Appunti di Chimica Generale
CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA
Per poter classificare la materia intorno a noi dobbiamo studiarne la composizione, ovvero
capire come le singole parti sono associate tra di loro per formare un tutto.
In base alla loro composizione, i materiali possono essere suddivisi in sostanze pure o miscele.
Queste a loro volta si dividono in composti o elementi e miscele omogenee o eterogenee.
Una sostanza pura è caratterizzata da una composizione chimica ben definita e costante.
Ogni campione di una determinata sostanza ha le stesse proprietà, indipendentemente dalla
quantità prelevata e dal punto in cui il campione è stato ottenuto. Ciò significa che le proprietà
di una sostanza pura sono proprietà intensive, caratteristiche di quella sostanza (Es. Zucchero
e sale da cucina).
Alcuni parametri che ci permettono di definire una sostanza pura sono:
deve fondere e solidificare ad una precisa temperatura;
deve bollire e condensare ad una precisa temperatura;
deve avere densità costante in ogni suo punto;
deve muoversi con una determinata velocità in una colonna cromatografica.
I prodotti che si trovano in commercio con il nome di una sostanza pura sono miscugli con
un’altissima percentuale di quella sostanza, ma che contengono quantitativi di altre sostanze,
non separabili con tecniche usuali. La percentuale della sostanza in esame indica il suo grado
di purezza, parametro importante a seconda dell’utilizzo a cui è destinato il composto (Es.
L’acqua del rubinetto di casa ha un grado di purezza sufficiente a scopi alimentari ma non è
abbastanza pura per analisi chimiche o per costituire soluzioni iniettabili).
Le sostanze possono essere classificate, a loro volta, in elementi e composti.
Un composto è una sostanza pura che può essere separata in due o più componenti più
semplici.
Questi ultimi possono essere, a loro volta, componenti o elementi. Un composto contiene
sempre due o più elementi in proporzioni fisse. (Es. L’acqua è un composto costituito da
idrogeno ed ossigeno H20, così come l’ossido di mercurio HgO).
Un composto presenta proprietà diverse da quelle delle sostanze che lo compongono (Es. Sia
l’idrogeno che l’ossigeno sono gassosi a temperatura ambiente, l’acqua è un liquido; l’idrogeno
può alimentare un incendio e l’ossigeno può innescarne uno, l’acqua viene usata per spegnere
il fuoco. Il mercurio è liquido a temperatura ambiente, l’ossigeno è gassoso, l’ossido di
mercurio è solido).
Per scindere una sostanza pura nei suoi componenti è necessaria una vera e propria
trasformazione della materia di partenza; questo processo si chiama reazione di
decomposizione ed è una reazione chimica (Es. Per separare l’idrogeno dall’ossigeno
occorre far attraversare l’acqua da una corrente elettrica. Se riscaldiamo a sufficienza l’ossido
di mercurio si decompone con formazione di ossigeno gassoso e mercurio metallico liquido).
Un elemento è una sostanza pura che non può essere scissa in componenti più semplici.
Un elemento ha una composizione fissa poiché contiene un solo tipo di atomo. Due elementi
diversi non possono contenere lo stesso tipo di atomo.
Gli elementi attualmente noti sono 118; di essi solo 90 sono presenti in natura, gli altri sono
stati prodotti in laboratorio. I composti sono molto più numerosi, perché gli elementi, unendosi
tra di loro in modo diverso, danno origine ad oltre sette milioni di composti.
Ogni elemento è identificato da un nome, che però varia nelle diverse lingue;
conseguentemente si preferisce utilizzare un simbolo, riconosciuto internazionalmente, che lo
identifica in maniera inequivocabile. La prima lettera del simbolo è sempre maiuscola; quando
le lettere sono due, la seconda è minuscola; non si leggono come una sillaba ma
separatamente. L’origine del nome degli elementi è varia: il nome latino o greco, un colore,
una località, un corpo celeste, uno scienziato, un personaggio mitologico, alcune proprietà
dell’elemento stesso.
