Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze PDF

Capitolo1 La struttura della materia: Capitolo La struttura della materia: miscugli e sostanze 1 miscugli e sostanze Obiettivi Definire i concetti di materia e di corpo materiale....

Capitolo1 La struttura della materia: Capitolo La struttura della materia: miscugli e sostanze 1 miscugli e sostanze Obiettivi Definire i concetti di materia e di corpo materiale. Distinguere sistemi aperti, chiusi e isolati. Definire sostanze pure e miscugli. Distinguere miscugli omogenei ed eterogenei. Definire una soluzione. Indicare i principali metodi di separazione dei miscugli. Distinguere atomi, molecole, elementi e composti chimici. Distinguere i diversi stati di aggregazione della materia. Descrivere i passaggi di stato. 1 Materia e corpi Tutti gli oggetti che ci circondano e che occupano lo spazio intorno a noi sono oggetti “materiali”, cioè sono fatti di materia: una casa, un essere vi- vente, un libro, una penna, un granello di sabbia, una goccia di pioggia, una nuvola, l’aria che respiriamo sono tutte porzioni di materia a cui diamo il nome di corpi.... in English La materia è tutto ciò che occupa uno spazio ed è dotato di una massa. Un materia corpo è una porzione di materia. La massa è la quantità di materia di cui matter è costituito un corpo. massa mass 2 Le sostanze e i miscugli I corpi sono fatti di materiali diversi: l’aria contiene sostanze come l’ossige- no, l’azoto, l’anidride carbonica; un chiodo è fatto di ferro; l’acqua è fatta di... acqua. Le sostanze sono i vari tipi di materia che formano i corpi. I corpi hanno proprietà diverse perché sono fatti di sostanze diverse. 14  Sistema e ambiente La Chimica studia porzioni delimitate di materia che ven- termica mentre libera all’esterno il vapore acqueo, ossia gono definite sistemi (o sistemi termodinamici). Essi ven- materia). gono distinti, in base alle possibilità di scambi di materia I sistemi chiusi consentono un flusso di energia ma non ed energia con l’ambiente esterno, in sistemi aperti, siste- di materia (per esempio una provetta a chiusura erme- mi chiusi e sistemi isolati. tica). I sistemi aperti consentono un flusso sia di massa sia di I sistemi isolati non permettono un flusso né di energia energia con l’ambiente (per esempio una provetta aper- né di massa con l’ambiente esterno (per esempio l’ac- ta, contenente acqua, se viene riscaldata, riceve energia qua contenuta in un thermos). Sistema aperto: consente flussi di Sistema chiuso: consente scambi di Sistema isolato: non si hanno scambi materia ed energia. energia ma non di materia. né di materia né di energia. 2.1 Sostanze pure e miscugli Alcuni corpi sono costituiti da un solo tipo di sostanza: il sale da cucina, lo Fare per apprendere zucchero, il ferro di un chiodo ecc. Per esempio, tutti i granelli di sale sono Osserviamo la materia: costituiti dalla stessa sostanza, il sale (in chimica cloruro di sodio). Il sale è i miscugli perciò una sostanza pura. Una sostanza pura è una porzione di materia a composizione chimica uni- Elementi e composti forme e costante, esprimibile con una formula chimica. Un sistema è puro Le sostanze pure si distinguo- se è costituito da una sola sostanza. no in elementi e composti. I composti sono sostanze Tuttavia, la maggior parte dei corpi è costituita da più sostanze mescolate pure scomponibili in sostanze più semplici, dette elementi (o tra loro, che formano miscugli o miscele: l’aria è un miscuglio di gas, per- sostanze elementari). ché contiene sostanze diverse mescolate tra loro (ossigeno, azoto, anidride Vedi carbonica ecc.); la sabbia è un miscuglio di granelli di colore, forma e di- Capitolo 2 Dalle sostanze allʼatomo mensioni diversi, costituiti da sostanze diverse ; l’acqua minerale è un miscuglio di acqua e sali minerali disciolti in essa.... in English sostanza pura pure substance miscuglio mixture 1. Ogni granello di sale è costituito della stessa 2. I diversi granelli di sabbia possono essere fa- sostanza, il cloruro di sodio. cilmente individuati e separati. 