantità (solvente) deve essere un metallo. Sono esempi di leghe: L ottone, soluzione solida di rame (64%) e zinco (36%) Il bronzo, i cui componenti principali sono il rame (> 70%) e lo stagno. Fra i bronzi speciali sono importanti soprattutto i bronzi fosforosi in cui la percentuale di fosforo varia fra 0,2 % e 1,5% secondo l utilizzo della lega. La ghisa, soluzione solida di carbonio nel ferro, in cui la percentuale di carbonio arriva fino al 6,5%. L acciaio, soluzione solida di carbonio nel ferro, in cui la percentuale di carbonio si aggira intorno al 2%. Una categoria particolare di acciai sono gli acciai inox i cui componenti base sono il ferro, il carbonio (max 1,2%) e il cromo (min 12%). Su molte posate domestiche si legge la scritta Inox 18/10 che sta a indicare che l oggetto è stato fabbricato con una lega ferro-carbonio che contiene il 18% di cromo e il 10% di nichel. In figura 12, vengono rappresentate con il modello particellare due tipologie diverse di leghe metalliche: la prima di tipo sostitutivo (a), la seconda di tipo interstiziale (b). Come si può notare, la seconda è possibile solo quando le particelle di una sostanza (il soluto) hanno dimensioni assai inferiori a quelle dell altra (solvente). Figura 12 Rappresentazioni con il modello particellare di soluzioni solide (leghe) LE MISCELE GAS-GAS Le miscele costituite di due o più gas sono sempre omogenee, ossia i diversi gas sono sempre miscibili tra loro. Il modello particellare permette di interpretare questo fenomeno, poiché prevede che tra le particelle costituenti i corpi gassosi esistano spazi vuoti molto più grandi delle dimensioni delle particelle. L ampio spazio disponibile tra una particella e l altra rende possibile che i gas si miscelino tra loro in modo omogeneo. La rappresentazione di una miscela di gas con il modello particellare è riportata in figura 13. 8
Figura 13 Rappresentazione con il modello particellare di una miscela di tre gas Spesso non ci rendiamo conto di vivere immersi in una miscela di sostanze gassose, l aria. Nella Tabella 1 è riportata la composizione percentuale media, in volume, dell aria secca (priva di vapor d acqua) presente nella fascia dell atmosfera che si trova a contatto con la superficie terrestre, cioè quella in cui gli esseri viventi sono immersi (troposfera). Gas % azoto 78,08 ossigeno 20,95 azoto 0,93 diossido di carbonio 0,035 (anidride carbonica) Altri gas tracce Tabella 1 Composizione media dell aria secca nella troposfera LA DISSOLUZIONE Come abbiamo visto, sostanze solide come il cloruro di sodio e il saccarosio, sostanze liquide come l etanolo (comunemente chiamato alcol) e sostanze gassose come il diossido di carbonio (anidride carbonica), l ossigeno e l azoto formano con l acqua miscele omogenee; si dice che esse sono solubili in acqua e il processo prende il nome di dissoluzione. In questi casi, l acqua funziona da solvente, mentre la sostanza che si scioglie in acqua costituisce il soluto. Quindi, nel caso della miscela omogenea acqua/cloruro di sodio, l acqua è il solvente e il cloruro di sodio è il soluto; nel caso dell acqua minerale gassata, l acqua è il solvente e il diossido di carbonio (anidride carbonica) è il soluto. La miscela omogenea costituita da un solvente e almeno un soluto prende il nome di soluzione. Da un punto di vista generale, Una soluzione è una miscela omogenea, ossia costituita di un unica fase, di almeno due sostanze. La sostanza presente in quantità minore solida, liquida o gassosa prende il nome di soluto, mentre la sostanza presente in quantità maggiore prende il nome di solvente. Consideriamo il caso del sistema acqua/saccarosio. Come spiegare la dissoluzione del saccarosio (il comune zucchero) in acqua? A livello macroscopico, ciò che si nota è la scomparsa del corpo solido. Si può parlare di scomparsa? L uso di questa parola non è corretto, perché in effetti il corpo solido non scompare, 9
tanto è vero che l acqua risulta dolcificata: lo zucchero non è scomparso ma è presente nella soluzione. Che non sia scomparso, ma sia presente nella soluzione non lo mostra soltanto il fatto che la soluzione ha gusto dolce, ma anche il fatto che, se si allontana il solvente facendo evaporare l acqua, si ricupera il saccarosio allo stato solido. È più corretto affermare che la sostanza solida non è più visibile. Per spiegare ciò che succede si deve passare al livello microscopico. A contatto con l acqua, le particelle di saccarosio si allontanano le une dalle altre e diffondono tra le particelle dell acqua. Nel processo di dissoluzione, a livello macroscopico si verifica che: Le sostanze implicate si conservano dal punto di vista qualitativo, ossia esse conservano la