1 2 3 Idee per il tuo futuro G. Valitutti M. Falasca A. Tifi A. Gentile Chimica concetti e modelli con interactive e-book Dalla mole alla nomenclatura con Chemistry in English SCIENZE
G. Valitutti M. Falasca A. Ti A. Gentile Chimica concetti e modelli Dalla mole alla nomenclatura con Chemistry in English
Copyright 2012 Zanichelli editore S.p.A., Bologna [9939] www.zanichelli.it I diritti di elaborazione in qualsiasi forma o opera, di memorizzazione anche digitale su supporti di qualsiasi tipo (inclusi magnetici e ottici), di riproduzione e di adattamento totale o parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), i diritti di noleggio, di prestito e di traduzione sono riservati per tutti i paesi. L acquisto della presente copia dell opera non implica il trasferimento dei suddetti diritti né li esaurisce. Per le riproduzioni ad uso non personale (ad esempio: professionale, economico, commerciale, strumenti di studio collettivi, come dispense e simili) l editore potrà concedere a pagamento l autorizzazione a riprodurre un numero di pagine non superiore al 15% delle pagine del presente volume. 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Speaker: Bruno Schirripa Lezioni interattive Sceneggiatura: Antonella Testa Realizzazione multimediale: New Siram, Milano Videolezioni Supervisione scientifica: Giorgia Messori Realizzazione: Christian Biasco Copertina: Progetto grafico: Miguel Sal & C., Bologna Realizzazione: Roberto Marchetti Immagine di copertina: Fotonic/Shutterstock; Artwork Miguel Sal & C., Bologna Prima edizione: gennaio 2012 L impegno a mantenere invariato il contenuto di questo volume per un quinquennio (art. 5 legge n. 169/2008) è comunicato nel catalogo Zanichelli, disponibile anche online sul sito www.zanichelli.it, ai sensi del DM 41 dell 8 aprile 2009, All. 1/B. File per diversamente abili L editore mette a disposizione degli studenti non vedenti, ipovedenti, disabili motori o con disturbi specifici di apprendimento i file pdf in cui sono memorizzate le pagine di questo libro. Il formato del file permette l ingrandimento dei caratteri del testo e la lettura mediante software screen reader. 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PARTE A MATERIA ED ENERGIA CAPITOLO 0 I fondamenti A Dalle misure alle proprietà della materia della A1 Le cifre significative 2 A2 La materia e le sue caratteristiche 3 A3 I principali metodi di separazione 6 A4 Teoria cinetica e passaggi di stato 7 Esercizi 12 B Elementi, composti e atomi B1 Elementi e composti 14 B2 Le leggi ponderali 17 B3 Le formule chimiche 19 Esercizi 22 C Le leggi dei gas della C1 I gas ideali e la teoria cinetico-molecolare 24 C2 La legge di Boyle o legge isoterma 25 C3 La legge di Charles o legge isobara 27 C4 La legge di Gay-Lussac o legge isocora 29 C5 La legge generale dei gas 31 Esercizi 32 Esercizi riassuntivi 33 indice RISORSE ONLINE www.ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli Video Misura del volume di un oggetto La distillazione di una soluzione Temperatura e passaggi di stato La conservazione della massa La preparazione di un composto: la legge di Proust Animazione I passaggi di stato Le leggi dei gas Clip Modello molecolare dei passaggi di fase dell acqua Un modello per i gas Video e scheda di laboratorio Come varia il volume di un gas Approfondimento Vedere le molecole La dipendenza dal petrolio Sostanze naturali e artificiali Le impurezze chimiche intorno a noi Diffusione e arricchimento dell uranio Scheda storica John Dalton 20 Esercizi interattivi III
PARTE B IL MONDO DELL ATOMO CAPITOLO CAPITOLO 1 2 indice La quantità chimica: la mole 1 La massa di atomi e molecole: cenni storici 34 2 Quanto pesano un atomo o una molecola? 36 3 La massa atomica e la massa molecolare 37 4 Contare per moli 39 5 Formule chimiche e composizione percentuale 44 6 Il volume molare e l equazione di stato dei gas ideali 47 Chemistry in English The concept of mole 48 Summing-up 50 Esercizi 51 Review 57 Le particelle dell atomo 1 La natura elettrica della materia 58 2 La scoperta delle proprietà elettriche 59 3 Le particelle fondamentali dell atomo 60 4 La scoperta dell elettrone 61 5 L esperimento di Rutherford 62 Chemistry in English Rutherford Experiment 63 6 Il numero atomico identifica gli elementi 64 7 Le trasformazioni del nucleo 68 8 I tipi di decadimento radioattivo e la legge del decadimento 70 9 Misura, effetti e applicazioni delle radiazioni 74 10 L energia nucleare 76 11 Fissione e fusione nucleare 77 Summing-up 79 Esercizi 80 Review 84 Rispondi e argomenta 85 RISORSE ONLINE www.ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli Lezione interattiva La mole Scheda storica Amedeo Avogadro Stanislao Cannizzaro Approfondimento Le polveri sottili Chemistry in English Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta Video Il comportamento delle sostanze in presenza di forze elettriche Animazione La legge di Coulomb Chemistry in English Scheda storica Marie Sklodowska Curie Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta IV
