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La materia e le sostanze

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1. COSA E’ LA CHIMICA?
E’ la scienza che studia la materia e il suo comportamento.
2. COSA E’ LA MATERIA?
Per materia si intende tutto ciò che possiede una certa massa e un certo volume. La materia è
formata da individui chimici denominati sostanze (una sostanza è formata da due o più atomi di
elementi differenti) e queste possono essere classificate in sostanze naturali (reperibili in natura e
che non abbiano subito trattamenti chimici), sintetiche o artificiali (sostanze che sono il prodotto di
reazioni o processi chimici.
Se una sostanza è presente in quantità preponderanti e le altre sono presenti in tracce abbiamo
sostanze impure; se le percentuali delle sostanze sono paragonabili abbiamo un miscuglio o miscela.
3. COSA E’ UNA SOSTANZA PURA?
È una porzione di materia con una composizione chimica costante; è pura una sostanza che
nonostante i ripetuti sistemi di purificazione, si mantiene inalterata. Quindi è formata da particelle
tutte uguali cioè con le stesse proprietà fisiche e chimiche, per es. densità, punto di fusione o di
ebollizione, conducibilità termica o elettrica, capacità di reagire con l’ossigeno. Le sostanze pure si
dividono in s. elementari cioè che non si possono suddividere in sostanze più semplici e formate da
un solo tipo di atomo (azoto N2, idrogeno H2, cloro Cl2, ossigeno O2, ozono O3, zolfo plastico S8,
fosforo rosso P4, diamante e grafite C, rame CU, argento AG, stagno Sn, ferro Fe, elio He, Neon Ne)
e s. composte cioè che si possono suddividere in sostanze più semplici (solo con metodi chimici) e
sono formate da due elementi diversi (es. acqua H2O, glucosio C6H12O6, anidride carbonica CO2,
ammoniaca NH3, acido cloridrico HCl, idrossido di sodio NaOH, idrossido di calcio Ca(OH)2, solfato di
alluminio Al2(SO4)3, biossido di azoto NO2, acido fosforico H3PO4, bicarbonato di sodio NaHCO3).
4. LE SOSTANZE PURE ESISTONO?
Non esistono in realtà perché sono sempre presenti tracce di altre sostanze. Nessun metodo di
separazione o di purificazione è efficiente al 100%.
5. COSA E’ L’ATOMO
È un sistema costituito da un nucleo, avente carica elettrica positiva per la presenza di protoni ,
intorno al quale sciamano particelle aventi carica negativa, gli elettroni. Gli atomi sono
elettricamente neutri perché il numero dei protoni è uguale al numeri degli elettroni.
6. COSA SONO LE MOLECOLE
È il più piccolo insieme di atomi aggregati da legami chimici, capace di resistere allo stato libero e tale
da mantenere tutte le proprietà chimiche della sostanza considerata.
7. COSA E’ UN ELEMENTO
È una sostanza costituita da atomi aventi lo stesso numero atomico.
8. COSA E’ UN COMPOSTO
E’ un sistema costituito dall’unione di due o più atomi di elementi diversi. Gli elementi chimici che si
trovano in natura sono meno di 100; i composti sono milioni.
9. CHE COSA SONO GLI IONI
Sono atomi aventi carica elettrica positiva o negativa dovuta rispettivamente alla perdita , o
all’acquisto, di uno o più elettroni da parte di un atomo.
10. COSA E’ UNA FASE
È una porzione di materia dove si hanno le stesse proprietà chimico fisiche in ogni punto del volume.
Sistema omogeneo a una sola fase = es.acqua; sistema eterogeneo a 2 o più fase = es. acqua e olio.
11. COSA E’ LO STATO DI AGGREGAZIONE E QUALI SONO
Lo stato di aggregazione è una proprietà della materia che possiamo valutare basandoci sul suo
aspetto fisico. Gli s.di a. sono fondamentalmente 3: solido è caratterizzato da una forma e da un
volume propri, definiti dai contorni del corpo (le particelle sono molto vicine e non possono
spostarsi); liquido ha un volume proprio ma non la forma, che dipende invece dal recipiente che lo
contiene (le particelle sono molto vicine tra loro e sono libere di scorrere le une sulle altre); aeriforme
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(gas o vapore) non ha né forma né volume definiti perché occupa tutto lo spazio a disposizione (le
particelle hanno grande libertà di movimento).
Gli stati di aggregazione solido e liquido sono detti stati condensati della materia;
i corpi allo stato liquido e allo stato aeriforme sono detti fluidi.