15 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze PDF Leggere sull'eBook 2.2 Miscugli omogenei e miscugli eterogenei L’aria è un miscuglio di gas, ma in ogni sua parte è sempre uguale: l’aria che I colloidi respiriamo in classe, nel corridoio o in palestra contiene sempre pressappoco le stesse quantità di ossigeno, azoto e anidride carbonica. Inoltre non possia- mo né distinguere né separare tra loro con facilità le diverse sostanze che la compongono. Anche l’acqua minerale è una miscela di sostanze diverse: l’acqua e i sali minerali. Ogni goccia di acqua minerale è uguale a tutte le altre e anche per l’acqua minerale non è possibile distinguere né separare con facilità le sostanze che la compongono (per separare l’acqua dai sali minerali dovremmo far evaporare tutta l’acqua). L’aria e l’acqua minerale sono due miscugli omogenei, costituiti da so- 3. L’aria è sì un miscuglio stanze diverse mescolate tra loro e distribuite omogeneamente in ogni parte omogeneo di gas, ma in essa si trovano sospese anche del miscuglio. particelle solide (pulviscolo I miscugli (o miscele) omogenei sono detti anche soluzioni. In una so- atmosferico) e goccioline di acqua allo stato liquido (che luzione (come l’acqua minerale), la sostanza presente in maggior quantità formano le nubi, la nebbia, la è detta solvente, parola che vuol dire “che scioglie” (nell’acqua minerale il foschia): possiamo veramen- te considerarla un esempio di solvente è l’acqua), mentre le altre sostanze presenti, sciolte nel solvente, ven- miscuglio omogeneo? gono dette soluti (nell’acqua minerale sono i sali minerali). Molto spesso le sostanze che costituiscono un corpo non sono distribuite Esempi di miscugli omogeneamente in tutte le sue parti: per esempio, la sabbia è costituita da eterogenei granelli diversi e in alcuni punti prevarranno quelli più chiari, in altri quelli Emulsioni: miscugli tra due più scuri. La sabbia è perciò un miscuglio eterogeneo, perché non è uguale liquidi non miscibili: goccioli- in tutte le sue parti. ne di grasso (olio) in acqua, come nel latte. Le diverse sostanze che costituiscono un miscuglio eterogeneo possono Schiume: bollicine di gas di- essere individuate e separate con facilità. sperse in liquido, solido o gel. Fumi: particelle solide (carbo- In generale, un sistema è omogeneo se in esso non sono distinguibili fasi ne) disperse nellʼaria. diverse ed eterogeneo quando, invece, è possibile distinguere due o più fasi. Per fase si intende una porzione delimitata di materia fisicamente distin- guibile dalle altre, caratterizzata da proprietà intensive uniformi (colore, densità ecc.). Un sistema puro generalmente è omogeneo, ma può essere presente talvolta in due stati fisici diversi e allora è chimicamente puro ma fisicamente etero- geneo: per esempio, acqua e ghiaccio. Questo si verifica durante i passaggi di stato (fusione, ebollizione). 4. Nellʼacqua minerale frizzante (o gasata) sono evidenti le bollicine di gas (anidride carbonica) disperse nellʼacqua: è un miscuglio omogeneo o eterogeneo? 16  3 Gli stati fisici di aggregazione della materia I corpi che ci circondano possono presentarsi con aspetti diversi: alcuni, in- fatti, sono solidi, altri liquidi e altri sono come l’aria, cioè impalpabili (non si possono sentire al tatto) e vengono detti aeriformi (hanno la “forma” dell’a- ria). Queste diverse forme della materia sono dette stati di aggregazione. I solidi hanno una forma propria, che può essere modificata solo da una Vedi Capitolo 6 forza esterna; occupano uno spazio preciso, hanno cioè un volume pro- Lo stato liquido prio, che non cambia neanche se la forma del solido viene modificata; non e le soluzioni sono comprimibili. Un sasso, una montagna, una sedia, una penna, un bicchiere, sono tutti esempi di solidi. liquidi, come l’acqua che forma i mari e gli oceani, non hanno una for- I... in English ma propria, ma tendono ad assumere la forma del recipiente in cui sono stato fisico physical state contenuti, sono cioè deformabili; i liquidi hanno comunque un volume solido, liquido, aeriforme proprio, non riducibile, per cui non sono comprimibili. solid, liquid, aeriform Gli aeriformi, come l’aria, non hanno forma né volume propri e sono comprimibili. Essi vengono distinti in gas e vapori. I gas a temperatura ambiente sono normalmente allo stato aeriforme e non possono conden- sare, mentre i vapori si formano da sostanze che, a temperatura ambiente, possono anche passare allo stato liquido. Possiamo distinguere un gas da un vapore in base alla temperatura critica: PDF Leggere sull'eBook questa è la temperatura al di sopra della quale una sostanza aeriforme non può essere più trasformata in liquido, neanche esercitando pressioni elevatis- Lo stato solido sime. I gas hanno una temperatura critica molto bassa, per cui a temperatura ambiente non possono condensare. Per liquefare un gas occorrono tempera- ture molto basse e pressioni molto elevate. stato gassoso ampi spazi, I tre stati fisici sul pianeta Terra: ampia libertà di movimento ATMOSFERA: la parte aeriforme stato liquido libertà più IDROSFERA: la parte liquida limitata stato solido forti vincoli LITOSFERA: la parte solida 5. Le particelle che costituiscono un gas hanno ampia libertà di movimento; in un liquido hanno libertà più limitata e nei solidi sono presenti forti vincoli che mantengono quasi immobili le particelle. 