PARTE B IL MONDO DELL ATOMO CAPITOLO 3 CAPITOLO 4 La struttura dell atomo Il sistema periodico 1 La doppia natura della luce 86 2 La «luce» degli atomi 91 3 L atomo di Bohr 92 4 La doppia natura dell elettrone 95 5 L elettrone e la meccanica quantistica 96 6 L equazione d onda 98 7 Numeri quantici e orbitali 99 8 Dall orbitale alla forma dell atomo 103 9 L atomo di idrogeno secondo la meccanica quantistica 104 10 La configurazione degli atomi polielettronici 105 Chemistry in English Streetlights 109 Summing-up 113 Esercizi 114 Review 117 1 La classificazione degli elementi 118 2 Il sistema periodico di Mendeleev 119 3 La moderna tavola periodica 121 4 Le proprietà periodiche degli elementi 126 5 Metalli, non metalli e semimetalli 132 Summing-up 134 Esercizi 135 Review 137 Verso l università 138 indice Video Le sostanze che colorano alla fiamma Lezione interattiva L atomo Approfondimento La luce delle stelle Come riconoscere un elemento chimico Scheda storica Niels Bohr Chemistry in English Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta Animazione La tavola periodica Energia di ionizzazione e livelli energetici Scheda storica Dimitrij Ivanovič Mendeleev Linus Pauling Chemistry in English What s in a name? La tavola periodica interattiva Approfondimento Raccontare la chimica Gli elementi della vita Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta V
PARTE C DAGLI ATOMI ALLE MOLECOLE CAPITOLO 5 I legami chimici CAPITOLO 6 Le nuove teorie del legame indice 1 L energia di legame 140 2 I gas nobili e la regola dell ottetto 141 3 Il legame covalente 142 Chemistry in English Carbon, an amazingly allotropic element 144 4 Il legame covalente dativo 146 5 Il legame covalente polare 148 6 Il legame ionico 149 7 Il legame metallico 152 8 La tavola periodica e i legami tra gli elementi 153 9 La forma delle molecole 153 10 La teoria VSEPR 154 Summing-up 158 Esercizi 159 Review 163 1 I limiti della teoria di Lewis 164 2 Il legame chimico secondo la meccanica quantistica 165 3 Le molecole biatomiche secondo la teoria del legame di valenza 166 4 L ibridazione degli orbitali atomici 169 5 La teoria degli orbitali molecolari e i suoi vantaggi 174 Chemistry in English How do we know that electrons are not paired? 176 Summing-up 177 Esercizi 178 Review 179 RISORSE ONLINE www.ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli Animazione Il legame covalente Il legame ionico e il legame metallico Chemistry in English Approfondimento La conducibilità di un acquario La storia delle leghe metalliche La tavola periodica interattiva Scheda storica Gilbert Lewis Ronald Nyholm Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta Approfondimento I colori della natura Due modelli matematici Chemistry in English Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Rispondi e argomenta VI
PARTE C DAGLI ATOMI ALLE MOLECOLE CAPITOLO 7 CAPITOLO 8 Le forze intermolecolari e gli stati condensati della materia 1 Le forze intermolecolari 180 2 Molecole polari e apolari 181 3 Le forze dipolo-dipolo e le forze di London 183 4 Il legame a idrogeno 184 5 Legami a confronto 187 6 La classificazione dei solidi 188 7 La struttura dei solidi 191 8 Le proprietà intensive dello stato liquido 198 Chemistry in English How do we know what a surface looks like 198 Summing-up 202 Esercizi 203 Review 206 Classificazione e nomenclatura dei composti 1 I nomi delle sostanze 208 2 Valenza e numero di ossidazione 210 3 Leggere e scrivere le formule più semplici 213 4 La classificazione dei composti inorganici 215 5 Le proprietà dei composti binari 216 6 La nomenclatura dei composti binari 219 7 Le proprietà dei composti ternari 223 8 La nomenclatura dei composti ternari 226 Chemistry in English The Stock System 231 Summing-up 232 Esercizi 233 Review 238 Verso l università 239 indice Chemistry in English Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta Approfondimento Dal nomenclator alla IUPAC Chemistry in English Ascolta Summing-up in inglese 20 Esercizi interattivi Investigare insieme Rispondi e argomenta VII
CHE COS È L INTERACTIVE E-BOOK ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli Con l interactive e-book hai tutti i contenuti a portata di un click. Qui trovi il testo reimpaginato apposta per lo schermo, le immagini, le risorse interattive e multimediali: video, animazioni, laboratorio virtuali. Cliccando sulle immagini puoi ingrandirle e osservare i dettagli. VIII
Dalla mole alla nomenclatura
CAPITOLO 0 I fondamenti A Dalle misure alle proprietà della materia B Elementi, composti e atomi C Le leggi dei gas ml 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A significant figures figura A.1 Le cifre certe di questa misura (16,8) sono la prima (1) e la seconda (6). Dalle misure alle proprietà della materia A1 LE CIFRE SIGNIFICATIVE Il modo più semplice per indicare l incertezza di una misura è utilizzare le cifre significative. Si definiscono cifre significative tutte le cifre certe di una misurazione più la prima cifra incerta. Per esempio, il volume di liquido contenuto nel cilindro della figura A.1 corrisponde a 16,8 ml; questa misura ha tre cifre significative, di cui le prime due sono certe (cioè 1 e 6) mentre l ultima (8) è incerta perché soltanto stimata da chi effettua la lettura. Se, per indicare l incertezza di una misura, si segue questo metodo è bene ricordare le seguenti regole, di cui si evidenzia l applicazione nella tabella A.1: 1. tutti i numeri diversi da zero si considerano cifre significative; 2. gli zeri che precedono, a sinistra, la prima cifra diversa da zero non sono significativi; 3. gli zeri terminali, a destra di una cifra decimale diversa da zero, sono cifre significative (0,0300, per esempio, ha 3 cifre significative); 2