ELENCA TUTTI I PASSAGGI DI STATO
Se la temperatura aumenta abbiamo:
fusione = da solido a liquido
ebollizione ed evaporazione = da liquido ad aeriforme
sublimazione = da solido ad aeriforme
Se la temperatura diminuisce abbiamo:
condensazione = da aeriforme a liquido
solidificazione = da liquido a solido
brinamento = da aeriforme a solido
COSA E’ IL CALORE LATENTE
Rappresenta la quantità di calore che 1 kg di sostanze cede o acquista durante un passaggio di stato.
COSA E’ UNA FORMULA CHIMICA
Sono sistemi di simboli e indici numerici che permettono di rappresentare in forma sintetica e veloce
le particelle che formano una sostanza (molecole) e forniscono due tipi di informazioni: qualitativa
(simboli) quali elementi formano la sostanza e quantitativa (indici) quanti atomi di ciascun elemento.
COSA E’ UN SISTEMA?
Con sistema si definisce quella porzione di materia con confini ben delimitati che viene studiata e
che può essere costituita da un singolo corpo o da un insieme di più corpi.
COSA E’ UN AMBIENTE?
Indica tutto ciò che non costituisce il sistema.
VARI TIPI DI SISTEMA
Sistema aperto = quando ci può essere scambio di materia ed energia con l’ambiante.
Sistema chiuso = quando ci può essere scambio di energia con l’ambiente ma non di materia.
Sistema isolato = quando non ci può essere scambio né di materia né di energia con l’ambiente.
COSA E’ UN MISCUGLIO o MISCELA
Sono porzioni di materia formate da almeno due sostanze (componenti).
Si dividono in due categorie:
Miscugli eterogenei
Miscugli omogenei
Ogni componente mantiene le proprie I componenti si mescolano così bene da non
caratteristiche e ciò permette di individuarlo a essere più distinguibili neppure con il
occhio nudo o con il microscopio;
microscopio;
le proprietà non sono uguali in tutti i punti del le proprietà sono le stesse in qualunque punto
miscuglio;
del miscuglio;
i componenti possono essere sempre mescolati non sempre i componenti possono essere
in qualsiasi quantità e proporzione.
mescolati in qualunque quantità e proporzione.
Sono Miscugli con nomi propri:
leghe = miscugli omogenei formati da due o più componenti di cui quello presente in quantità
maggiore è sempre un metallo. Es. acciacio, bronzo e molto spesso anche l’oro. Tutte le leghe sono
allo stato solido e vengono chiamate soluzioni solide; alcune possono essere anche liquide chiamate
amalgami;
sospensioni = miscugli eterogenei in cui piccolissimi granuli di un solido sono dispersi in un liquido
(es. sangue, succhi di frutta)
emulsioni = miscugli eterogenei tra liquidi: un liquido è disperso in un altro liquido in cui non è
miscibile (es. latte, maionese)
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aerosol = miscugli eterogenei formati da un solido o da un liquido dispersi in un gas. Es. fumi = aerosol
solido gas, nebbia e nuvole = aerosol liquido gas
soluzioni= miscugli omogenei; costituite da un liquido solvente nel quale sono sciolti uno o più
materiali, i soluti. Se i componenti sono tutti liquidi si dice che sono miscele. (es. acqua potabile)
COME SI SEPARANO I MISCUGLI
Setacciatura: tecnica per separare miscugli eterogenei formati da materiali in granuli. Il miscuglio
viene messo in un setaccio che presenta fori di idonee dimensioni e passano solo i granuli più piccoli
al di sotto del setaccio.
Filtrazione: tecnica per separare miscugli eterogenei solido liquido o solido aeriforme. Il miscuglio
viene fatto passare attraverso un filtro e le sostanze solido vengono trattenute, passa solo il liquido
o il gas.
Decantazione: tecnica per separare miscugli eterogenei solido liquido. Si lascia a riposo il sistema in
modo che le particelle solide si depositino spontaneamente sul fondo (perché hanno maggior peso
specifico). Anche miscugli liquido liquido in questo caso il liquido con maggiore peso specifico si
deposita al di sotto di quelle con peso specifico minore.
Centrifugazione: tecnica per separare miscugli eterogenei solido liquido e liquido liquido. Il miscuglio
viene introdotto in una apparecchiatura dove viene fatto ruotare molto velocemente: i componenti
con peso specifico maggiore si raccolgono sul fondo e sulle pareti del contenitore.
Estrazione con solvente: per separare miscugli eterogenei e omogenei. Il miscuglio viene mescolato
con un liquido, il solvente, che è in grado di sciogliere solo in componente che si vuole separare.