17 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze Vedi Capitolo 4 Perché solidi, liquidi e aeriformi hanno diverse proprietà e diverso compor- Per le forze intermolecolari: tamento? I legami chimici Per rispondere a questa domanda occorre ricordare che la materia è costi- tuita da particelle invisibili, che si possono aggregare in modi diversi. Queste particelle negli aeriformi sono libere di muoversi nello spazio, senza alcun limite; nei liquidi la libertà di movimento è ridotta, le particelle possono scorrere le une sulle altre ma non fluttuare liberamente come negli aeriformi; nei solidi le interazioni sono più forti e le particelle si mantengono quasi im- mobili, dando così al solido una forma e un volume proprio. a b 6. L’acqua, in natura, può presentarsi in ciascu- no di questi tre stati di aggregazione: aeriforme, come il vapore acqueo presente nell’atmosfera o quello che fuoriesce insieme all’acqua dai geyser (a); liquido, come quella che scorre nei fiumi e riempie laghi e mari (b); solido, nel ghiaccio (c).... in English passaggi di stato phase change c La propagazione del calore Un corpo più caldo trasmette, 4 I passaggi di stato spontaneamente, calore a un corpo più freddo, fino a quan- Se prendiamo del ghiaccio e lo portiamo a temperatura superiore a 0 °C, do i due corpi raggiungono la stessa temperatura. esso fonde e passa allo stato liquido. Riscaldando una pentola d’acqua, le Il calore si trasmette secondo molecole in superficie evaporano, passano cioè allo stato di vapore; quando la tre diverse modalità: 1. per conduzione; temperatura raggiunge i 100 °C l’acqua bolle, ossia tutte le molecole d’acqua 2. per convezione; contenute nella pentola, e non solo quelle in superficie, passano allo stato di 3. per irraggiamento. vapore e si formano grosse bolle di vapore che, attraverso la massa d’acqua, arrivano in superficie per liberarsi nell’aria. Questi processi avvengono per qualsiasi materiale: un solido, se riscaldato, può passare allo stato liquido e un liquido può passare allo stato aeriforme. PDF Leggere sull'eBook Ciò si verifica perché il calore aumenta lo stato di agitazione delle molecole e il loro stato di aggregazione dipende dal grado di libertà di movimento che Come si trasmette il calore le particelle possiedono: pressoché immobili allo stato solido, con un grado minimo di libertà nei liquidi e senza alcun limite al movimento allo stato aeriforme. 18 La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Ogni sostanza ha una sua precisa temperatura di fusione (punto di fusione): il ghiaccio si trasforma in acqua a 0 °C, mentre materiali normalmente solidi, come i me- talli, fondono a temperature elevate, superiori ai 500-1000 °C. Il passaggio inverso, da liquido a solido, è detto solidificazione e si ottiene Fare per apprendere raffreddando il liquido (per l’acqua si parla di congelamento). La curva di riscaldamento Il passaggio da liquido a vapore è detto vaporizzazione e può avvenire in e le soste termiche due modi: lentamente, alla superficie del liquido (evaporazione), o tumultuo- samente, in tutta la massa del liquido (ebollizione). Ogni liquido bolle a una precisa temperatura, chiamata punto di ebolli- zione, che varia con la pressione: l’acqua, per esempio, bolle a 100 °C a livello del mare, mentre in montagna, dove la pressione atmosferica è più bassa, bolle a una temperatura inferiore (per cuocere la pasta in montagna occorrerà più tempo, perché l’acqua in ebollizione ha una temperatura inferiore rispetto al Lo iodio cristallino (soli- livello del mare). do) libera vapori di iodio, Il passaggio inverso, dallo stato aeriforme allo stato liquido, si chiama senza passare allo stato condensazione, per i vapori, e liquefazione per i gas. liquido. Come si chiama questo Il passaggio diretto dello stato solido allo stato aeriforme è detto sublima- passaggio di stato? zione; anche il passaggio inverso da aeriforme a solido è detto sublimazione o anche brinamento. 