1 I miscugli e le soluzioni Dopo aver visto gli atomi e il legame chimico è ora il momento di osservare l'altra metà dell'albero della classificazione della materia che abbiamo introdotto all'inizio dell'anno. In particolare il programma prevede di trattare metodi usati per separare i miscugli e di introdurre le unità di misura utilizzate per descrivere le soluzioni, che non sono altro che dei miscugli omogenei. Ripetizione: classificazione della materia La materia in genere può essere distinta subito in due grandi famiglie: le sostanze pure e le miscele. Elementi: Sono gli elementi della tavola periodica. Es alluminio (Al), ferro (Fe), zolfo (S), oro (Au), ecc. Composti: Sono composti da più elementi in proporzioni ben precise (vedremo più avanti come). Es acqua (H 2 O), alcol (C 2 H 5 OH), sale (NaCl). M.omog.: Le singole componenti non si distinguono più. Per separare le componenti si deve cambiare lo stato di aggregazione di una delle due componenti (es evaporare l'acqua per ottenere il sale dall'acqua marina). M. eterog.: Le singole componenti si possono distinguere. Per separare le componenti si può "prendere una pinzetta" (filtrare, decantare, centrifugare). Soluzioni: vocabolario ed esempi Esempi di soluzioni (miscugli omogenei) 1. acqua minerale (acqua, sali, gas) 2. miscela (benzina, olio) 3. candeggina (acqua, ipoclorito di sodio NaOCl) 4. alcool denaturato (alcool, denaturante) Vocabolario Solvente: è la componente preponderante, ciò che scioglie Soluto: è in quantità minore, ciò che è sciolto Soluzione satura: soluzione nella quale è presente la massima quantità ammissibile di soluto nel solvente Concentrazione: Quantità di soluto nella soluzione. Può essere espressa con varie unità di misura.
2 Concentrazione ed unità di misura Per indicare quanto soluto è presente in una soluzione vengono usate varie strategie e varie unità di misura, ciascuna indicata per un caso particolare. Rapporto Massa (soluto) / Volume(soluzione): è l'unità di misura più comune e si incontra anche nella vita di tutti i giorni (per esempio sulle bottiglie di acqua minerale). La concentrazione in questo caso è espressa come la massa del soluto divisa per il volume della soluzione. Tipiche unità di misura sono [g/l], [mg/l], [mg/ml]. Esempio: Se si dovesse esprimere la concentrazione di una soluzione di sale che ha un volume totale di 200 ml e contiene 3 g di sale si potrebbe procedere come qui sotto: Concentrazione = 3[g]/ 0.2 [l] = 15 [g/l] Percentuale in massa: si tratta di un'altra unità di misura molto comune soprattutto in laboratorio. In questo caso la concentrazione è il rapporto percentuale tra la massa del soluto e la massa della soluzione (che si trova eventualmente sommando la massa del soluto con quella del solvente), seguento la formula indicata qui sotto: %m = (massa soluto / massa soluzione) x 100 Esempio: una soluzione che contiene 1,8[g] di sale e 198,2 [g] di acqua avrà una concentrazione: %m= (1,8[g]/(198,2 [g]+1,8[g])) x100 = 0,9%m di sale Percentuale in volume: si tratta di un'unità piuttosto rara ma che ha un'unica applicazione riscontrabile anche nella vita di tutti i giorni e cioè la definizione del contenuto alcoolico delle bibite. Il procedimento è analogo a quello indicato sopra per la %m e l'unica differenza è che si utilizzano esclusivamente le unità di misura dei volumi. Per questa tecnica di calcolo bisogna ricordare una particolarità: sommando i volumi di due sostanze non si ottiene mai il volume totale del miscuglio; infatti se si mischiano per esempio 1[l] di acqua e 1[l] di alcool si ottiene una soluzione che ha un volume di circa 1,96 [l]. Questo fatto è spesso fonte di errore! %vol = (volume soluto / volume soluzione) x 100 Molarità: rapporto moli (soluto) / volume (soluzione). È un'unità di misura molto simile a quella vista nel primo punto. L'unica differenza è il fatto che la quantità di soluto va indicata in moli e non con una massa. Per capire a fondo questa unità di misura si dovrà aspettare l'introduzione del concetto di mole. Molarità [mol/l] oppure [M] = moli (soluto) [mol] / volume (soluzione) [l]
