Comprendere la materia: sostanze, miscugli, energia e calore

Definizione di sostanza pura

La materia è costituita da una sostanza pura o da un miscuglio

Una sostanza pura è una sostanza che ha una composizione chimica definita e proprietà misurabili che la caratterizzano.

All'insieme delle sostanze pure corrispondono gli elementi e i composti.
Un elemento è una sostanza pura non scindibile in sostanze pure più semplici. Un composto chimico è anch'esso una sostanza pura, ma è costituito da una combinazione di due o più elementi.

Ogni elemento chimico è rappresentato da un simbolo, per cui ogni composto chimico si può scrivere attraverso la combinazione dei simboli degli elementi che lo compongono; questa combinazione prende il nome di formula chimica. Ad esempio, l'acqua è un composto chimico costituito da idrogeno e ossigeno e ha la formula H2O dove H indica l'idrogeno e O l'ossigeno.

Miscugli omogenei ed eterogenei

Un miscuglio è formato da due o più sostanze mescolate tra loro e può essere omogeneo (nel quale caso prende nome di miscela) o eterogeneo.

La differenza tra gli elementi e i composti da una parte e i miscugli dall'altra risiede nella composizione: gli elementi e i composti sono sostanze pure con una composizione fissa, i miscugli presentano una composizione variabile. In un miscuglio omogeneo la composizione è identica in ogni punto del campione. In un miscuglio eterogeneo la composizione non è identica in ogni punto.

Proprietà fisiche della materia

Le caratteristiche attraverso cui si descrive la materia sono dette proprietà fisiche, che si possono osservare e misurare senza conoscere l'identità della sostanza.
La materia si presenta in natura in varie forme o stati di aggregazione. Tutte le sostanze si possono presentare sotto forma di liquidi, solidi e aeriformi.Un solido ha un volume e una forma ben definiti. Un liquido ha un volume definito, ma assume la forma del recipiente che lo contiene. Un aeriforme non ha volume né forma definiti, ma si espande per tutto il volume del recipiente che lo contiene e ne assume quindi la forma. Ogni sostanza può passare da uno stato all'altro. I passaggi avvengono in determinate condizioni di temperatura e pressione.

Trasformazioni fisiche e chimiche

Una trasformazione fisica non è la mutazione della composizione bensì dell'aspetto. Si ha invece una trasformazione chimica quando vi sono variazioni della composizione di una sostanza.
I metodi di separazione dei miscugli

La tecnica della filtrazione permette di separare sostanze che differiscono per il loro stato di aggregazione. E' infatti possibile dividere un miscuglio composto da una sostanza solida e da una liquida.

La centrifugazione è una tecnica usata talvolta al posto della filtrazione quando il miscuglio si presenta sotto forma di sospensione, cioè quando è costituito da un liquido e da particelle solide estremamente piccole. Il metodo consiste nel posizionare una provetta all'interno di una centrifuga, uno strumento che permette di far ruotare velocemente la provetta contenente il miscuglio. In questo modo la forza centrifuga costringe la parte solida e quella liquida di separarsi: la parte liquida rimane al di sopra di quella solida, che si deposita sul fondo della provetta.

Distillazione

Tecniche di distillazione

E' possibile separare sostanze caratterizzate da una differente temperatura di ebollizione. Il miscuglio è portato a ebollizione e le sue componenti trasformate in vapore che si fa condensare portandolo nuovamente allo stato liquido, grazie al passaggio in un refrigeratore; la parte raccolta è detta distillato. Esistono due tipi di distillazione:

- Semplice, opera a temperature al di sotto dei 150° ed è utilizzata per separare un liquido da una sostanza che ha difficoltà a passare allo stato aeriforme. Un esempio è la separazione dell'acqua da un sale disciolto in essa.

- Frazionata, è invece usata quando è necessario separare un miscuglio di due o più liquidi la cui temperatura di ebollizione differisca di meno di 25°C. In questa procedura, il miscuglio è riscaldato e fatto bollire; la prima sostanza a passare allo stato aeriforme è quella caratterizzata da una temperatura di ebollizione inferiore a quella delle altre sostanze presenti; le altre sostanze evaporano successivamente a temperature via via crescenti. Esempi di prodotti ottenuti sono la grappa, il brady, il rum e la vodka.

Energia potenziale e cinetica

L'energia è la capacità di un corpo di compiere lavoro o di produrre calore.

Energia cinetica ed energia potenziale

L'energia potenziale è quella immagazzinata in un corpo a seguito della sua posizione nello spazio e delle sue caratteristiche chimiche. L'energia cinetica è associata a un corpo in movimento: traslazione del baricentro, rotazione, oscillazione, movimento degli atomi e delle molecole.

Forme di energia e unità di misura

Calore e unità di misura

Il calore, o energia termica, è l'energia che fluisce da un copro più caldo a un altro più freddo. E' una forma di energia strettamente legata al moto delle particelle che costituiscono un corpo: più veloci si muovono, maggiore è il calore o l'energia termica della sostanza.

L'unita di misura dell'energia e del lavoro è il joule, cioè una quantità di energia molto piccola.

Un'altra unità di misura è la caloria. E'definita come la quantità di energia (o calore) necessaria per far aumentare da 14,5°C a 15,5°C la temperatura di 1g d'acqua.

Ogni sostanza può assorbire o cedere calore. Per farlo, alcune sostanze hanno bisogno di assorbire più calore rispetto ad altre per raggiungere la stessa temperatura. Il calore specifico rappresenta dunque la quantità di calore necessaria per fare aumentare di 1°C la temperatura di 1g di una sostanza.

Gli scambi di calore si misurano con il calorimetro.