Laboratorio delle competenze pagg. L 6 L 25 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. La materia attorno a noi 2 Dai miscugli alle sostanze 3 Massa, volume e densità 4 La dissoluzione e le soluzioni
In La materia attorno a noi base al loro stato di aggregazione si possono classificare i corpi 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.. La materia attorno a noi Approfondimento Il metodo sperimentale Animazione I passaggi di stato Figura 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 sull aspetto fisico dei corpi, cioè una proprietà 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 corpi solidi 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 ). 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. 2 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.
. 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
. 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. I sistemi costituiti da più materiali sono indicati con il termine generico di miscugli (o miscele). Nello studio della materia è utile distinguere i miscugli in due categorie: miscugli eterogenei e miscugli omogenei (tabella ). Tabella 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. Tutte le leghe si trovano allo stato solido, eccetto alcune contenenti mercurio, chiamate amalgami, che possono essere anche liquide (figura 5 A). Le sospensioni sono miscugli eterogenei in cui piccolissimi granuli di un solido sono dispersi in un liquido; sono esempi di sospensioni i succhi di frutta e il sangue (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. Il latte e la maionese 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
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. Video La distillazione di una soluzione " 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 pro prietà 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 0 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
Centrifugazione 2. Dai miscugli alle sostanze 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 chr ma 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 0 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 0. condensazione del vapore vapore acqueo soluzione salina entrata acqua fredda 00 ml 00 90 70 80 40 5060 acqua distillata uscita acqua 0 2030 0 6
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 ). 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 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 individuo chimico è una sostanza 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 è quello di basarsi sul nome. I nomi delle sostanze possono essere letti solo al singolare: questo è logico perché ogni sostanza è un individuo chimico, e quindi non possono esserci diversi tipi della stessa sostanza (figura 2). Figura 2 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
2. Dai miscugli alle sostanze Per saperne di più La distillazione del petrolio Il petrolio, noto anche come oro nero, è un miscuglio liquido costituito da numerosi componenti, che possono anche essere solidi o gassosi. Il petrolio, a seguito di filtrazioni attraverso le rocce porose e a processi di risalita verso l alto (dovuti al suo peso specifico che è inferiore a quello dell acqua), tende a raccogliersi e a rimanere intrappolato in strati impermeabili del terreno, formando i giacimenti petroliferi. Allo stato naturale il petrolio è detto anche greggio e non ha oggi impieghi pratici, ma dalla sua raffinazione è possibile ottenere materiali ancora fondamentali per la vita quotidiana, come per esempio i combustibili che alimentano la maggior parte dei nostri mezzi di trasporto. La raffinazione del greggio fornisce anche sostanze che sono importanti materie prime per l industria petrolchimica, necessarie per la produzione fra l altro di materie plastiche, vernici, detersivi, fibre sintetiche e gomme. La raffinazione del greggio è effettuata nelle raffinerie, strutture industriali molto complesse. La distillazione del petrolio greggio rappresenta la prima fase del processo di raffinazione (figura A). Nell impianto di distillazione il greggio, riscaldato fino a 350 C circa, viene introdotto nella parte inferiore della colonna, a