Elementi base di chimica

Elementi di chimica e didattica della chimica

Corso semestrale - 4 cfu

Docente: Geatti Paola

N.B. Non sono previste domande inerenti la struttura dell’atomo (es. teoria di Schroedinger) o la cinetica e la termodinamica chimica.

Miscugli

La materia può presentarsi sotto forma di miscugli o di sostanze pure: spiegare, riportando alcuni esempi.

I miscugli a loro volta possono essere di tipo omogeneo o eterogeneo...

Le sostanze pure possono essere classificate come sostanze elementari o sostanze composte: commentare, riportando alcuni esempi.

• Illustrare alcuni metodi conosciuti per separare i miscugli eterogenei.
• Illustrare alcuni metodi conosciuti per separare i miscugli omogenei.
• Dati alcuni esempi di miscugli (materiale x e materiale y), dire se si tratta di miscugli omogenei o eterogenei.
• Dato il materiale X, dire se si tratta di una sostanza pura o di un miscuglio (omogeneo o eterogeneo).

La materia si divide in sostanze pure (o sostanze elementari o elementi) e miscugli (o sostanze composte o miscela di sostanze). Una sostanza pura è una specie chimica costituita da un unico tipo di molecole, con proprietà fisiche e chimiche definite e costanti. Esempi di proprietà fisiche sono la temperatura di ebollizione/fusione, il peso specifico, il magnetismo, la densità, il calore latente, il calore specifico, la malleabilità e la duttilità; esempi di proprietà chimiche sono la reattività, la basicità, l’acidità e tutte le proprietà che si riferiscono alle interazioni con altre sostanze in seguito alle quali la materia cambia natura, e con composizione chimica costante. Il significato di sostanza viene definito con precisione adottando un punto di vista microscopico (modello particellare della materia).

Una sostanza pura può essere detta:

• Elementare se: non può essere scomposta, anche con metodi chimici, in sostanze più semplici (approccio macroscopico); se la molecola, unità base della sostanza, è costituita da atomi di uno stesso tipo, di un unico elemento (approccio microscopico). Sono dette anche elementi. In natura sono presenti 92 elementi, di cui 25 indispensabili alla vita e di cui 6 costituiscono il 98% della massa degli organismi (Ossigeno, Carbonio, Idrogeno, Azoto, Calcio e Fosforo). Altri esempi sono l’elio, il ferro, il magnesio, il potassio, lo zinco, il rame, il nichel, lo zolfo, il cloro, il sodio.
• Composta se: può essere scomposta, con metodi chimici, in sostanze più semplici (approccio macroscopico); se la molecola è costituita da atomi di tipo diverso, da più elementi (approccio microscopico). Sono dette anche composti. Esempi sono l’acqua, lo zucchero, il sale, l’anidride carbonica, il metano. Con metodi chimici le sostanze composte possono essere scisse in sostanze elementari.

Un miscuglio è un sistema formato da due o più componenti o, in altre parole, un insieme di due o più sostanze a contatto senza che avvengano reazioni chimiche.

Un miscuglio può essere:

• Omogeneo: i componenti che lo formano si trovano mescolati in modo uniforme, a livello molecolare. Le proprietà del miscuglio omogeneo sono le stesse in qualunque parte del campione. I componenti non sono più distinguibili (né ad occhio nudo, né al microscopio). Il sistema si presenta in un'unica fase, le particelle hanno diametro < 1 nm. Un miscuglio omogeneo viene anche definito soluzione.

In una soluzione il componente presente in quantità maggiore viene definito solvente, gli altri soluti. A seconda dello stato fisico in cui si presentano, possiamo distinguere:

• Soluzioni liquide
• Soluzioni in fase gassosa
• Soluzioni in fase solida

• Eterogeneo: i componenti che lo formano non sono mescolati in modo uniforme, tanto che si possono facilmente distinguere, ad occhio nudo o con l’aiuto del microscopio. Le particelle costituenti hanno diametro > 1 nm. Posso avere vari tipi di miscugli eterogenei:

Miscuglio solido-solido (es. granito, formato da biotite, feldspato, quarzo e orneblenda)

Miscuglio solido-liquido (le sospensioni, come acqua e sabbia; è una dispersione)

Miscuglio liquido-liquido (le emulsioni, come acqua e olio; è una dispersione)

Miscuglio liquido-gas (es. panna montata e tutte le schiume; è una dispersione)

Miscuglio gas-liquido (es. nebbia; è una dispersione)

Miscuglio gas-solido (es. fumo da combustione; è una dispersione)

Miscuglio solido-gas (es. pietra pomice)

Le dispersioni hanno particelle di diametro maggiore di 1 μm (micrometro) e sono le schiume (liquido-gas), le emulsioni (liquido-liquido), le sospensioni (liquido-solido), le nebbie (gas-liquido) e i fumi (gas-solido).