propria identità. Le sostanze implicate conservano la propria quantità, ossia si ha conservazione della quantità di materia. A livello microscopico questo significa che: Dal punto di vista qualitativo, il solvente viene rappresentato con un determinato tipo di particella e il soluto viene rappresentato con un altro tipo di particella. Dal punto di vista quantitativo, la conservazione della quantità di materia viene rappresentata mantenendo inalterato il numero delle particelle del solvente e del soluto. (Figura 14) Figura 14 Rappresentazione, con il modello particellare, di una sostanza liquida (solvente a) di una sostanza solida (soluto b) e della miscela omogenea risultante (soluzione c) Nella Tabella 2 sono riassunti vari tipi di miscele omogenee. Soluto Solvente Esempio solido liquido sale e acqua; saccarosio e acqua liquido liquido alcol e acqua (vino, birra, ecc.) gas liquido diossido di carbonio e acqua gas gas aria: azoto, ossigeno, diossido di carbonio solido solido leghe metalliche Tabella 2 Esempi di miscele omogenee 10
SOSPENSIONI E COLLOIDI Oltre alle soluzioni che sono sistemi omogenei, vi sono altri due tipi di dispersioni di una sostanza in un'altra che sono sistemi eterogenei: si tratta delle sospensioni e dei colloidi. Ciò che permette di distinguere fra loro i vari tipi di dispersione eterogenea sono le dimensioni dei granuli di sostanza dispersi. Nelle sospensioni, le dimensioni dei granuli di sostanza dispersi sono grandi e con il passare del tempo si separano dalle altre fasi della miscela. Per esempio, si ha formazione di una sospensione quando si mescolano acqua e farina (Figura 15). Figura 15 Riproduzione fotografica di una sospensione di acqua e farina di grano Se si lascia una sospensione in riposo, i granelli solidi si separano dal liquido e si depositano sul fondo del recipiente che contiene la sospensione. Questo processo di separazione da un liquido di granelli solidi sospesi, con conseguente formazione di un deposito, prende il nome di sedimentazione per gravità (decantazione). Nei colloidi, i granelli delle sostanze disperse hanno dimensioni tali per cui a volte sedimentano molto lentamente e a volte non sedimentano mai. Sono esempi di colloidi: la panna montata (bolle d aria disperse nella panna), il latte omogeneizzato (agglomerati di grasso dispersi nel latte), la nebbia (goccioline d acqua disperse nell aria), il fumo (granelli di sostanze solide disperse nell aria), il sangue (corpuscoli biologici dispersi in una soluzione acquosa avente come solvente l acqua e come soluti sostanze di varia natura). 11
ESERCIZI 1. Immagina di avere a disposizione le seguenti sostanze: - acqua distillata - olio - zolfo (polvere) - cloruro di sodio - ferro (limatura) - zucchero - etanolo - petrolio Scrivi quali di queste sostanze potresti utilizzare per ottenere: a. una miscela omogenea solido-liquido b. una miscela eterogenea solido-solido c. una miscela eterogenea liquido-liquido d. una miscela omogenea liquido-liquido Per ciascuna miscela: giustifica la tua scelta rappresenta con il modello particellare la miscela ottenuta 2. Disponi secondo l ordine corretto di esecuzione i diversi passaggi (riportati qui sotto) necessari per ottenere l acciaio, una lega di ferro e carbonio. A. miscelazione del ferro liquido con il carbonio liquido 1 B. fusione del carbonio solido 2 C. solidificazione della miscela liquida di ferro e carbonio 3 D. fusione del ferro solido 4 3. Servendoti delle lettere, indica quali secondo te sono le rappresentazioni corrette di: Una sostanza solida:. Giustifica la tua scelta.. Una sostanza gassosa:. Giustifica la tua scelta.. Una sostanza liquida:. Giustifica la tua scelta.. Una miscela di solidi:. Giustifica la tua scelta.. 12
Una miscela di liquidi:. Giustifica la tua scelta.. Una miscela di gas:. Giustifica la tua scelta.. 4. Si versa un po d acqua in un becher e si aggiunge prima una zolletta di zucchero (miscela 1), poi una punta di spatola di polvere di zolfo (miscela 2). Rappresenta con il modello particellare l acqua, lo zucchero, lo zolfo e le due miscele, spiegando le tue rappresentazioni. acqua zucchero miscela 1 (acqua + zucchero) zolfo (polvere) miscela 2 (acqua + zucchero + zolfo) rappresentazione Spiegazione della rappresentazione 5. Rappresenta con il modello particellare un pezzo di bronzo e un pezzo di ottone, sapendo che: bronzo = lega di rame e stagno ottone = lega di rame e zinco bronzo ottone Giustifica le tue rappresentazioni. 6. In una bombola è contenuta una miscela di due gas così composta: Gas 1: diossido di carbonio (40%) Gas 2: argon (60%)s Rappresenta con il modello particellare la miscela nella bombola. Giustifica la tua rappresentazione:. 13