pressione ambiente. La colonna di distillazione è costituita da una serie di piatti, dotati di una particolare struttura a campanelle per favorire lo scambio di calore tra il vapore che sale gorgogliando e il liquido che scende. I piatti sono mantenuti a temperature decrescenti verso l alto e su ciascun piatto condensano i componenti che hanno temperature di ebollizione prossime alla temperatura del piatto stesso, determinando così il frazionamento voluto. Il contenuto dei piatti viene continuamente prelevato, dando origine alle diverse frazioni, o tagli, del processo di distillazione: la benzina leggera e pesante, il cherosene, il gasolio, gli oli lubrificanti. La frazione più pesante del greggio che non raggiunge la temperatura di ebollizione si raccoglie sul fondo della colonna e costituisce il residuo semisolido, ad alta viscosità, detto bitume. petrolio campanella camino petrolio 350 C gas 20 C benzina 70-70 C cherosene 70-20 C gasolio 20-290 C olio lubrifcante 290-500 C bitume Figura A Schema di colonna di impianto per la distillazione frazionata. All interno della colonna di frazionamento ci sono piatti di forma particolare in cui avvengono i processi di ebollizione e di condensazione; la temperatura varia lungo la colonna da un massimo, che corrisponde al piatto più basso, a un minimo che coincide con il piatto più alto; in questo modo è possibile estrarre a diverse altezze le frazioni del petrolio. 8
3 Massa, volume e densità Le grandezze più comunemente utilizzate per caratterizzare quantitativamente un corpo sono la massa e il volume. Il rapporto tra la massa e il volume dello stesso corpo individua una proprietà intensiva che si chiama densità. Questa grandezza può essere utilizzata per identificare una sostanza o un materiale. Video Misure del volume di un oggetto Determinazione della densità di un materiale Approfondimento Densità e stato di aggregazione " La massa e il volume dei corpi La grandezza che viene principalmente utilizzata per caratterizzare un corpo nelle sue dimensioni quantitative è la massa. Anche se nel linguaggio comune si usa il termine «pesare», in realtà le misurazioni che si compiono con una bilancia forniscono il valore della massa dei corpi. Possiamo quindi definire la massa (m) come la proprietà della materia che si misura con la bilancia. Ricordiamo che nel Sistema Internazionale l unità di misura della massa è il kilogrammo (kg). Un altro modo che viene utilizzato comunemente per esprimere le dimensioni quantitative di un corpo è quello di fare riferimento al suo volume (figura 3). Il volume (V) è quella proprietà che misura la porzione di spazio occupato da un corpo. Nel Sistema Internazionale l unità di misura del volume (grandezza derivata) è il metro cubo (m 3 ). Poiché si tratta di una unità di misura piuttosto grande, se ne utilizzano più spesso i sottomultipli, il decimetro cubo e il centimetro cubo. Un altra unità di misura del volume molto utilizzata soprattutto per i materiali liquidi è il litro (L) (figura 4). volume massa Figura 3 Di norma la quantità di gelato viene espressa utilizzando sia la massa sia il volume. L corrisponde a dm 3 dm 3 corrisponde a 000 ml L corrisponde a 000 cm 3 dm 3 = 000 cm 3 L = 000 ml Figura 4 Nella figura sono riportate alcune unità di misura del volume con le relative corrispondenze. A seconda delle caratteristiche del corpo il volume può essere determinato con strumenti e modalità differenti. In laboratorio per misurare volumi di corpi liquidi si usano per esempio cilindri e matracci; come sappiamo il volume dell acqua potabile e quello del gas metano vengono misurati molto più rapidamente con strumenti chiamati contatori (figura 5). matraccio cilindro contatore del gas Figura 5 Il matraccio è uno strumento tarato, cioè misura un unico valore di volume. Il cilindro è uno strumento graduato, cioè può misurare più valori di volume in base alla scala. Il contatore del gas misura il volume in modo continuo, come il contatore dell acqua e quello della pompa di benzina. 9