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia 4. il numero di cifre significative non cambia se si cambia l unità di misura (la misura 1,2 m può essere trasformata in centimetri, ma sono sempre 2 le cifre significative e quindi il valore sarà correttamente espresso come 1,2 10 2 cm). Quando si eseguono operazioni con i dati ricavati da misurazioni, si possono ottenere risultati con molte cifre, ma non tutte sono significative. Bisogna allora procedere con l arrotondamento del risultato. Le regole per l arrotondamento sono le seguenti: 1. se la prima cifra da eliminare è minore di 5, la cifra precedente resta uguale; per esempio, 4,9936, arrotondato a3cifre, diventa 4,99; 2. se la prima cifra da eliminare è maggiore di 5, bisogna aumentare di 1 la cifra precedente: per esempio, il numero 74,581, arrotondato a 3 cifre, diventa 74,6; 3. se la prima cifra da eliminare è 5, in genere si segue la seconda regola. Le regole per i calcoli con le cifre significative sono: 1. per l addizione e la sottrazione, il risultato deve contenere lo stesso numero di cifre decimali del dato che ne contiene il minor numero; 2. nel caso della moltiplicazione e della divisione, il risultato va arrotondato in modo da avere lo stesso numero di cifre significative del dato che ne possiede meno. Un ottimo modo per scrivere, senza ambiguità, le misure è di far ricorso alla forma esponenziale, esprimendo il numero come potenza di 10. segui l esempio Un campione di un liquido riempie completamente una provetta il cui volume è 7,5 ml. La massa della provetta vuota è 3,45 g; la provetta riempita con il liquido in esame ha invece massa 11,51 g. Determina la densità del liquido. CAPITOLO 0 Tabella A.1 Numeri e cifre significative. Numero Cifre significative 0,00708 3 0,0708 3 0,708 3 70,8 3 0,7080 4 70,80 4 7080,0 5 ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli VIDEO Misure del volume di un oggetto SOLUZIONE La densità è data dal rapporto tra la massa e il volume. Il volume è dato, mentre per ricavare la massa è necessario determinare la differenza tra la massa della provetta piena e la massa della provetta vuota: massa liquido = 11,51 g 3,45g=8,06g. Entrambi i dati hanno due cifre decimali, quindi il risultato deve essere espresso con due cifre decimali. densità = m 8,06 g g = = 1,074 V 7,5 ml ml =1,1 g ml Il dato relativo alla massa ha tre cifre significative, quello relativo al volume solo due: arrotondiamo a due cifre significative. A2 LA MATERIA E LE SUE CARATTERISTICHE Le porzioni di materia su cui i chimici effettuano le loro indagini sono dette sistemi. Un sistemaè una porzione delimitata di materia. Un bicchiere di acqua non ha sempre le stesse caratteristiche in ogni sua parte: si pensi per esempio all acqua frizzante che contiene bollicine. Solo l acqua del rubinetto ha un aspetto uniforme: ogni piccola parte del contenuto del bicchiere ha infatti lo stesso colore e la stessa densità di qualsiasi altra parte, presenta cioè le stesse proprietà intensive. La porzione di materia contenuta nel bicchiere e da esso delimitata, poiché possiede le stesse proprietà intensive, si dice costituita da una sola fase. Si definisce fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi. system FISSA I CONCETTI Fai un esempio di proprietà intensiva. phase 3
PARTE A figura A.2 L acqua frizzante è un sistema eterogeneo (a sinistra); l olio è un liquido che non si scioglie in acqua. Materia ed energia Acqua e gas sono due fasi distinte: l acqua frizzante è un sistema eterogeneo. acqua olio gas acqua Se l acqua contenuta nel bicchiere è piena di bollicine gassose, ha sabbia sul fondo o uno strato oleoso in superficie, non presenta più le stesse proprietà intensive in qualsiasi parte: il colore o la densità, infatti, variano se la parte considerata è acqua anziché gas, sabbia oppure olio ( figura A.2). Diremo quindi che il contenuto del bicchiere è costituito da due distinte fasi, cioè che il sistema è eterogeneo. homogeneous system and heterogeneous system Un sistema costituito da una sola fase è detto sistema omogeneo. Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo. L acqua «potabile», tanto più se proviene da una sorgente d alta montagna, è definita spesso acqua pura. In chimica, l aggettivo puro assume un significato più preciso perché indica che un materiale è costituito da una sola specie chimica, cioè da una sola sostanza. L acqua di rubinetto non è quindi chimicamente pura perché contiene altre sostanze disciolte, come i sali minerali. L acqua distillata può essere invece considerata una sostanza pura ( figura A.3). Un sistema si definisce puro se è formato da una singola sostanza. pure system L acqua del rubinetto, essendo costituita da più sostanze, è un miscuglio. mixture Un sistema formato da due o più sostanze è un miscuglio. figura A.3 L acqua potabile è un miscuglio, l acqua distillata è un sistema puro. L acqua potabile è una soluzione costituita da più componenti. L acqua distillata è un sistema puro. Per identificarla è sufficiente la sua formula chimica: H2O. acqua distillata ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli APPROFONDIMENTO Vedere le molecole 4 9DOLWXWWL )DODVFD 7L *HQWLOH CHIMICA - CONCETTI E MODELLI - Vol.1 =DQLFKHOOL con Chemistry in English