Cromatografia: per separare miscugli costituiti da molti componenti.
Distillazione semplice o frazionata: per separare miscugli omogenei solido-liquido e liquido-liquido.
Il miscuglio viene fatto bollire e i vapori che si liberano vengono condensati per raffreddamento.
COSA E’ UNA SOSTANZA
Ogni sistema che può essere considerato come un materiale puro, cioè costituito da particelle tutte
uguali.
COSA SI INTENDE PER GRANDEZZA
Le proprietà di un sistema che si possono misurare. Le grandezze fondamentali e le grandezze
derivate con le unità di misura e i relativi simboli sono definiti nel S.I.
GRANDEZZE
UNITA’ DI MISURA
Lunghezza l
Metro m
Massa m
Chili Kg
Temperatura T
Kelvin K
Quantità chimica n
Mole mol
Corrente elettrica I
Ampere A
Intentità luminosa N
Candela Cd
Tempo t
Secondo D
COSA SONO LE CIFRE SIGNIFICATIVE
È il valore numerico indicato con tutte le cifre che vengono fornite dallo strumento, anche se queste
sono zeri. Tutte queste cifre sono quelle che danno significato alla misura e vengono perciò chiamate
cifre significative anche se l’ultima cifra è sempre incerta.
Es. 0,05080 gli zeri iniziali non sono mai significativi, gli zeri compresi tra cifre diverse da zero sono
sempre significativi, e gli zeri terminali di un numero decimale sono sempre significativi. Questo
numero quindi ha 4 c.s. visto che i zeri iniziali servono unicamente a definire la posizione della virgola.
Vedere esempi pag.10
COSA E’ LA MASSA
La massa (m) è la proprietà della materia che si misura con la bilancia. È una grandezza fondamentale
nel S.I. e la sua unità di misura è il Kilogrammo (Kg).
COSA E’ IL VOLUME
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Il volume (V) è la proprietà che misura lo spazio occupato da un corpo. È una grandezza derivata del
S.I. e la sua unità di misura è il metro cubo m3. Un’altra unità di misura del volume utilizzata per i
materiali liquidi è il litro (L) che corrisponde a 1 dm3.
COSA E’ LA DENSITA’
La densità è il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume d (Kg/m3) =m/V. l’unità di misura
della densità è il kg/m3. È una grandezza che non dipende dalle dimensioni del corpo ed è quindi una
grandezza intensiva. Diversamente massa e volume cambiano se variano le dimensioni del corpo e
quindi si dice che sono grandezze estensive.
COSA SONO LE SOLUZIONI
Le soluzioni sono miscugli omogenei, costituiti da un liquido, il solvente, nel quale sono sciolti uno o
più sostanze che possono essere solide, liquide o aeriformi, i soluti. Le soluzioni più comuni hanno
come solvente l’acqua e sono dette soluzioni acquose.
Per capire le proprietà delle soluzioni occorre considerare le dissoluzioni. Quando per esempio si
scioglie una sostanza solida le particelle del solido si staccano progressivamente e si disperdono
mescolandosi uniformemente con le particelle del solvente. Nella soluzione non è più possibile
distinguere il soluto dal solvente. Quando si mescolano più corpi formati da materiali uguali o diversi,
la massa del sistema che si ottiene è sempre uguale alla somma aritmetica delle masse dei singoli
corpi separati. Naturalmente questo è vero anche per le soluzioni: la massa della soluzione
corrisponde alla somma delle masse del solvente e delle sostanze disciolte. Il volume della soluzione
invece non sempre corrisponde alla somma dei volumi del solvente e delle sostanze disciolte. Un
altro aspetto importante della dissoluzione è la temperatura. In alcune dissoluzioni la temperatura
aumenta e si dice dissoluzione esotermica in altre diminuisce e si dice dissoluzione endotermica.
COSA E’ LA CONCENTRAZIONE
La concentrazione (C) di una soluzione è una grandezza che esprime il rapporto tra la quantità di
soluto e la quantità di soluzione (o di solvente). C= m soluto/V soluzione
COSA SI INTENDE PER SOLUBILITA’
La solubilità di una sostanza in un determinato solvente corrisponde alla massima concentrazione
che può avere una soluzione della sostanza stessa. Tutti sappiamo che non è possibile sciogliere una
qualunque quantità di sale in un determinato volume di acqua. Quando il sale non si scioglie più è
stato raggiunto il massimo valore possibile di concentrazione, cioè si è formata una soluzione satura.
