modulo 3 - la materia: composizione e
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MODULO 3 - LA MATERIA: COMPOSIZIONE E TRASFORMAZIONI La materia è tutto ciò che ha una massa, energia e occupa spazio, cioè ha un volume; essa si classifica in base alla sua composizione chimica ed in base al suo stato di aggregazione (caratteristica fisica della materia) 3.1 - PROPRIETÀ DELLA MATERIA ! Nelle immagini, l’olio che si separa dall’acqua e la cera che brucia trasformandosi in anidride carbonica e acqua rappresentano due trasformazioni diverse. La prima rappresenta un fenomeno fisico, la seconda un fenomeno chimico, chiamata comunemente reazione chimica. Le principali proprietà fisiche sono: massa, volume, pressione, temperatura di fusione e di ebollizione, densità, indice di rifrazione... Le proprietà fisiche si classificano in: ✓ proprietà estensive: esse dipendono dalla quantità di materia - ad esempio la massa, il volume, la lunghezza, il calore, ✓ proprietà intensive: esse non dipendono dalla quantità di materia ad esempio: temperatura, concentrazione, densità, pressione. Le principali proprietà chimiche sono: reattività, corrosività, infiammabilità… 10 3.2 - LA COMPOSIZIONE DELLA MATERIA MATERIA SOSTANZE PURE MISCUGLI Sono i singoli componenti della materia hanno proprietà proprie ed hanno una composizione chimica definita. Esempi: acqua distillata, ferro, ossigeno, metano, glucosio TRASFORMAZIONI FISICHE Sono costituiti da due o più sostanze. si classificano in si classificano in SOSTANZE ELEMENTARI SOSTANZE COMPOSTE Costituite da atomi di un solo elemento. Non possono essere trasformate in sostanze più semplici. Esempi: ferro Fe, Sodio Na, Zolfo S, Idrogeno H2, Ossigeno O2, ... Costituite da atomi di due o più elementi uniti fra loro. Possono essere scomposte in sostanze più semplici. Esempi: Cloruro di sodio NaCl, acqua distillata H2O, glucosio C6H12O6... TRASFORMAZIONI CHIMICHE ! ! MISCUGLI OMOGENEI MISCUGLI ETEROGENEI (soluzioni) Sono formati da una sola fase, le sostanza non sono distinguibili. La trasparenza e la limpidezza indicano l’omogeneità. Presentano caratteristiche uguali in tutti i punti. Esempi: acqua del rubinetto, aria, benzina, bronzo, acciaio, vino. Sono formati da due o più fasi, le sostanze sono distinguibili a occhio nudo o con il microscopio. L’opacità di un miscuglio è indice di eterogeneità. Presentano caratteristiche diverse in punti diversi. Esempi: acqua e olio, latte, maionese, nebbia, fumo, sabbia. ! ! 11 ESERCIZI 1. Classifica le sostanze qui elencate nelle categorie prima viste. Nella colonna “Osservazioni” indica il motivo della classificazione. Sostanza Elemento Composto Miscuglio Miscuglio Omogeneo Eterogeneo Aria Rame Vino Sabbia Latte Azoto Fumo Nebbia Maionese Olio Vetro Acciaio Bronzo Argento Oro Succo di pera Birra Acqua distillata Ossigeno Aranciata Acqua e olio Plastica Profumo Grappa Acqua di mare Acqua e sciroppo Crema cosmetica Granito Coca cola chiusa Sale da cucina 2. Trova nel vocabolario le definizioni appropriate per i seguenti vocaboli: a. dispersione: ______________________________________________ b. sospensione: ______________________________________________ c. emulsione: _______________________________________________ 3. Trova nella tabella i miscugli che possano coincidere con queste descrizioni. 12 Osservazioni La materia si presenta quasi sempre sotto forma di miscele complesse di sostanze diverse chiamate miscugli: solo in rari casi si ritrovano sostanze pure. 3.2.1 - I miscugli Vi sono due tipi di miscugli: ✓ i miscugli omogenei sono miscele in cui le proprietà chimicofisiche non dipendono dal punto in cui vengono misurate e sono costituite da una sola fase (N.B. una fase è una porzione di materia omogenea in ogni sua parte, cioè le cui proprietà chimiche e fisiche non dipendono dal punto in cui vengono misurate), ✓ i miscugli eterogenei sono miscele in cui è possibile identificare porzioni aventi proprietà chimico-fisiche diverse. Il petrolio è un miscuglio omogeneo di idrocarburi diversi. L'acqua e l'olio assieme formano un miscuglio eterogeneo. I miscugli possono essere separati nei loro attraverso procedure basate sulle diverse proprietà fisiche dei costituenti stessi. 