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia CAPITOLO 0 Il sistema è formato da solido e liquido. figura A.4 Cubetti di acqua distillata che galleggiano in un bicchiere di acqua distillata. OSSERVA&RISPONDI Si tratta di un sistema omogeneo o eterogeneo? Giustifica la tua risposta. Il sistema è costituito da una sola sostanza (acqua distillata). Un sistema formato da una sola sostanza non è sempre un sistema omogeneo. A 0 C l acqua distillata si trova in parte in fase solida (ghiaccio) e in parte in fase liquida; il sistema è pertanto fisicamente eterogeneo. Anche se è costituito da una sola sostanza, e quindi chimicamente omogeneo, il sistema presenta due fasi ben distinte ( figura A.4). L acqua potabile, pur contenendo sostanze diverse, è però fisicamente omogenea perché presenta le stesse proprietà intensive (colore, densità, ecc.) in qualsiasi sua parte. Anche acqua e alcol formano un miscuglio omogeneo. A tali miscugli diamo il nome di soluzioni. Una soluzione è un miscuglio di due o più sostanze fisicamente omogeneo. Il componente più abbondante della soluzione si chiama solvente, tutti gli altri si chiamano soluti. solution, solvent and solute Molto spesso i miscugli non sono omogenei, ma eterogenei, perché costituiti da differenti parti (fasi) distinguibili l una dall altra ( figura A.5). Nell acqua di mare la fase solida (sabbia) e quella liquida si distinguono a occhio nudo; invece nel latte, che a occhio nudo appare uniforme, si osservano al microscopio minuscole goccioline di grasso immerse in un liquido trasparente. Un miscuglio eterogeneo è costituito da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili. heterogeneous mixture I sistemi puri, cioè le singole sostanze, si ottengono in genere per separazione dei componenti di un miscuglio tramite procedimenti fisici, come la distillazione, la cristallizzazione o altri ancora. presenta una sola fase fisicamente omogeneo una sola sostanza chimicamente omogeneo due o più sostanze chimicamente eterogeneo miscuglio omogeneo o soluzione figura A.5 Come distinguere i sistemi omogenei dai sistemi eterogenei. SISTEMA presenta più fasi fisicamente eterogeneo una sola sostanza chimicamente omogeneo due o più sostanze chimicamente eterogeneo miscuglio eterogeneo 5
PARTE A Materia ed energia A3 I PRINCIPALI METODI DI SEPARAZIONE Molti materiali si possono ottenere per separazione da sistemi più o meno complessi. L operazione non è sempre facile e può essere condotta utilizzando particolari tecniche che sfruttano le diverse proprietà dei componenti da separare. Filtrazione e centrifugazione figura A.6 Apparecchiatura per la filtrazione. La tecnica della filtrazione permette di separare, con l uso di opportuni filtri, particelle solide, più o meno grandi, da miscugli liquidi e gassosi ( figura A.6).L efficacia della separazione dipende dalle dimensioni dei pori del filtro. Se essi hanno un diametro di circa 1 μm, il filtro è in grado di trattenere anche i batteri; il filtrato risulta in tal caso sterile. Studiando la polarità delle molecole, riusciremo a comprendere come i miscugli eterogenei possano essere separati tramite stratificazione o centrifugazione, se i componenti presentano diversa densità, e come sia possibile estrarre selettivamente da un miscuglio alcuni componenti (estrazione con solvente). Cromatografia figura A.7 Separazione mediante cromatografia su carta di inchiostri di penna a sfera nera. Ogni inchiostro nero è in realtà un miscuglio di molte sostanze colorate. La distillazione è il metodo privilegiato per la purificazione dei liquidi e si basa sulla diversa volatilità dei componenti delle miscele liquide. La distillazione riunisce in sé due passaggi di stato: l evaporazione e la condensazione. Il primo inizia nel recipiente in cui la miscela bolle; il secondo interessa i vapori, che vengono condensati all interno dell apparecchiatura con acqua fredda. Se si sottopone a distillazione una soluzione contenente sali disciolti, che in genere non sono volatili, la separazione del solvente è completa. In tal caso la distillazione si dice semplice ( figura A.8). Se si sottopone a distillazione una soluzione i cui componenti hanno punti di ebollizione molto vicini, e si vogliono separare completamente i componenti, si deebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli VIDEO La distillazione di una soluzione La più versatile fra le tecniche di separazione è la cromatografia. Il solvente, che in questo caso si chiama fase mobile, trasporta i componenti del miscuglio attraverso un materiale, chiamato fase fissa, a cui essi aderiscono in modo differente, a seconda della loro natura. Nella cromatografia su strato sottile la fase fissa, costituita da un sottile strato di materiale inerte, è fissata su una lamina di alluminio o su una lastrina di vetro. Anche la carta da filtro può essere utilizzata come fase fissa; in tal caso si parla di cromatografia su carta ( figura A.7). Le tecniche strumentali più efficaci che utilizzano gli stessi principi sono la gascromatografia e la cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC): la prima utilizza come fase mobile un gas, la seconda un liquido ad alta pressione. Con la gascromatografia, per esempio, è possibile analizzare in pochi minuti i campioni di fluidi biologici degli atleti per evidenziare anche deboli tracce di sostanze dopanti. Distillazione 6
