Fondamenti di chimica: dalla materia alle miscele e separazioni

La chimica è una scienza sperimentale che studia la struttura della materia e le sue trasformazioni (reazioni chimiche).

Metodo scientifico e teorie

Le scienze sperimentali usano il metodo scientifico che consiste nell’effettuare un'osservazione su un fenomeno che avviene in natura o in un ambiente controllato (laboratorio), formulare un'ipotesi che lo spiega, progettare esperimenti che possono convalidare questa ipotesi che assurge, in caso di convalida, al livello di teoria o modello. Comunque, anche le teorie o modelli subiscono nel tempo, a seguito di altre osservazioni sperimentali, modifiche più o meno drastiche. Inoltre la serendipità o fortuna di fare una scoperta per caso gioca talvolta un ruolo essenziale.

Stati di aggregazione della materia

La materia è ciò di cui siamo fatti e che ci circonda, occupa un volume, ha una massa e possiede energia.

La materia si presenta solitamente in tre stati di aggregazione:

- stato solido dotato di un volume ed una forma propria come la calcite, CaCO3,(raffigurata sotto, simbolo in grassetto;

- stato liquido con un proprio volume ma con la forma fornita dal recipiente che lo contiene come l’acqua H2O;

- aeriforme (gas o vapore) che occupa tutto il volume a disposizione come l’aria.

Il plasma, gas ionizzato a temperature elevatissime, talvolta si considera anche come stato di aggregazione.

La materia è fatta di sostanze, raramente pure (per esempio la calcite o un pezzo di ghiaccio). Più frequentemente si presenta in miscele omogenee o soluzioni (esempi: l’aria, una lega come un anello d’oro, una soluzione contenente sale) o miscele eterogenee (sangue, latte).

Miscele omogenee e loro proprietà

Le miscele omogenee presentano un’unica fase e quindi non sono osservabili fasi diverse ne superficie di separazione tra fasi diverse. Inoltre presentano composizione costante e proprietà fisiche costanti, fermo restando che si possono fare infinite altre miscele delle stesse sostanze di diversa composizione e con diversi valori di proprietà fisiche. Per esempio, se prepariamo una soluzione sciogliendo 50 grammi di sale in 950 grammi di acqua, una qualunque porzione di questa soluzione sarà liquida, conterrà il 5% di sale e presenterà la stessa conducibilità elettrica, la stessa pressione osmotica e lo stesso innalzamento ebullioscopico.

Se poi prepariamo un’altra soluzione sciogliendo 20g di sale in 980g di acqua, diverse porzioni di questa soluzione conterranno sempre il 2% di sale e presenteranno una conducibilità, una pressione osmotica e un innalzamento ebullioscopio uguale tra di loro ma inferiore a quello osservato per la soluzione al 5%. Possiamo preparare tante altre miscele acqua sale e fare considerazioni simili. Quindi la miscela omogenea può avere composizione variabile in un intervallo più o meno grande (a seconda dei componenti) e valori differenti di certe proprietà fisiche.

Colloidi e miscele eterogenee

Un particolare tipo di miscele sono i colloidi in questo caso nel mezzo disperdente è sospesa una sostanza sotto forma di particelle piccolissime, di diametro tra 10-6 e 10-9 m, che tuttavia superano le dimensioni molecolari, (per esempio maionese, particelle di acqua in olio) oppure fumo o pulviscolo atmosferico (particelle solide in aria). Le particelle disperse risultano invisibili ma diffrangono la luce. Per esempio la luce di un proiettore passando attraverso il pulviscolo atmosferico da un caratteristico cono a causa delle diffrazione determinata dalle particelle.

Le miscele eterogenee presentano fasi distinte (in un pezzo di granito possiamo, per esempio, osservare parti diverse)

Separazione delle sostanze pure

Sia dalle miscele omogenee che da quelle eterogenee si possono ottenere le sostanze pure mediante metodi fisici. Ciò non è possibile per i composti, da questi infatti gli elementi si possono ottenere solo per reazioni chimiche o metodi elettrochimici.

Per esempio le miscele omogenee acqua cloruro di sodio NaCl possono separarsi per distillazione che permette di raccogliere l’acqua nel distillato mentre il cloruro di sodio rimane nel bollitore. Ancora una sospensione di particelle solide in acqua si può separare per filtrazione (altri metodi fisici comuni: cristallizzazione, la centrifugazione, la cromatografia).

L’acqua, invece, essendo un composto non può essere scissa negli elementi mediante metodi fisici ma si può scindere in idrogeno e ossigeno per elettrolisi (metodo elettrochimico) di soluzioni acquose contenente un opportuno elettrolita esempio solfato di sodio Na2SO4 oppure acido solforico H2SO4.

Anche NaCl essendo un composto può essere scisso negli elementi per elettrolisi del fuso come in figura

Anche l’ossido di mercurio essendo un composto dovrà essere scisso negli elementi con una reazione chimica che si può ottenere termicamente in questo caso basta riscaldare sopra 400 °C:

2HgO = 2Hg + O2.