3 Esercizio sulle soluzioni Calcola le concentrazioni delle seguenti soluzioni in [g/l] 7 [g] di sale in 300 [ml] di soluzione 2.6 [g] di zucchero in 55 [ml] di soluzione 0.5 [g] di glucosio in 10 [ml] di soluzione 37 [mg] di Ca 2+ in 2 [l] di acqua 6 [Kg] di sale in 100 [l] di soluzione Calcola le concentrazioni delle seguenti soluzioni in % di massa 8 [g] di sale e 92 [g] di acqua 8 [g] di sale e 42 [g]di acqua 6 [Kg] di sale e 94 [Kg] di acqua 3.2 [g] di zuchero e 34 [g] di acqua Calcola le concentrazioni delle seguenti soluzioni in % di vol 11 [ml] di alcool e 100 [ml] di acqua 6 [ml] di alcool e 90 [ml] di acqua 15 [l] di alcool e 40 [ml] di acqua Prova pure con queste 5 [g] di sale in 100 [g] di soluzione (in % di massa) 16 [g] di zucchero in 1 [Kg] di soluzione (in % di massa) Problemini Quanto sale ci vuole per preparare 1,5 Kg di una soluzione al 3%. E quanta acqua? Quanto alcool c'è in una bottiglia di vino (750 ml), considerando che la %vol è 13,5? Puoi stimare il volume dell'acqua? Quanto zucchero ci vuole per preparare 2,5 [l] di sciroppo che ha una concentrazione di 250 [g/l]? E quanta acqua? Avendo a disposizione 5 [g] di sale quanta soluzione fisiologica allo 0,9%m si può preparare? Quanta acqua è necessaria? Esercizio dell etichetta Scegli un acqua minerale a tuo piacimento; calcola quanti grammi di ciascuno ione almeno 7 ioni!!!) indicato una persona assumerebbe, ammesso che beva 1.8 [l] di quell acqua al giorno
4 Separazione dei miscugli Vediamo in rassegna le principali tecniche di laboratorio per separare le componenti dei miscugli. Miscugli eterogenei Filtrazione: La fase fluida (liquido o gas) è fatta passare attraverso un filtro che trattiene le impurità solide. Decantazione: Il solido si deposita sul fondo essendo più pesante del liquido. Il liquido dopo un periodo di riposo è rimosso delicatamente. Flottazione: Analogo alla decantazione, ma con il solido che viene a galla Centrifugazione: Metodo analogo alla decantazione/flottazione. Il processo è accelerato aumentando la forza di separazione (f. centrifuga >> f. gravità). Scrematura industriale della panna, produzione dell'olio di oliva. Estrazione: Combinazione di metodi. Si sfrutta la solubilità di una delle due componenti in un solvente, per rimuoverlo selettivamente. Es caffeina dal caffè solubile in diclorometano o anidride carbonica. Preparare un caffè o un thè... Levigazione: Es. separare le pepite d'oro dalla sabbia... oppure i diamanti grezzi dalla ghiaia.
5 Miscugli omogenei Distillazione: Liquidi con diverse temperature di ebollizione vengono separati facendoli evaporare e ricondensare. Es grappa, petrolio. Per ottenere una separazione migliore si opta spesso per la distillazione frazionata. Cromatografia: Es della cromatografia su strato sottile. Cristallizzazione: Es separare rame e stagno da una lega di rame tramite fusione e solidificazione controllata
6 Purezza La quantità relativa di un componente in un miscuglio è di solito espressa in percentuale (di peso sulla massa totale). Latte parzialmente scremato (1.8g di grasso su 100g di latte). Alcuni miscugli sono particolari nel senso che hanno un'altissima concentrazione di una delle componenti e tutte gli altri sono trascurabili (considerati impurezze) Sale per lavastoviglie 99.97% Sale da cucina (marino) 99.5% Sale antigelo >95% I materiali puri sono costituiti da una sola componente, e sono chiamati sostanze. Tuttavia c'è da osservare un fatto fondamentale. Una purezza del 100% non è possibile mai (le ragioni per ora sono troppo complesse da spiegare. Per questo motivo vengono chiamate sostanze le materie con il massimo grado di purezza ottenibile. Acqua distillata, oro 24 carati, rame per l'elettronica, silicio per i microchip,... Quelle materie che possono essere chiamate sostanze possono anche essere descritte da una composizione chimica vera e propria.