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia CAPITOLO 0 refrigerante figura A.8 Apparecchiatura per la distillazione semplice. miscela acqua di raffreddamento (entrata) scarico (uscita) distillato ve ricorrere alla distillazione frazionata. Questa tecnica richiede l utilizzo di un particolare dispositivo, chiamato colonna di frazionamento, al cui interno si ripete più volte il ciclo di evaporazione-condensazione. Colonne di frazionamento giganti vengono utilizzate in raffineria per separare le diverse frazioni del petrolio. ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli APPROFONDIMENTO La dipendenza dal petrolio A4 TEORIA CINETICA E PASSAGGI DI STATO Il premio Nobel Richard Feynman nel 1963 scriveva: «Se, in un cataclisma, dovesse andare distrutto tutto il sapere scientifico, e si potesse trasmettere alla successiva generazione solo una frase, quale proposizione conterrebbe il massimo di informazioni nel minor numero di parole? Io credo che sia l ipotesi atomica e cioè il fatto chetutte le cose sono costituite da atomi (o da molecole e ioni) piccole particelle che si muovono in tutte le direzioni senza fermarsi mai, che si attraggono, quando sono vicine, ma si respingono se sono schiacciate l una contro l altra.» Analogamente a quanto affermato da Feynman, sappiamo oggi che ogni campione macroscopico è composto da un numero enorme di particelle piccolissime che, come vedremo, sono atomi, ioni o molecole. La teoria cinetico-molecolare spiega il comportamento delle particelle microscopiche all interno dei materiali solidi (che hanno forma e volume propri), dei materiali liquidi (che hanno volume proprio ma la forma del recipiente che li contiene), dei gas (che non hanno né volume né forma propria). Tale modello si basa sui seguenti assunti. ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli ANIMAZIONE I passaggi di stato VIDEO Temperatura e passaggi di stato Le particelle microscopiche di tutti i materiali sono separate da spazio vuoto. Nello spazio vuoto hanno luogo le attrazioni e le repulsioni principalmente di natura elettrostatica di cui parla Feynman. Gli atomi e le molecole occupano uno spazio, hanno una massa e sono in moto perpetuo: le particelle dei solidi vibrano e oscillano intorno alle loro posizioni fisse, quelle dei liquidi e dei gas hanno maggiori libertà di movimento. Ciascuna specie di atomo, molecola o ione, a livello microscopico, ha massa e proprietà chimiche caratteristiche, mentre non ha senso parlare di proprietà fisiche per i singoli atomi o le singole molecole. Il volume dei singoli atomi e molecole non è influenzato da variazioni di temperatura o pressione. 7
PARTE A Materia ed energia figura A.9 Al crescere della temperatura l acqua solida diventa prima liquida e poi vapore. OSSERVA&RISPONDI Che cosa potrebbe accadere fornendo una maggiore quantità di energia? Atomi, molecole e ioni si combinano tra loro per formare i materiali macroscopici e a questo livello è possibile parlare di proprietà fisiche, quali per esempio temperatura, colore, punto di fusione e stato di aggregazione. Sappiamo che lo stato di aggregazione di un materiale dipende dalla temperatura a cui si trova. È possibile far variare tale stato fornendo o sottraendo calore, perché all aumentare della temperatura si ha un aumento dell energia interna. Crescono, pertanto, sia l agitazione delle particelle sia la loro distanza media, e le forze attrattive che esercitano le une sulle altre diventano molto più deboli all aumentare della distanza che le separa. All aumentare della temperatura, si assiste al passaggio da uno stato ordinato a uno stato via via più disordinato ( figura A.9). temperatura crescente solido liquido aeriforme energia crescente La curva di riscaldamento di una sostanza pura La curva nel grafico della figura A.10, che riporta le temperature registrate in funzione del tempo, è stata ottenuta riscaldando una certa quantità di benzene, una sostanza organica con formula C 6 H 6, che all inizio dell esperienza si trova allo stato solido. t ( C) 80,5 D ebollizione E stato aeriforme figura A.10 La curva di riscaldamento del benzene. stato liquido 5,5 B C fusione stato solido 20 A tempo figura A.11 Apparecchiatura utilizzata per l analisi termica in laboratorio. Il termometro utilizzato nell analisi termica del benzene ( figura A.11) segna inizialmente la temperatura di 20 C. Con il passare del tempo la temperatura aumenta in maniera regolare, passando da 20 C a 5,5 C (area grigia). A 5,5 C la sostanza comincia a fondere e la temperatura resta costante (tratto B-C). Quest ultima aumenta di nuovo soltanto quando è scomparso l ultimo cristallo. La temperatura riprende poi ad aumentare in modo regolare sino a 80,5 C (area azzurra). Raggiunto questo valore il liquido inizia a bollire e la temperatura non aumenta più (tratto D-E). Soltanto quando è scomparsa l ultima goccia di liquido si registra un nuovo aumento della temperatura (area arancio). 8