La solubilità è quindi un valore caratteristico della coppia soluto-solvente di una soluzione satura ed
è data dal rapporto tra quantità di sostanza sciolta e quantità di solvente.
COSA E’ LA DISPERSIONE
La dispersione è un miscuglio eterogeneo in cui una fase è dispersa (gocce, bolle) in una fase detta
disperdente (liquido).
DISPERSIONE
F. DISPERSA
F.DISPERDENTE
ESEMPI
Emulsione
liquido
liquido
Latte/maionese
Schiuma (liquida)
Gas
liquido
Panna montata
Sospensione
solido
liquido
grappe
Schiuma (solida)
gas
solido
spugna
Nebbia/aerosol
liquido
aeriforme
nuvole
gel
liquido
solido
Gelatina/pasta cotta
Sol
solido
liquido
Crema
COSA E’ LA CURVA DI RISCALDAMENTO E IL PRINCIPIO DELL’EQUILIBRIO TERMICO
La curva di riscaldamento è un grafico che mostra i valore della temperatura in funzione del tempo
durante il processo di riscaldamento (o raffreddamento) della sostanza. La curva di fusione (o di
solidificazione) è caratterizzata dalla presenza di una sosta termica; pur continuando a somministrare
(o a sottrarre) calore, la temperatura della sostanza non cambia. L’ampiezza del tratto della sosta
termica dipende dalla quantità di sostanza sottoposta a riscaldamento e dalla quantità di calore
fornita nell’unità di tempo. La sosta termica si conclude quando tutta la sostanza si è fusa (o si è
solidificata). Il calore fornito in questo tratto di curva viene definito calore latente di fusione.
Il principio dell’equilibrio termico tra due corpi è lo stato in cui non avviene alcuno scambio di calore
tra essi. T1 = T2
31 CHE COSA E’ LA TEMPERATURA E L’EQUILIBRIO TERMICO?
La temperatura (t) è la grandezza che può essere misurata con uno strumento chiamato termometro.
Può essere espressa in gradi Celsius (°C) oppure in Kelvin (K).
Temperatura Kelvin = temperatura Celsius + 273
Se mettiamo a contatto due corpi a diversa temperatura, dopo un po’ i due corpi raggiungono la
stessa temperatura, cioè uno stato di equilibrio termico.
ENERGIA TERMICA E CALORE
Ogni corpo possiede una certa quantità di energia dovuta al movimento delle particelle (la loro
energia cinetica).
La forma di energia contenuta in un corpo che dipende dall’incessante movimento di tutte le
particelle che lo costituiscono, si chiama energia termica e dipende sia dalla massa sia dalla
temperatura:
- Energia termica aumenta se aumenta la massa del sistema, perché aumentano le particelle;
- Energia termica aumenta se aumenta la temperatura, perché aumenta l’energia cinetica delle
particelle.
Quindi l’equilibrio termico tra due corpi che hanno diverse temperature si raggiunge così: le particelle
del corpo più caldo trasmettono una parte della loro energia cinetica a quelle del corpo più freddo,
cioè gli urti trasmettono energia cinetica dal corpo più caldo a quello più freddo fino a che
raggiungono la stessa temperatura.
La quantità di energia termica che si trasferisce da un corpo a un altro a temperatura inferiore prende
il nome di calore.
CHE COSA E’ L’ANALISI TERMICA
L’analisi termica è una prova sperimentale che si esegue misurando la temperatura di una sostanza,
a intervalli regolari di tempo, durante un lento riscaldamento o un lento raffreddamento.
Tutte le sostanze mostrano soste termiche anche durante i passaggi inversi, la condensazione e la
solidificazione.
La fusione e la solidificazione di una data sostanza avvengono alla stessa temperatura, che rimane
costante durante ciascun passaggio. (anche se si continua a riscaldare: ciò significa che il calore
fornito al sistema non va ad aumentare l’energia termica della sostanza e per questo viene definito
calore latente).
L’ebollizione e la condensazione di una data sostanza avvengono alla stessa temperatura, che rimane
costante durante ciascun passaggio di stato.
Quindi, per ogni sostanza la fusione e l’ebollizione (e passaggi inversi) avvengono a temperature
fisse.
QUALI SONO LE TEMPERATURE CARATTERISTICHE DELLE SOSTANZE
Le temperatura fisse di ogni sostanza:
-
Sono definite e caratteristiche;
Non dipendono dalla massa della sostanza;
-
Rimangono costanti per tutta la durata della trasformazione.
Il calore latente rappresenta la quantità di calore che 1 kg di sostanza cede o acquista durante un
passaggio di stato.