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Elemento
Rame
Cloro
Polonio
Elio
Titanio
Fermio
Idrogeno
Simbolo
Cu
Cl
Po
He
Ti
Fm
H
Pronuncia
ci u
ci elle
pi o
acca e
ti i
effe emme
acca
Origine del nome
Dal latino cuprum
Dal greco chlorós: verde
Da Polonia, la patria di Marie Curie
Dal greco hélios: Sole
Dai Titani, divinità greche
Da Enrico Fermi
Dal greco hydor (acqua) e geno (generatore)
Le miscele o miscugli sono costituite da due o più materiali, che chiameremo fasi o
componenti, mescolati tra di loro.
A seconda dello stato delle fasi che compongono la miscela possiamo avere miscugli solidosolido (sabbia, granito, leghe metalliche, sale in acqua), solido-liquido (sabbia in acqua, sale
sciolto in acqua), solido-gas (fumo, smog, aerosol), liquido-liquido (olio in acqua), liquido-gas
(nebbia), gas-gas (aria: azoto 76,5%, ossigeno 20,5%, vapore acqueo 2%, gas rari 1%,
diossido di carbonio 0,03%).
Le miscele tendono a mantenere alcune delle proprietà dei singoli componenti ma le loro
proprietà sono meno costanti e possono variare poiché la loro composizione non è fissa (Es. Un
miscuglio, a differenza di una sostanza pura, fonde e bolle in un intervallo di temperatura più o
meno ampio e presenta una densità intermedia alla densità dei suoi componenti).
Le miscele possono essere classificate, in base alla distribuzione dei loro componenti in miscele
omogenee e miscele eterogenee.
In una miscela eterogenea le parti che la compongono sono molto diverse tra di loro.
In tutti i miscugli di questo tipo è sempre possibile distinguere una fase dall’altra; le
proporzioni tra le fasi possono variare all’interno del materiale senza limitazione, cioè la
composizione percentuale può essere diversa da punto a punto; ogni componente mantiene,
anche quando viene separato dagli altri, le stesse proprietà che possedeva quando faceva
parte del miscuglio.
In una miscela omogenea le sostanze sono distribuite uniformemente in modo tale che sia
estremamente difficile distinguere una sostanza dall’altra. Questi sistemi sono detti anche
soluzioni.
Le proprietà di un miscuglio omogeneo sono le stesse in ogni sua parte. I componenti di una
soluzione spesso perdono in essa molte loro proprietà singole. I componenti sono presenti
nella stessa proporzione in tutte le sue parti, anche se non tutte le proporzioni sono possibili.
Le miscele omogenee non possono essere separate nelle singole fasi utilizzando solo metodi
meccanici.
Le dimensioni delle particelle in una miscela hanno effetti sulle sue proprietà. In base ad esse,
una miscela può essere classificata come soluzione, sospensione o colloide.
Una soluzione è una miscela omogenea di due o più sostanze, la cui separazione è realizzabile
mediante cambiamenti di stato fisico.
La sostanza in quantità preponderante si dice solvente, quella in quantità inferiore si dice
soluto. La caratteristica essenziale delle soluzioni è costituita dal variare continuo delle
proprietà al variare delle proporzioni fra gli elementi che le compongono entro limiti più o
meno ampi, ma definiti.
Si ha una soluzione indipendentemente dallo stato fisico proprio, in condizioni normali, di
ciascun componente, purché le particelle siano uniformemente disperse e le loro dimensioni
non superino l’ordine di grandezza molecolare.
Le soluzioni liquide sono facili da riconoscere poiché non si separano nelle diverse fasi di cui
sono costituite con il passare del tempo, attraversano un filtro senza che alcun componente
venga trattenuto e la luce le attraversa senza essere deviata, ovvero sono trasparenti.
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Una proprietà comune a tutte le soluzioni è la solubilità. Essa rappresenta la concentrazione
massima che un soluto può raggiungere in un solvente. Il fenomeno della solubilità interessa
tutti e tre gli stati fisici in cui si presenta la materia.
In generale, ad eccezione dei gas, per i quali si assume abbiano sempre completa miscibilità
(tranne quando sono molto compressi), la solubilità dipende in misura più o meno marcata
dalla temperatura, dalla pressione, dalla natura delle sostanze, dalle interazioni e dalle
trasformazioni chimiche e fisiche che subiscono le sostanze stesse all’atto della dissoluzione.