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia I tratti B-C e D-E della curva di riscaldamento si chiamano soste termiche. La loro lunghezza dipende dalla quantità di sostanza solida che deve fondere e di sostanza liquida che deve vaporizzare: maggiore è la quantità di sostanza sottoposta al riscaldamento, più lunga è la sosta termica. La temperatura corrispondente alla prima sosta termica, in corrispondenza della quale coesistono le fasi solida e liquida, è detta temperatura (o punto) di fusione. La temperatura relativa alla seconda sosta è detta temperatura (o punto) di ebollizione. Sia la temperatura di fusione sia quella di ebollizione sono proprietà intensive. Durante il passaggio di stato, la temperatura resta costante, anche se si continua a fornire calore. Alla quantità di calore scambiata durante il passaggio di stato si dà il nome di calore latente; esso si misura in J/kg. Latente significa «che non si vede» (dal latino latere, «restare nascosto»). A ogni passaggio di stato corrisponde un ben specifico calore latente. Il calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura, alla temperatura di fusione. CAPITOLO 0 ebook.scuola.zanichelli.it/concettimodelli CLIP Modello molecolare dei passaggi di fase dell acqua latent heat of fusion Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per vaporizzare completamente 1 kg di sostanza, alla temperatura di ebollizione. latent heat of vaporization Anche il calore latente di fusione e quello di vaporizzazione sono proprietà intensive. Applicando la teoria cinetico-molecolare possiamo spiegare la natura del calore latente. Sia durante il passaggio da solido a liquido sia durante il passaggio da liquido ad aeriforme, il calore fornito incrementa l energia potenziale delle particelle, che modificano la loro posizione reciproca. Resta invece costante la loro energia cinetica media, motivo per cui la temperatura non varia. La grande differenza tra il calore latente di vaporizzazione e quello di fusione ( figura A.12) dipende dal fatto che è necessaria più energia per vincere le forze di coesione che agiscono tra le particelle di un liquido piuttosto che indebolire le forze di coesione di un solido. t ( C) 100 La sosta termica dell ebollizione è circa 6,75 volte maggiore di quella della fusione. ebollizione vapore acqueo figura A.12 Confronto tra le soste termiche nella curva di riscaldamento dell acqua. Il calore latente di vaporizzazione dell acqua è 2260 kj/kg, circa setta volte maggiore di quello di fusione, pari a 334 kj/kg. 50 acqua 0 fusione 50 ghiaccio tempo La curva di riscaldamento di un miscuglio Che cosa succede se sottoponiamo a riscaldamento una soluzione di acqua e sale? Trattandosi di un sistema omogeneo potremmo aspettarci di ottenere una curva simile a quella dell acqua distillata. La curva è, invece, diversa perché mancano le 9
PARTE A Materia ed energia figura A.13 Curva di riscaldamento dell acqua distillata (curva blu) e di una soluzione di sale (curva rossa). t ( C) solido solido + liquido liquido liquido + vapore La soluzione bolle a una temperatura più alta. vapore 100 D sosta termica ebollizione E La soluzione solidifica a temperature più basse. 0 B C La soluzione non ha soste termiche ben definite. 18 A sosta termica fusione soste termiche della fusione e dell ebollizione ( figura A.13). Durante la fusione la temperatura aumenta gradualmente, a mano a mano che il solido scompare e si forma il liquido, e continua ad aumentare gradualmente anche durante l ebollizione. I punti fissi (temperatura di fusione e temperatura di ebollizione) non corrispondono a quelli dell acqua distillata: la soluzione inizia a solidificare a temperature più basse di 0 C e comincia a bollire a temperature maggiori di 100 C. Tanto più concentrata è la soluzione, tanto più grande è lo scostamento dalle temperature caratteristiche dei passaggi di stato dell acqua distillata. Vedremo nel capitolo 9 quali sono i motivi di questo comportamento dei miscugli e come sia possibile adoperare l analisi termica per identificare una sostanza o stabilirne il grado di purezza. La tensione di vapore Sappiamo che è necessario specificare la pressione a cui si determina il punto di ebollizione di un liquido. In alta montagna, per esempio, se la pressione atmosferica è circa la metà di quella al livello del mare, l acqua bolle a 80 C. Nella pentola a pressione, al contrario, il punto di ebollizione dell acqua distillata supera i 100 C ( figura A.14). Per spiegare l effetto della pressione sul punto di ebollizione, è necestempo figura A.14 Pentola a pressione. Viste le alte pressioni dei vapori, si raggiungono temperature elevate che riducono i tempi di cottura. 10