Il calore latente di fusione è assorbito a temperatura costante e serve a vince le forze di attrazione
tra le particelle.
Il calore latente di ebollizione assorbito a temperatura costante serve per vincere le forze di
attrazione tra le particelle che così diventano indipendenti.
Il calore assorbito o ceduto durante i passaggi di stato fa variare l’energia chimica, una forma di
energia che dipende dalla posizione reciproca delle particelle che costituiscono una sostanza.
Quindi, anche l’energia chimica dipende dalla massa del sistema, cioè dal numero di particelle.
(energia chimica e energia termica sono grandezze estensive).
SPIEGA LE TRASFORMAZIONI CHIMICHE
Le reazioni chimiche (o semplicemente reazioni) descrivono le trasformazioni della materia durante
le quali una o più sostanze scompaiono e una o più sostanze si formano.
È dunque necessario conoscere quali sostanze reagiscono e quali si formano: le sostanze che danno
origine alla trasformazione chimica si chiamano reagenti e le sostanze che si formano si chiamano
prodotti.
I cambiamenti visivi di una reazione possono essere: variazione del colore del sistema, produzione di
un gas o di un fumo, formazione di una sostanza solida in un sistema liqiudo, l’emissione di luce e/o
di calore.
Reagenti
prodotti
(idrogeno + ossigeno)
>
acqua
TRASFORMAZIONI CHIMICHE E TRASFORMAZIONI FISICHE
Quando i passaggi da uno stato di aggregazione a un altro e le dissoluzioni di una sostanza in un’altra
non modificano le sostanze e quindi sono trasformazioni fisiche.
Nelle trasformazioni chimiche invece cambiano le sostanze e pertanto, dopo la trasformazione, le
particelle che costituiscono il sistema sono diverse.
Per decidere se un fenomeno è una trasformazione chimica, occorre accertarsi se esso ha prodotto
sostanze che non erano presenti prima del fenomeno stesso.
Es. Un filo di platino sulla fiamma diventa incandescente ma quando viene allontanato ritorna grigio
lucente. Il cambiamento è temporaneo per cui questa è una trasformazione fisica.
LA LEGGE DI LAVOISIER
Nelle trasformazioni fisiche non mutane le sostanze e pertanto la massa del sistema non cambia.
E nelle trasformazioni chimiche?
Quando una qualsiasi reazione avviene in un sistema chiuso la massa resta costante.(anche se si
formano nuove sostanze).
Questa è la legge della conservazione della massa o Legge di Lavoisier.
In tutte le reazioni chimiche la massa si conserva: la massa dei prodotti che si formano è uguale alla
massa dei reagenti che si trasformano.
SOSTANZE CHE SI POSSONO DECOMPORRE
Anche nei processi di decomposizione ottenuti per riscaldamento di minerali si possono ottenere
sostanze più semplici come per esempio alluminio, ferro e piombo. Come l’idrogeno e l’ossigeno,
però, questi metalli non possono in alcun modo essere ulteriormente decomposti e pertanto sono
sostanze elementari.
Le sostanze composte possono dare reazioni di decomposizione invece le sostanze elementari non
si possono decomporre in sostanze più semplici.
Le trasformazioni che scompongono una sostanza composta in sostanza elementare sono un
particolare tipo di reazione di analisi.
In tutte le reazioni di analisi (di decomposizione) da un unico reagente si formano più prodotti.
Le sostanze elementare possono reagire per formare le sostanze composte. Questi sono di tipo di
reazione di sintesi.
In tutte le reazioni di sintesi i reagenti si combinano per formare un solo prodotto.
I COMPOSTI HANNO UNA COMPOSIZIONE COSTANTE
I composti possono dare reazioni di decomposizione proprio perché sono costituiti da più elementi.
Es. acqua: idrogeno + ossigeno.
Nel 1974 J.L.Proust aveva formulato la legge della costanza della composizione dei composti chimici
o legge delle proporzioni definite= legge di Proust
In ogni composto, il rapporto tra la massa di un elemento che lo costituisce e quella di un altro
elemento è definito e costante. Questo rapporto è detto rapporto di combinazione.
I composti binari (costituiti da due elementi) il rapporto di combinazione è un dato che li caratterizza
in particolar modo.
Quindi, in ogni composto la composizione elementare, cioè la percentuale di elementi che lo
costituiscono, è definita, costante e caratteristica.
Bene, i componenti dei miscugli possono essere mescolati in quantità variabile a piacere;
invece, gli elementi presenti nei composti sono combinati in quantità percentuali fisse e già definite.
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