La materia e le sue proprietà, fisiche e chimiche
annuncio pubblicitario
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. Prof. Sante Fontana 1 Appunti di Chimica Generale 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. Prof. Sante Fontana 2 Appunti di Chimica Generale 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 Prof. Sante Fontana 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 3 Appunti di Chimica Generale 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. Prof. Sante Fontana 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. 4 Appunti di Chimica Generale 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 Prof. Sante Fontana 5