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia sario ricordare la differenza tra evaporazione ed ebollizione e definire la tensione di vapore. Il termine evaporazione indica che il vapore si forma soltanto sulla superficie del liquido; gli strati sottostanti non sono direttamente coinvolti e appaiono in quiete. L evaporazione è tanto più intensa quanto più alta è la temperatura. L ebollizione si ha quando si formano bolle di vapore in tutto il liquido e ciò comporta l agitazione di tutta la massa. Immaginiamo ora di racchiudere un po d acqua distillata, a temperatura ambiente, in un contenitore sigillato da cui viene poi allontanata tutta l aria. Dalla superficie dell acqua inizia a liberarsi vapore, che esercita una pressione crescente all interno del contenitore. Dopo qualche tempo la pressione si stabilizza; diciamo allora che il vapore è in equilibrio con il liquido sottostante ( figura A.15). A questa pressione si dà il nome di tensione di vapore. CAPITOLO 0 FISSA I CONCETTI Se la temperatura di ebollizione di una sostanza è pari a 80 C, quale sarà la sua temperatura di evaporazione? Dal pallone, contenente acqua distillata, viene allontanata l aria. Dalla superficie dell acqua comincia a liberarsi del vapore, che genera una pressione. La pressione aumenta, fino a quando non si stabilizza (tensione di vapore). figura A.15 Quando il vapore è in equilibrio con il liquido sottostante, la pressione si stabilizza e viene detta tensione di vapore. 100 150 100 150 100 150 50 200 50 200 50 200 0 mbar x100 Pa 250 0 mbar x100 Pa 250 0 mbar x100 Pa 250 La tensione di vapore di un liquido, a una certa temperatura, è la pressione che esercita un vapore in equilibrio con il proprio liquido puro. Essa è tanto maggiore quanto più alta è la temperatura. vapor pressure Riscaldando un liquido a pressione atmosferica, finché la sua tensione di vapore è inferiore alla pressione atmosferica, si ha formazione di vapore soltanto sulla sua superficie. Quando la tensione di vapore uguaglia la pressione atmosferica, le bolle di vapore si formano in tutto il liquido e inizia l ebollizione. La temperatura di ebollizione di un liquido è la temperatura a cui la sua tensione di vapore uguaglia la pressione esterna. boiling point L aumento della pressione esterna rende quindi più difficile l ebollizione di un liquido; la tensione di vapore, necessaria per farlo bollire, si raggiungerà infatti a temperature più alte. Nel capitolo 9 studieremo la tensione di vapore delle soluzioni e nel capitolo 7 riusciremo a dare un interpretazione molecolare alla diversa facilità con cui alcuni liquidi bollono. 11
PARTE A Esercizi sezione A Materia ed energia esercizi 1 Quante cifre significative sono presenti in ciascuna delle seguenti misure? a) 400 m b) 50 800 mg c) 681 125 mm d) 0,00315 L e) 80,10 J f) 9,05 ml g) 0,705 g/ml h) 0,08320 mg i) 4,95 10 5 N j) 0,95 10 10 nm 2 Arrotonda a due cifre significative i dati seguenti. a) 8,145 m b) 18,01 g c) 79,90 ml d) 0,5254 μl e) 0,0582 nm f) 1,27 10 3 μm 3 Esegui le seguenti operazioni ed esprimi il risultato con il corretto numero di cifre significative e con le opportune unità di misura. a) 4,06 g + 11,8 g + 0,157 g = b) 60,3 g : 8,5 ml = 2100 J c) 0,85 g 1,5 K = d) 8,5 10 3 cal : 12,0 g = e) 100 m : 9,86 s = 4 La densità è una proprietà estensiva o intensiva? Giustifica la tua risposta. 5 Indica quali tra le seguenti sono proprietà intensive. a) massa b) temperatura di ebollizione c) calore specifico d) volume e) temperatura f) energia g) peso specifico h) peso 6 Quante fasi sono presenti in un sistema formato da acqua, cubetti di ghiaccio e olio? 7 Le bevande utilizzate dagli sportivi sono miscugli omogenei o eterogenei? Giustifica la tua risposta. 12 8 Un miscuglio fisicamente eterogeneo può essere omogeneo da un punto di vista chimico? Fai un esempio. 9 Come classificheresti una bevanda alcolica in cui galleggiano dei cubetti di ghiaccio? 10 I metodi per separare i componenti di un miscuglio eterogeneo si basano su proprietà chimiche o su proprietà fisiche? 11 Quale processo permette di separare le particelle sospese in un campione di acqua? Giustifica la tua ri- sposta. 12 Indica come procederesti per separare completamente un miscuglio eterogeneo formato da acqua salata, sabbia e limatura di ferro. 13 Il naftalene e l aspirina sono entrambi solidi bianchi ma il punto di fusione del naftalene è 80 C, mentre l aspirina passa allo stato liquido a 136 C. Come potresti distinguere in laboratorio queste due sostanze basandoti su questi dati? 14 L isoottano, un componente della benzina, fonde a 107 C e bolle a 372 K. Qual è il suo stato di aggregazione a 80 C? 15 Quale procedura pensi sia indicata per determinare se, nel caso di un campione liquido, siamo in presenza di una sostanza pura? 16 L acido stearico, una sostanza adoperata nella produzione delle candele, fonde a 68,8 C. A quale tem- peratura fonderanno 100 g della stessa sostanza? 17 Vuoi fondere una data quantità di ghiaccio sfruttando il calore ceduto durante il passaggio di stato da liquido a solido di un altra sostanza. Ne fondi di più utilizzando il calore liberato per il passaggio da liquido a solido di 15,0 g di Ag o di 12,0 g di Zn (calore latente di solidificazione Ag = 111 kj/kg; calore latente di solidificazione Zn = 113 kj/kg)? 18 In base a quanto hai studiato, sai dire se il tempo necessario per cuocere la pasta, riportato sulle confe- zioni, è indicativo della durata di cottura anche in alta montagna? 19 È corretto dire che 1,20 L corrispondono a 1200 ml? Se la risposta è negativa, come esprimeresti il secondo dato?