Una regola empirica afferma che “il simile scioglie il simile”. Questo significa che i solventi sono
selettivi, ovvero una sostanza è solubile in un solvente con cui ha affinità, dovuta a
determinate proprietà strutturali. Nonostante l’affinità, ogni sostanza per sciogliersi richiede
un’adeguata quantità di solvente. Infatti, se in una piccola quantità di solvente si continua ad
aggiungere il soluto, ad un certo punto esso non si scioglie più ma si deposita sul fondo del
recipiente e costituisce un corpo di fondo. Diciamo allora che la soluzione è satura. Quando, al
contrario, una soluzione contiene una quantità di soluto inferiore a quella che potrebbe
contenere a quella temperatura, si dice che è una soluzione insatura.
Una sospensione è un sistema eterogeneo costituito da una dispersione di particelle solide in
un liquido.
Le particelle possono essere osservate con il microscopio, sono costituite da 109 atomi o più e
possono essere separate dal liquido mediante filtrazione. Con il passare del tempo si osserva la
separazione tra le fasi che compongono la sospensione. Una sospensione risulta opaca poiché
le particelle, essendo di dimensioni maggiori che nelle soluzioni, interagiscono con la luce
deviandone il percorso.
Un colloide è un sistema omogeneo in cui le particelle hanno dimensioni intermedie tra quelle
delle soluzioni e quelle delle sospensioni (sono comprese all’incirca fra 1 e 200 nm).
Come le soluzioni i colloidi non si separano nelle fasi che li costituiscono, passano attraverso i
filtri comuni ma non attraverso le membrane di pergamena. Quando un colloide è attraversato
dalla luce, quest’ultima viene riflessa.
METODI DI SEPARAZIONE DEI MISCUGLI
Per poter dire di quali sostanze è costituito un miscuglio eterogeneo, dobbiamo separare tra
loro le parti che appaiono differenti, cercando di non alterare la loro natura chimica, in modo
da poterle poi osservare ed analizzare singolarmente.
Per ottenere questa separazione, possiamo utilizzare molti metodi differenti: la scelta del
metodo più opportuno dipende dalla tipologia del miscuglio e dei suoi componenti.
Metodi meccanici
(Utilizzano strumenti che influenzano in modo differente il moto dei diversi componenti del miscuglio)
Proprietà della materia sfruttata
Tipologia di
Nome del metodo
Esempi
e descrizione del processo
miscuglio
Vagliatura
Schiumatura o
flottazione
Decantazione
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Dimensioni diverse dei componenti che
ne permettono o meno il passaggio
attraverso strutture dotate di pori o
fessure di dimensioni opportune.
Diversi
valori
della
densità
dei
componenti fanno sì che quello meno
denso galleggi sulla superficie di quello a
densità maggiore.
Diversi
valori
della
densità
dei
componenti fanno sì che quello più denso
si depositi sul fondo del recipiente in cui
il miscuglio è contenuto. Il liquido viene
travasato lentamente per evitare la
solido-solido
solido-liquido
solido-liquido
Separazione della farina
dalla
crusca
mediante
setaccio;
separazione
granulometrica delle polveri
mediante setacci.
Separazione della segatura
dall’acqua;
separazione
della
panna
dal
latte
appena munto.
Separazione
dall’acqua.
della
sabbia
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risospensione del sedimento.
Dimensioni diverse dei componenti che
ne permettono o meno il passaggio
attraverso strutture dotate di pori o
fessure di dimensioni opportune. Si usa
soprattutto quando la parte solida è
presente in quantità limitata e si
desidera recuperarla.
Diversi
valori
della
densità
dei
componenti fanno sì che essi si separino
se sottoposti ad un’elevata forza
centrifuga (da 0 a 1500 rpm in una
centrifuga manuale, fino a 5500 rpm in
una centrifuga elettrica).
Filtrazione
Centrifugazione
Nome del metodo
Attrazione/repulsione
magnetica
Dissoluzione
Altri metodi
Proprietà della materia sfruttata
e descrizione del processo
Il diverso comportamento dei materiali
in presenza di un campo magnetico:
diamagnetismo,
paramagnetismo
e
ferromagnetismo.