3.2.2 - Le sostanze pure Le sostanze pure, i singoli componenti dei miscugli, vengono a loro volta classificate in due categorie: ✓ le sostanze elementari sono costituite da atomi dello stesso tipo cioè dello stesso elemento chimico, ✓ le sostanze composte sono costituite da atomi di tipi diversi, cioè di almeno due elementi chimici diversi. Le sostanze composte possono essere ulteriormente separate in sostanze elementari costituenti attraverso procedimenti chimici. L’immagine sotto descritta illustra in modo schematico i vari stadi del processo di separazione dei materiali nei loro componenti. Nella prima fase, un miscuglio viene suddiviso in sostanze pure mediante metodi fisici; nella seconda fase le sostanze composte che si ottengono vengono scomposte in sostanze elementari mediante metodi chimici. metodi fisici Miscugli omogenei o eterogenei metodi chimici Sostanze composte Sostanze elementari 13 3.2.3 - Metodi fisici di separazione dei miscugli Decantazione o sedimentazione Metodo meccanico di separazione di particelle solide dal liquido in cui sono sospese, sfruttando la sola forza di gravità. Esso risulta tanto più efficace quanto maggiore è la densità delle particelle in sospensione rispetto al liquido che fa da solvente. Un altro parametro che influisce sulla decantazione è la dimensione delle particelle sospese: più sono grandi, più rapida ed efficace risulta la decantazione. Filtrazione Con l’uso di opportuni filtri è possibile separare particelle solide, più o meno grandi, da miscugli liquidi e gassosi. Nel caso di miscugli liquidi, la parte solida resta sopra il filtro, mentre la parte liquida lo attraversa, per gravità, scendendo verso il basso. I miscugli aeriformi vengono forzati ad attraversare il filtro: l’aria lo attraversa mentre le polveri vengono trattenute dal filtro. Centrifugazione Tecnica usata quando si è in presenza di particelle solide molto piccole con densità molto vicina a quella del liquido, oppure quando si ha a che fare con quantità così piccole di miscuglio da non rendere praticabile la decantazione o la filtrazione. Si utilizza un apposito strumento che si chiama centrifuga in cui vengono inserite provette contenenti il miscuglio da separare. Le provette sono successivamente sottoposte a rotazione molto rapida: per effetto della forza centrifuga il materiale solido si deposita sul fondo della provetta. Estrazione Se un componente di un miscuglio è solubile in un dato liquido (solvente), può essere allontanato dal miscuglio. Naturalmente il successo dell’operazione dipende dalla capacità del solvente di sciogliere di preferenza il componente del miscuglio che si desidera. Tale capacità è chiamata selettività o affinità. 14 Cromatografia La cromatografia è la più versatile fra le tecniche di separazione e consente di risolvere anche i casi più difficili. Il solvente, che in questo caso si chiama fase mobile, trasporta i componenti del miscuglio attraverso una fase fissa. Nella cromatografia su strato sottile, la fase fissa, costituita da un sottile strato di materiale inerte, come silice o allumina, è fissato su una lamina di alluminio. La lamina si può ritagliare nelle dimensioni volute, con le forbici. Una tecnica più antica, ma ancora utilizzata in campo biochimico, è la cromatografia su carta. La separazione dei componenti di un miscuglio, deposto sulla lastrina o sulla carta in forma di macchia, è provocata dalla fase mobile. Il solvente si muove attraverso la fase fissa per azione capillare. Le diverse sostanze del miscuglio si muovono a velocità diversa e perciò si separano. Distillazione La distillazione è il metodo privilegiato di purificazione dei liquidi e si basa sulla diversa volatilità dei componenti dei miscugli liquidi. La volatilità rappresenta la tendenza di un liquido a evaporare ed è più alta per i liquidi a basso punto di ebollizione. 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, mediante l’utilizzo di acqua fredda. Il dispositivo in cui avviene la condensazione si chiama refrigerante. I vapori di una miscela all’ebollizione sono più ricchi nel componente che possiede la maggior volatilità. La condensazione di tali vapori comporta un grado più o meno elevato di purificazione. Nel caso della distillazione di una soluzione contenente sali disciolti, che in genere non sono volatili, la separazione dei soluti dal solvente è completa. 15