7. I passaggi di stato. b r i n a me nto  c on de ns brina az  Per i gas il passaggio io n dallo stato aeriforme e allo stato liquido non avviene STATO AERIFORME rugiada spontaneamente ed è (VAPORE) detto liquefazione. s ol i di f ica zi  on La vaporizzazione  evaporazione va e dello strato superficiale po r iz di un liquido è detta za z io evaporazione. ne STATO È detta ebollizione LIQUIDO quando interessa tutta la massa del liquido. ebollizione f us on su i im e bl az ion STATO e SOLIDO 19 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze 5 I metodi di separazione dei miscugli Un miscuglio è costituito da componenti diverse, che possono essere separate e purificate per ottenere sostanze pure. A seconda del tipo di miscuglio, si utilizzano metodi diversi, che consen- tono di recuperare una o più sostanze presenti nel miscuglio. Per esempio, se vogliamo recuperare i sali minerali sciolti nell’acqua, è sufficiente far eva- Glossario porare tutta l’acqua; se, invece, vogliamo conservare l’acqua, sarà opportuno Sospensione: miscela nella quale un materiale è utilizzare la distillazione, che produce acqua distillata. disperso finemente in un Sostanze diverse hanno proprietà fisiche e chimiche diverse. Sfruttando altro materiale tanto da non sedimentare in tempi queste differenze, possiamo separare le diverse componenti del miscuglio. rapidi. Si distingue da una Possiamo per esempio estrarre la caffeina dal caffè, per ottenere il caffè decaf- soluzione perché la misce- la appare opaca (effetto feinato; oppure, distillare l’alcol e le sostanze aromatiche presenti nel vino per Tyndal), mentre le soluzioni produrre liquori distillati, come il cognac; o ancora, con un filtro, possiamo sono trasparenti. eliminare dall’acqua sostanze solide presenti in sospensione, e così via. 8. Il caffè decaffeinato viene ottenuto estraendo dal caffè la caffeina, una delle sostan- ze che lo compongono (a). Il cognac si ottiene per distilla- zione del vino e di altre so- stanze aromatiche (b). a b... in English Esaminiamo ora, dettagliatamente, i principali metodi di separazione dei filtrazione filtration miscugli: filtrazione; decantazione (sedimentazione e stratificazione); centrifugazione; estrazione; Distingui i miscugli omo- cromatografia; genei da quelli eterogenei: distillazione. latte, olio di semi vari, suc- co di frutta, fumo di siga- retta, sangue, acqua del 5.1 Filtrazione rubinetto. La filtrazione consente di separare da un miscuglio eterogeneo, liquido o Dopo aver letto i vari meto- di di separazione, individua gassoso, particelle solide presenti in sospensione. quali ritieni più adatti per Il miscuglio viene fatto passare attraverso una membrana (filtro) provvista separare le diverse com- di pori, dei forellini di diametro molto piccolo; il liquido (o il gas) è quindi ponenti di questi miscugli e spiega le tue scelte. in grado di attraversare il filtro, mentre le particelle solide, che hanno un dia- metro maggiore di quello dei pori, vengono trattenute dal filtro. 20 Il tipo di filtro viene scelto in base alle dimensioni delle particelle da trattene- Filtrazione re. Più piccoli sono i pori, più lenta è la velocità di filtrazione. I filtri di carta hanno pori di diametro compreso tra 1 micrometro (μm) e alcune decine di micrometri; filtri particolari, costituiti da membrane in ma- teriale plastico, sono in grado di trattenere particelle piccolissime, di qualche nanometro (milionesimo di millimetro!) di grandezza. 1. piegare un disco di carta da filtro a metà 2. ripiegarlo ancora a metà 1 3. arrotolarlo a cono 4. inserire il cono nell'imbuto per la filtrazione 10. Alcuni filtri particolari ven- gono utilizzati per bloccare le 5. filtrazione particelle solide presenti nelle emissioni dei gas di combu- stione delle industrie, mentre sono dei filtri meno complessi 9. Come effettuare la filtrazione: le particelle solide presenti nel miscuglio vengono trattenute nella quelli delle cappe aspiranti carta da filtro, mentre l’acqua filtra nel recipiente sottostante perché è in grado di attraversare i sottili delle cucine o degli impianti di pori nei quali le particelle solide sono rimaste intrappolate. climatizzazione dell’aria. Batteri e virus I batteri hanno dimensioni di qualche micrometro e posso- no essere trattenuti da filtri con pori di , μm di diametro, che vengono perciò utilizzati per ottenere acqua “batteriologica- mente pura”; tuttavia questi filtri non sono in grado di trattenere i virus, che hanno dimensioni molto più piccole e che vengo- no perciò chiamati anche “virus ultrafiltrabili”. Batteri. Virus. 