I fondamentia Dalle misure alle proprietà della materia CAPITOLO 0 20 Per determinare il volume di un piccolo oggetto di forma irregolare e densità superiore all acqua, lo si immerge in un cilindro graduato che contiene dell acqua, il cui livello si innalza da 18,0 ml a 27,0 ml. Qual è il volume dell oggetto? Con quante cifre significative esprimi il risultato? 21 Se un sistema è costituito da una sola fase, presenta le stesse proprietà intensive ed estensive in ogni sua parte? 22 L oro con cui si producono i gioielli è un sistema puro? 23 Il granito è una roccia di origine vulcanica costituita da cristalli di minerali diversi. Lo si può definire un miscuglio chimicamente omogeneo e fisicamente eterogeneo? 31 Rappresenta a livello particellare una soluzione, un miscuglio eterogeneo e una sostanza pura. 32 Traccia un grafico relativo all analisi termica di un campione di toluene, una sostanza che fonde a 95 C e bolle a 110 C. Nello stesso grafico traccia poi la curva di riscaldamento relativa a un campione di toluene in cui sono stati disciolti alcuni grammi di un colorante. 33 Il calore latente di fusione dell etanolo è 108 kj/kg, mentre quello di vaporizzazione è 855 kj/kg. Spiega la differenza tra i due calori latenti. 34 A 25 C la tensione di vapore del benzene, C 6 H 6,e quella del toluene, C 7 H 8, corrispondono, rispettivamente, a 0,123 atm e a 26,9 mmhg. Quale dei due liquidi presenterà il punto di ebollizione maggiore? 24 Come si definiscono la fase mobile e la fase fissa della tecnica cromatografica? A quale delle due si lega- no le diverse sostanze di un miscuglio? Nella cromatografia su carta, qual è la fase fissa? 25 In che modo il sale da cucina, nelle saline, viene separato dall acqua marina? Un fenomeno simile si può osservare ogni giorno negli ambienti in cui viviamo? 26 Descrivi a livello particellare tutti gli effetti prodotti dall aumento della temperatura su un solido. 27 Può una miscela di acqua e zucchero bollire a temperature inferiori a 100 C? In quale o quali situazioni? 28 Può esistere un sistema chimicamente omogeneo costituito da tre fasi distinte? Fai un esempio. 29 In un cilindro che contiene dell acqua viene versata una pari quantità di olio. Come si dispongono i due liquidi? Qual è il più denso? In che modo è possibile separarli? 30 La distillazione del vino arricchisce o impoverisce di alcol etilico il liquido che rimane nel recipiente sottoposto a riscaldamento? In che modo si ottiene il distillato di vino che, dopo adeguato invecchiamento, viene commerciato come grappa? 35 Spiega perché due semplici recipienti di terracotta, uno dentro l altro, separati da uno strato di sabbia mantenuto umido e posti in una zona ben ventilata possono funzionare come un efficiente ed economico frigorifero. (Questo sistema di refrigerazione viene utilizzato in alcune zone del nord della Nigeria.) 36 Secondo il sapere popolare, nei giorni piovosi la temperatura non è in genere troppo rigida, neppure nel periodo invernale. Pensi che questa credenza abbia un fondamento scientifico? Giustifica la tua risposta. 37 Completa il seguente brano. La tecnica della centrifugazione permette in genere di separare un solido da un liquido, di cui sfrutta la diversa..., grazie all azione della... centrifuga. Nella decantazione, invece, la separazione avviene per effetto della... di... 38 Indica per ciascuno dei seguenti casi se la densità aumenta, diminuisce o resta invariata: a) 1000 g di rame vengono portati dal livello del mare a una quota di 2700 m; b) si aumenta la pressione dell aria nelle gomme di un automobile; c) si aggiunge sale da cucina all acqua distillata; d) si separa per filtrazione la sabbia dall acqua di mare; e) si raffredda dell acqua da 2 C a 24 C; f) si riscalda dell acqua da 10 C a 90 C; esercizi 13