3. Massa, volume e densità 50 40 30 20 0 44 ml 32 ml 50 40 30 20 0 La determinazione del volume di un corpo solido si può effettuare con una misurazione diretta che si basa sullo spostamento di un liquido. Infatti sappiamo che immergendo un corpo solido in un liquido il livello di questo si innalza, e forse è noto anche che il volume del liquido «spostato» è uguale proprio al volume del solido (figura 6). La determinazione del volume di corpi solidi che hanno forma geometrica regolare può essere ottenuta attraverso calcoli; per esempio, il volume del cilindro si ottiene con la formula V = π r 2 h. In casi come questo occorre eseguire una o più misure lineari e poi effettuare il calcolo e quindi il volume ottenuto è il risultato di una misura indiretta. È importante infine ribadire che massa e volume sono grandezze che non devono essere confuse, dato che esse descrivono due caratteristiche diverse di un corpo. Inoltre, va sottolineato che la massa è una proprietà che resta sempre costante mentre il volume varia al variare di altre grandezze, per esempio la temperatura. Figura 6 Un solido immerso in un liquido, se non si scioglie, sposta un volume di liquido uguale al proprio volume. Il valore è lo stesso anche se si usano liquidi diversi. Il volume del solido dunque è 2 ml (o cm 3 ). " La densità Probabilmente è noto che se si confrontano le masse di volumi uguali di acqua e di olio, l acqua pesa di più; evidentemente questi due materiali possiedono una proprietà che li differenzia. Questa proprietà esprime la massa dell unità di volume di un materiale e per questo nel Sistema Internazionale viene definita massa volumica; di solito essa viene indicata con il termine più comune di densità. La densità del materiale di cui è costituito un corpo si ottiene dividendo la massa del corpo per il suo volume: densità (kg/m 3 ) d = m V massa (kg) volume (m 3 ) Figura 7 I valori della densità, così come l allineamento dei punti nel grafico, sottolineano che i pezzi della scacchiera sono costituiti dallo stesso materiale. Il simbolo dell unità di misura della densità nel Sistema Internazionale è kg/m 3. Spesso però si usano altre due unità di misura, fra loro equivalenti, i cui simboli sono kg/dm 3 e g/cm 3. Misurando la massa e il volume di oggetti dello stesso materiale, per esempio quattro pezzi del gioco degli scacchi, si trova che il rapporto tra la massa e il volume di ciascun oggetto è costante, e questo ci porta a concludere che la densità è una caratteristica del materiale e non dei singoli oggetti. L elaborazione grafica consente di confermare che tra massa e volume esiste una relazione di proporzionalità diretta (figura 7). La densità è quindi una grandezza caratteristica del materiale e non dell oggetto: si dice che la densità è una proprietà intensiva, cioè è una grandezza che non dipende dalle dimensioni del sistema. Altro esempio di grandezza intensiva è la temperatura. Diversamente massa e volume cambiano se cambiano le dimensioni del corpo e quindi si dice che sono grandezze estensive. regina alfere pedone torre m (g) 40,20 29,66 4,47 23,99 V (cm 3 ) 32,0 23,5,5 9,0 d (g/cm 3 ),26,26,26,26 massa (g) 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 5,00 0,00 5,00 0,00 0,0 5,0 0,0 5,020,0 25,030,0 35,0 volume (cm 3 ) Ogni punto nel grafco corrisponde a una coppia di valori volume-massa. massa (g) 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 5,00 0,00 5,00 0,00 0,0 5,0 0,0 5,020,0 25,030,0 35,0 volume (cm 3 ) I punti sono allineati e la retta che li unisce passa per l origine. 0
3. Massa, volume e densità " I calcoli con la densità Conoscere la densità dei materiali può essere utile per risolvere alcuni problemi pratici. Per esempio, talvolta non è facile determinare il volume di un corpo, specialmente quando è di forma irregolare. Ebbene, se il corpo è privo di cavità ed è omogeneo (cioè è costituito da un solo materiale), possiamo pesarlo e poi svolgere un semplice calcolo. Infatti dalla relazione che definisce la densità possiamo ricavare: V = m/d. Così come per determinare la massa di un oggetto di cui sono noti il volume e la densità si può applicare la relazione: m = d V. Confrontiamo ora le densità del ferro e dell alluminio disponendo dei seguenti dati: un grosso chiodo di ferro ha massa m = 8,65 g e volume V =, cm 3 un cilindro di alluminio ha