21 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze 5.2 Decantazione La decantazione sfrutta la differente densità di due o più sostanze presenti... in English in un miscuglio eterogeneo. La sostanza più densa, per effetto del suo peso decantazione settling (sottoposta cioè all’attrazione gravitazionale), tende a depositarsi sul fondo, mentre quella meno densa rimane in superficie. La decantazione comprende: la sedimentazione, che consente di separare delle sostanze solide sospese in un liquido. Per esempio, se lasciamo “riposare” in un contenitore un miscuglio di acqua e sabbia (torbido), dopo un po’ di tempo la sabbia “sedimenta”, ossia si deposita sul fondo del contenitore, e l’acqua ritorna limpida ; 11. In un miscuglio torbido di ac- qua e sabbia, lasciato riposare (a), dopo un certo tempo le due com- ponenti si separano: la sabbia si deposita sul fondo per sedimenta- zione, mentre l’acqua, lentamen- te, ritorna limpida (b). a b la stratificazione, che consente di separare due liquidi di diversa densità. Immagina che si sia ve- rificata una fuoriuscita di Per esempio, mescolando velocemente acqua e olio, si ottiene un’emulsio- petrolio da una nave. ne costituita da finissime goccioline di olio disperse nell’acqua. Lasciando Cosa succede? Il petrolio riposare l’emulsione, i due liquidi si separano e formano due strati distinti: forma un miscuglio omo- geneo con l’acqua? l’olio, meno denso, si raduna al di sopra dell’acqua, più densa. Come si distribuisce rispet- to all’acqua? Utilizzando un imbuto separatore, è quindi possibile separare rapidamente questi due liquidi immiscibili (cioè che non si possono mescolare tra loro): il liquido più denso (in questo caso, l’acqua) viene fatto defluire aprendo il rubinetto che chiude inferiormente l’imbuto. 12. Mediante un imbuto separatore si posso- no separare due liquidi immiscibili (per esem- pio acqua e olio): il liquido meno denso (lʼolio) si separa formando uno strato al di sopra di quello più denso (lʼacqua); aprendo il rubinetto il liquido più denso (che si trova più in basso) defluisce prima di quello meno denso, che è più in alto (a). La stratificazione viene sfruttata dai barman per realizzare cocktail a strisce colorate, gra- zie alla diversa densità delle bevande che li compongono (b). a b 22  Lavare... l’acqua Negli impianti di depurazione delle acque, i liquami si raccolgono in grandi vasche di sedimentazione, nelle quali la sabbia si deposita sul fondo (dissabbiamento). Successivamente, in un’altra vasca, viene insufflata dell’aria, allo scopo di facilitare la stratificazione delle sostanze oleose, che si raccolgono in superficie e che possono così venire eliminate (disoleazione). Dopo altri processi di chia- rificazione, l’acqua depurata può essere nuovamente immessa nei fiumi. Alcune vasche di sedimentazione e stratificazione di un impianto di depurazione delle acque. 5.3 Centrifugazione La centrifugazione accelera i processi di decantazione, sottoponendo il mi-... in English scuglio a una rotazione molto veloce, che genera una forza centrifuga, centi- centrifugazione centrifugation naia o migliaia di volte maggiore della forza di gravità normalmente sfruttata per i processi di decantazione. Con la centrifugazione, per esempio, si separa la crema di latte (dalla quale si ottengono la panna e il burro) dal siero. Le centrifughe sono molto utilizzate nei laboratori, e consentono di sepa- rare le componenti più dense (che si depositano sul fondo delle provette) da quelle meno dense. Le ultracentrifughe generano forze che possono arrivare fino a 500.000 volte la forza di gravità, in grado di separare le diverse componenti cellulari, come il DNA, i mitocondri, i ribosomi ecc. 13. Una delle centrifughe comunemente utilizzate in un laboratorio di analisi. La macchina, ruotando molto velocemente, permette di separare le varie sostanze presenti nelle provette, separandole in strati sovrapposti a seconda della loro diversa densità. 23 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze 5.4 Estrazione L’estrazione consente di “estrarre”, ossia allontanare da un miscuglio, una particolare sostanza molto più solubile in un particolare solvente rispetto alle altre componenti del miscuglio stesso. Alcuni particolari solventi, per esempio, consentono di estrarre da fiori e piante gli oli essenziali utilizzati per la preparazione dei profumi , mentre dei solventi organici permettono l’estrazione della caffeina dal caffè crudo (per ottenere il caffè decaffeinato). 14. Estrazione di una sostan- za da un miscuglio median- te utilizzo di un solvente e dellʼimbuto separatore. 1. Versiamo nell’imbuto la miscela e il solvente. La sostanza da estrarre è molto solubile nel solvente e il solvente Estrazione di una ha una densità molto sostanza da un minore della miscela. miscuglio 2. Mescoliamo 4. Il liquido più denso viene eliminato aprendo il rubinetto dell’imbuto separatore. 