La diversa solubilità dei componenti in
un liquido fa sì che questo dissolva
quelli ad esso affini per poterli poi
recuperare dalla soluzione. Quest’ultima
viene separata dalle componenti non
solubili mediante un metodo meccanico.
solido-liquido
solido-liquido
liquido-liquido
immiscibili
Separazione della pasta
dall’acqua di cottura; filtri
dell’olio e dell’aria nelle
automobili; filtrazione sotto
vuoto con imbuto Buchner
per
sospensioni
dense;
mascherina DPI.
Separazione
di
un’emulsione; separazione
delle diverse componenti
del sangue: globuli rossi,
globuli bianchi, piastrine,
proteine disciolte e siero.
Tipologia di
miscuglio
Esempi
solido-solido
Separazione della limatura
di ferro da altri materiali
non magnetici.
solido-solido
solido-liquido
liquido-liquido
Separazione del sale dalla
sabbia.
Metodi di separazione dei miscugli omogenei
(Per questi sistemi non è possibile impiegare metodi meccanici ma bisogna sfruttare proprietà quali la
vaporizzazione dei solventi e/o la selettività dei solventi rispetto ai soluti)
Tipologia
Nome del
Descrizione del processo
di
Esempi
metodo
miscuglio
Evaporazione del
solvente ed
essiccazione
Cristallizzazione
La soluzione viene riscaldata in un recipiente,
facilitandone l’evaporazione; il soluto si
deposita, ancora umido, in forma cristallina sul
fondo del recipiente e viene poi sottoposto ad
essiccazione.
Si sfrutta la differente solubilità di un solido in
un liquido al variare della temperatura. Si
riscalda la soluzione, provocando un’elevata
evaporazione del solvente ed aumentando
pertanto la concentrazione della soluzione
finché diviene satura. Interrompendo il
riscaldamento la soluzione si raffredda e la
solubilità diminuisce innescando un processo di
cristallizzazione del soluto, a partire da un
nucleo di cristallizzazione.
Distillazione
La soluzione viene portata all’ebollizione ed il
solvente viene convogliato in un tubo
refrigerante dove, a causa della temperatura
più bassa, torna allo stato liquido.
Estrazione con
solventi
Si sfrutta la diversa affinità dei solventi per
diversi soluti. Ad una soluzione in cui sono
disciolti due o più soluti si aggiunge un
solvente, immiscibile con quello della soluzione,
che abbia un’affinità maggiore per il soluto che
vogliamo recuperare; dopo agitazione e
separazione delle due fasi liquide, si riottiene il
soluto per distillazione, evaporazione del
solvente o cristallizzazione.
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solido-solido
Produzione del sale marino
dalle acque di mare.
solido-liquido
solido-liquido
liquido-liquido
Potabilizzazione
dell’acqua
marina per desalinizzazione;
separazione di due o più
liquidi miscibili tra loro
mediante
distillazione
frazionata.
solido-liquido
Produzione di olio d’oliva
(non vergine) industriale a
partire dalle masse derivanti
dalla spremitura a freddo
mediante estrazione con
benzina
e
successiva
distillazione.
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Cromatografia
Sfrutta la diversa affinità dei soluti tra una fase
stazionaria ed una fase mobile, detta eluente. I
soluti maggiormente affini alla fase stazionaria
impiegheranno più tempo ad uscire dalla
colonna cromatografica o percorreranno meno
strada lungo una lastra cromatografica.
Viceversa, i soluti con elevata affinità per
l’eluente usciranno per primi o percorreranno
un tragitto più lungo.
MATERIALE
Schema riassuntivo
per la classificazione
della materia
Con azioni
meccaniche
Si scinde?
SI
MISCUGLIO
ETEROGENEO
NO
Analisi cliniche, controllo
qualità,
controllo
antidoping.
solido-liquido
MISCUGLIO
OMOGENEO
Modificando
lo stato di
aggregazione
NO
Si scinde?
SI
SOLUZIONE
SOSTANZA PURA
Per elettrolisi o
reazione chimica
NO
Si scinde?
ELEMENTO
SI
COMPOSTO
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