massa m = 3,5 g e volume V =,3 cm 3 In base a questi dati possiamo calcolare la loro densità: 8,65 g densità del ferro d = 3 = 7,9 g/cm, cm densità dell alluminio d = 3, 5 g, 3 cm 3 = 27, g/cm Possiamo concludere che l alluminio è un metallo che ha densità minore di quella del ferro. Pertanto l espressione «l alluminio è più leggero del ferro» non esprime un confronto tra le masse dei corpi ma tra le densità dei materiali che li costituiscono. Se si eseguono misure di massa e di volume di diversi oggetti di ferro e di alluminio e si riportano i dati in un piano cartesiano si ottengono due semirette: quella con la pendenza maggiore corrisponde al materiale con la densità maggiore, il ferro (figura 8). Nella tabella 2 sono riportati i valori delle densità di alcuni materiali (sostanze e miscugli), riferiti alle condizioni di temperatura e di pressione indicate: infatti la temperatura influenza il volume di tutti i corpi, mentre la pressione influenza sensibilmente solo il volume dei gas. Solidi (a 20 C) Densità (kg/dm 3 ) Liquidi (a 20 C) 3 3 Densità (kg/dm 3 ) Aeriformi (a 0 C) Densità (kg/dm 3 ) sughero 0,25 esano 0,66 idrogeno 0,000090 legno di abete 0,58 benzina 0,72 elio 0,0008 ghiaccio (a 0 C) 0,97 alcol etilico 0,79 vapor d acqua (a 00 C) 0,00060 legno di ebano,26 petrolio 0,79 metano 0,00072 PVC,3 acetone 0,792 ammoniaca 0,00077 avorio,9 alcol denaturato 0,85 gas naturale 0,00083 vetro 2,5 benzene 0,876 neon 0,00090 marmo 2,7 olio di oliva 0,92 acetilene 0,008 alluminio 2,70 olio combustibile 0,95 azoto 0,0025 ghisa 7,3 acqua distillata 0,998 ossido di carbonio 0,0025 ferro 7,86 acqua di mare,02 aria 0,0029 bronzo 8,9 latte,03 ossigeno 0,0043 argento0,5 glicerina,26 anidride carbonica 0,0098 piombo,35 cloroformio,49 ozono 0,00222 oro9,3 acido solforico,84 anidride solforosa 0,00293 platino2,5 mercurio3,59 xeno 0,0059 massa (g) 75 50 25 00 75 50 25 ferro alluminio 0 0 5 0 5 20 25 volume (cm 3 ) Figura 8 Se confrontiamo un oggetto di ferro con uno di alluminio che abbia lo stesso volume (per esempio 0 cm 3 ) l oggetto di ferro ha massa circa 80 g mentre quello di alluminio soltanto 27 g. Tabella 2 Valori di densità di alcune sostanze e di altri materiali. Per i materiali allo stato aeriforme è necessario precisare, oltre alla temperatura, la pressione. I valori riportati si riferiscono alla pressione atmosferica normale, cioè al livello del mare. Mentre la densità di una sostanza è costante, la densità dei miscugli (per esempio il legno o il petrolio) può presentare valori diversi a causa di una diversa composizione del materiale.
4 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).. La materia attorno a noi Animazione Approfondimento Dissoluzione e concentrazione di una soluzione La densità delle soluzioni Figura 9 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 9). permanganato di potassio acqua distillata soluzione Figura 20 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 20). 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. 2
4. La dissoluzione e le soluzioni 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 2). 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 22). 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 2 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 000 ml di tè in cui sono stati sciolti 9 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. Figura 22 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). Possiamo quindi 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 23): Figura 23 I valori uguali sottolineano che la concentrazione è una grandezza intensiva. 3,8 g C = 200 ml = 0,09 g/ml C = 9 g = 0,09 g/ml 000 ml 3
4. La dissoluzione e le soluzioni 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 24 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 00 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 24 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/00 g acqua) 00 90 80 70 60 50 40 30 20 0 0 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 00 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 24 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/00 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. 4