3. Lasciamo riposare; i componenti della miscela si stratificano, 15. Olio essenziale estratto lasciando in alto il solvente con la sostanza da estrarre e, in per la realizzazione di un pro- basso, il liquido più denso. fumo. Glossario Capillaritˆ: fenomeno le- 5.5 Cromatografia gato all’interazione tra un liquido e un solido (forze Come l’estrazione, anche la cromatografia utilizza un solvente (fase mobile), di adesione del liquido alle che trascina i componenti del miscuglio attraverso un mezzo poroso inerte pareti del solido e forze di coesione delle molecole (carta, silice, allumina), che viene chiamato fase fissa. del liquido tra di loro), che Il solvente si muove per capillarità nella fase fissa, trascinando i componen- consente al primo di pro- cedere lungo i sottili pori o ti del miscuglio in esso disciolti, ciascuno con velocità diversa; se la fase fissa le pareti strette del secon- (il mezzo poroso da attraversare) è sufficientemente lunga, i componenti del do (come nel caso dei tubi capillari, da cui prende il miscuglio si separano: quello più veloce giunge alla fine del percorso, quelli nome il fenomeno). più lenti si fermano via via più indietro. 24  1 2 3 4 16. Cromatografia su carta. Utilizziamo alcuni coloranti per dimostrare come ogni colore sia in realtà una miscela di più colori: pren- diamo una goccia di ciascun colore (1); disponiamo i colori sulla carta da cromatografia ben allineati (e distanziati tra loro) a 1 cm dal fondo (2); immergiamo il bordo inferiore della carta cromatografica in un dito di acqua (l’acqua non deve toccare direttamente le gocce di colore); lasciamo “in ammollo” il bordo inferiore per 15-20 minuti (3): l’acqua risale lungo la carta e diluisce i colori, separandone le diverse componenti (4). Questa tecnica fu ideata dal botanico italo-russo Michael Tswett, per studia- re e separare i pigmenti vegetali come la clorofilla: un solvente (fase mobile) trascina in una colonna di vetro contenente polvere di allumina (fase fissa) i diversi pigmenti, che vengono frenati nella loro discesa dall’allumina; i diver- si componenti sono frenati in maniera diversa e migrano quindi con velocità diversa, separandosi progressivamente. Lungo la colonna di vetro si formano così degli anelli colorati ai quali si deve il nome della tecnica (cromatografia vuol dire infatti “scrittura con il colore”). 1 2 3 17. Cromatografia su colonna: le varie componenti da separare sono disciolte nel solvente (fase mobile), che viene versato lungo una colonna di vetro, contenente polvere di ossido di alluminio (fase stazionaria); poiché ciascuna componente scende lungo la colonna attraverso la polvere di ossido di alluminio con velocità diversa, se la colonna è abbastanza lunga le diverse componenti si possono separare completamente. 25 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze Le più moderne tecniche cromatografiche, realizzate mediante complesse ap- parecchiature, sono la gascromatografia, che utilizza come solvente un gas, e la cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC, High Pressure Liquid Cromatography), ottenuta, come dice il nome, mediante un liquido sottoposto ad alta pressione. 18. Gascromatografo: la mi- scela viene iniettata in una lunga colonna riscaldata ed evapora; un gas sotto pres- sione (elio) trascina le com- ponenti vaporizzate della miscela separandole tra loro, consentendone l’identificazio- ne tramite un rivelatore a cui sono collegati un monitor che evidenzia un tracciato (grafi- co) con vari “picchi”, ciascuno corrispondente a una partico- lare sostanza, e un registrato- re con un pennino che traccia il grafico. 5.6 Distillazione La distillazione sfrutta la diversa temperatura di ebollizione – o, meglio, la diversa volatilitˆ (cioè la tendenza di un liquido a evaporare, che è più elevata nei liquidi che bollono a bassa temperatura) – delle diverse sostanze presenti in un miscuglio liquido. La distillazione comprende due fasi successive: l’evaporazione del liquido e la condensazione del vapore. Nel recipiente in cui il miscuglio bolle, avviene l’evaporazione del liquido; successivamente, il vapore che si forma scorre in un tubo refrigerante, all’in- terno del quale condensa e ridiventa un liquido (distillato) che viene raccolto in un contenitore. 19. Schema di distillatore: la miscela da purificare viene ri- colonna di scaldata per liberare i vapori distillazione delle diverse sostanze, con la prevalenza della sostanza ingresso di acqua più volatile; i vapori passano di raffreddamento tubo nella colonna di distillazione, refrigerante poi vengono raffreddati e con- densano, ottenendo un liqui- miscela do distillato. uscita dell’acqua Bunsen 26 Se il miscuglio è costituito da un liquido (solvente) nel quale è sciolto un so-... in English lido (per esempio l’acqua del rubinetto, che contiene sali minerali), la distil- distillazione frazionatat fractional distillation lazione consente di ottenere la completa separazione delle due componenti: si può in questo caso ottenere l’acqua come sostanza pura (acqua distillata). Nella distillazione di una soluzione formata da due liquidi (per esempio, acqua e alcol) evaporano entrambi i liquidi, ma quello più volatile (l’alcol, in questo esempio) evapora più rapidamente e, una volta condensato il vapore, si ottiene un distillato che presenta una concentrazione maggiore del liquido più volatile: con questo sistema si producono i liquori distillati, come il co- gnac, la grappa, il whisky e il brandy. Per il petrolio, costituito da una miscela di idrocarburi, la distillazione consente di separare diverse frazioni a diversa volatilità, per cui si parla di distillazione frazionata. gas torre di frazionamento prodotti chimici carburante per auto carburante per aerei carburante per autotrasporti cera carburante per fabbriche e centrali elettriche petrolio residuo solido: vapore catrame per le strade 20. Distillazione frazionata del petrolio: il petrolio (o olio greggio) è Link una complessa miscela di idrocarburi e viene raffinata con un com- plesso processo di distillazione che porta alla separazione delle varie www.museoscienza.org/video/video.asp?video=45 componenti del petrolio in alcune frazioni (da cui il termine distillazione www.museoscienza.org/video/video.asp?video=46 “frazionata”), che sono ancora miscele di idrocarburi, ma più raffinate. www.museoscienza.org/video/video.asp?video=47 27 Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze ESERCIZI di autoverifica A Completa la seguente mappa concettuale inserendo le parole elencate 1. Composti 2. Miscugli omogenei 3. Sostanze pure 4. Miscugli eterogenei Corpi Porzioni di materia distinti in........................ Miscugli Separabili con mezzi fisici che comprendono se si osserva Filtrazione Elementi non.................... una sola fase più fasi Decantazione scomponibili scomponibili in sostanze in sostanze più Centrifugazione.................................. più semplici semplici attra- Estrazione................................................ verso procedi- menti chimici Cromatografia Distillazione B Completa la figura inserendo le parole mancanti............ 1. condensazione............... 2. fusione........ 3. solidificazione........... brina 4. brinamento..... 5. vaporizzazione....... STATO AERIFORME rugiada (VAPORE)............................. evaporazione............................... STATO LIQUIDO ebollizione......... su..... bl...... im az STATO io SOLIDO ne 28 C Se non lo sai, rileggilo alla pagina indicata 1. Che cos’è la materia? (pag. 14) 2. Che cos’è un sistema aperto? (pag. 15) 3. Che cos’è un miscuglio? e una sostanza pura? (pag. 15) 4. Che differenza c’è tra un elemento e un composto? (pag. 15) 5. Qual è la differenza tra miscugli omogenei ed eterogenei? (pag. 16) 6. Che cos’è una fase? (pag. 16) 7. Che cos’è una soluzione? Che cosa si intende per solvente? Che cos’è un soluto? (pag. 16) 8. Quali sono le caratteristiche dei tre stati di aggregazione? (pag. 17) 9. Che cosa sono la fusione e la vaporizzazione? (pag. 19) 10. Quali sono i principali metodi di separazione dei miscugli? (pagg. 20-27) D Completa le seguenti frasi inserendo le parole mancanti, scegliendole nell’elenco sottostante a. Un corpo è una porzione di................................................................................ b. L’acqua minerale è un miscuglio......................................................................... c. Una soluzione è costituita da due componenti: il solvente e i.............................................................. d. Il cloruro di sodio (il comune sale da cucina) è una..................................................................... e. L’emulsione di acqua e olio è un miscuglio............................................................ f. La distillazione sfrutta la diversa.................................... delle sostanze per separarle da un miscuglio. g. La............................................................................... è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. h. La................................ consente di separare particelle solide da un miscuglio eterogeneo liquido. i....................................................... e vapori sono comprimibili. j. Il passaggio di stato da liquido a vapore è detto............................................................................... k. Una.................................... è una porzione di materia delimitata, fisicamente distinguibile dalle altre. l. Il passaggio diretto da solido a vapore è detto................................................................., mentre il passaggio inverso, da vapore a solido, è detto.......................................................... m. L’estrazione utilizza un.................................................. per allontanare una sostanza da un miscuglio. n. La decantazione sfrutta la diversa............................................. di due o più sostanze di un miscuglio eterogeneo per separarle. o. La decantazione comprende la.............................................................. e la stratificazione. p. Un ………………….. è una sostanza pura scomponibile in sostanze elementari. 1. distillazione 8. sostanza pura 15. elemento 22. liquidi 2. fase 9. soluto/i 16. corpo 23. sublimazione 3. filtrazione 10. sosta termica 17. liquefazione 24. volatilità 4. soluzione 11. fusione 18. eterogeneo 25. materia 5. brinamento 12. composto 19. solvente 26. sedimentazione 6. vaporizzazione 13. gas 20. omogeneo 7. solvente 14. densità 21. solidi 29 ESERCIZI di autoverifica Capitolo 1 La struttura della materia: miscugli e sostanze E Indica se le seguenti affermazioni sono vere (V) o false (F) V F 1. La materia è tutto ciò che occupa uno spazio e che ha una massa. 2. La massa è la quantità di materia di cui è fatto un corpo. 3. Un corpo è una porzione di materia. 4. Un sistema chiuso non consente un flusso di energia da e verso l’ambiente. 5. Una formula chimica non è in grado di definire un miscuglio. 6. Un miscuglio è costituito da una o più sostanze. 7. Le soluzioni sono miscugli eterogenei. 8. In una soluzione riconosciamo due fasi: il solvente e il soluto. 9. L’acqua distillata è un miscuglio omogeneo. 10. Un sistema puro è sempre omogeneo. 11. Solo i solidi hanno forma propria. 12. La materia è costituita da particelle. 13. Un miscuglio non può essere definito mediante una formula chimica. 14. Acqua e sabbia formano un miscuglio omogeneo. 15. Il passaggio di un gas allo stadio liquido è detto liquefazione. 16. I liquidi non hanno volume proprio. 17. La sublimazione è il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore. 18. La filtrazione consente di separare l’acqua dai sali minerali disciolti. 19. L’estrazione utilizza solventi per separare sostanze diverse. 20. Gas e vapori sono aeriformi. 21. Il ghiaccio fonde a temperature intorno a 0 K. 22. L’ebollizione riguarda soltanto gli strati superficiali di un liquido. 23. La centrifugazione accelera i processi di decantazione. 24. La sedimentazione separa un solido in sospensione da un liquido. 25. La filtrazione sfrutta la diversa densità per separare i componenti di un miscuglio. 26. La decantazione comprende la sedimentazione e la stratificazione. 27. La distillazione prevede due passaggi di stato. 28. La cromatografia prevede una fase mobile e una fissa. 29. La cromatografia separa la fase mobile dalla fase fissa. 30. Solidi e liquidi non sono comprimibili. F Indica con una crocetta la risposta giusta tra quelle proposte 1. Passaggio di stato da vapore a liquido: 2. Posseggono una massa: a. vaporizzazione a. solidi b. condensazione b. solidi e liquidi c. evaporazione c. solidi, liquidi e aeriformi d. liquefazione d. liquidi e aeriformi 30 3. È un miscuglio omogeneo: 10. È un miscuglio eterogeneo: a. acqua distillata a. una soluzione b. sabbia b. l’acqua distillata c. emulsione acqua-olio c. il sale da cucina d. acqua minerale d. un’emulsione acqua-olio 4. Hanno una forma propria: 11. Separa miscugli sfruttando la diversa a. gas solubilità delle sostanze: b. solidi a. filtrazione c. liquidi b. estrazione d. aeriformi c. distillazione d. sedimentazione 5. Hanno un volume proprio: a. solidi e liquidi 12. L’acqua distillata è: b. solidi, liquidi e aeriformi a. una soluzione c. solidi b. un miscuglio eterogeneo d. liquidi c. una sostanza pura d. un’emulsione 6. Passaggio di stato alla superficie di un liquido: a. fusione 13. Comprende una fase fissa e una mobile: b. evaporazione a. la distillazione c. ebollizione b. la centrifugazione d. solidificazione c. l’estrazione d. la cromatografia 7. Separa l’acqua dai sali minerali: a. filtrazione 14. Separa sostanze aventi diversa densità: b. estrazione a. estrazione c. distillazione b. decantazione d. solvatazione c. distillazione d. filtrazione 8. Separa miscugli sfruttando la diversa volatilità delle sostanze: 15. Comprende due successivi passaggi di stato: a. estrazione a. cromatografia b. filtrazione b. distillazione c. distillazione c. filtrazione d. cromatografia d. sedimentazione 9. Utilizza una fase fissa e una mobile: 16. Sono comprimibili: a. filtrazione a. liquidi b. estrazione b. liquidi e gas c. distillazione c. gas e vapori d. cromatografia d. liquidi e solidi 31