(nota: il primo elemento è il disperdente, quello presente in maggiore quantità)

A confine tra miscugli omogenei ed eterogenei vi sono i collodi: costituiscono una classe di materiali che ha, dal punto di vista macroscopico, caratteristiche intermedie tra quelle dei miscugli eterogenei e quelle dei miscugli omogenei. Sono classificabili come miscugli eterogenei. Con particelle dal diametro inferiore a 1 μm (micrometro) sono:

• Emulsione colloidale (fase dispersa: liquido; fase continua: liquido)
• Aerosol liquido (fase dispersa: liquido; fase continua: gas)
• Aerosol solido (fase dispersa: solido; fase continua: gas)
• Schiuma colloidale (fase dispersa: gas; fase continua: liquido)
• Sol (fase dispersa: solido; fase continua: liquido)
• Schiuma solida (fase dispersa: gas; fase continua: solido)
• Gel (fase dispersa: liquido; fase continua: solido)
• Sospensione solida colloidale (fase dispersa: solido; fase continua: solido)

(nota: la fase continua è la fase presente in maggiore quantità)

Una dispersione colloidale si distingue da una soluzione per l’effetto Tyndall: un raggio luminoso viene deviato dalle grandi particelle della fase dispersa favorendo una luminosità diffusa. Se la fase disperdente, liquida o gassosa, prevale sulla solida, si ha un sol. Se prevale la fase solida sulla fase disperdente, si ha un gel.

N.B.

• Elemento: sostanza pura che non può essere scomposta in sostanze più semplici
• Composto: sostanza pura che può essere scomposto in sostanze più semplici
• Sistema puro: sistema costituito da una sola sostanza
• Miscuglio: insieme di due o più sostanze a contatto senza che avvengano reazioni chimiche
• Miscuglio omogeneo: miscuglio i cui componenti non sono più distinguibili e che si presenta in una fase
• Miscuglio eterogeneo: miscuglio i cui componenti sono facilmente distinguibili e che è costituito da due o più fasi
• Fase: si definisce fase una porzione di sistema, fisicamente distinguibile dal resto del sistema e delimitata, caratterizzata dalle medesime proprietà in ciascun punto (ha proprietà intensive uniformi). Quando un sistema è costituito da una sola fase si dice che è omogeneo. Quando un sistema è costituito da due o più fasi si dice che è eterogeneo.

Metodi per la separazione di miscugli eterogenei

I componenti di un miscuglio possono essere separati con mezzi fisici. Per separare un miscuglio nei suoi componenti se ne sfruttano le differenze, le diversità che ognuno di essi presenta riguardo una o più proprietà.

Esempi di tecniche fisiche:

• Decantazione: i componenti di stratificano in ordine di densità, utilizzata per separare componenti con densità diversa. È una tecnica utilizzata in prevalenza quando si vuole separare una fase solida da una liquida.
• Filtrazione: utilizzata per separare componenti con dimensioni differenti, attraverso l’impiego di un filtro o di un setaccio (in questo caso si parla di setacciatura). Il componente che possiede dimensioni minori dei pori del filtro lo attraversa verso il basso sotto la spinta del suo peso.
• Centrifugazione: tecnica assimilabile tanto alla decantazione quanto alla filtrazione, in quanto può separare componenti sia in base alla densità sia alle dimensioni. La miscela da separare, che deve comprendere almeno un componente liquido, viene messa in rapida rotazione in un apparecchio detto centrifuga; a causa della forza centrifuga tutti i componenti vengono spinti verso l’esterno, con intensità tanto maggiore quanto più alta è la loro densità. Si ottiene così una stratificazione di densità analoga a quella che avremmo per decantazione, ma in un tempo molto minore. In presenza di un filtro, come avviene nella lavatrice, i componenti vengono separati in base alle dimensioni.
• Separazione magnetica: si basa sulla proprietà, posseduta dai materiali ferromagnetici, di essere attratti dalla calamita.
• Estrazione con solvente: si basa sul fatto che alcune sostanze si sciolgono in determinati solventi più facilmente di altre (proprietà utilizzata: solubilità). In altre parole, è una tecnica per purificare sostanze solide o soluzioni mediante un solvente che scioglie selettivamente il composto desiderato.
• Dissoluzione seguita da cristallizzazione: il miscuglio solido-solido viene sciolto nella minima quantità di solvente a caldo, sfruttando il fatto che la maggior parte dei liquidi è più solubile a caldo che a freddo. Il tutto viene filtrato, per allontanare impurezze eventuali. Raffreddando lentamente il filtrato (la fase liquida), la sostanza presente in quantità maggiore si separa sotto forma di cristalli, l’impurezza rimane in soluzione.

Metodi per la separazione di miscugli omogenei, esempi di tecniche

• Distillazione semplice, frazionata e a pressione ordinaria: la distillazione permette di separare i componenti di un miscuglio omogeneo sfruttando la loro diversa volatilità e quindi la diversa temperatura di ebollizione. Il componente più volatile diventa vapore per primo, e giunge ad un dispositivo raffreddato con acqua, il refrigerante, dove subisce un secondo passaggio di stato, la condensazione, e quindi si raccoglie come liquido puro nel recipiente di raccolta. Quando sono presenti più componenti liquidi, con temperature di ebollizione diverse, ma che non differiscono tra loro per più di 25°C, si parla di distillazione frazionata perché si eseguono una serie n di cicli di evaporazione/condensazione. Nel momento in cui si devono separare liquidi le cui temperature di ebollizione sono inferiori a 150°C si utilizza la distillazione a pressione ordinaria, in quanto, a temperature superiori, i liquidi potrebbero subire decomposizione termica. In altri termini, la distillazione è la tecnica per separare i componenti di una miscela di liquidi o di purificare uno di essi mediante una successione di processi di evaporazione e condensazione.
• Cromatografia: tecnica che permette di separare i componenti di un miscuglio omogeneo sfruttando la loro diversa velocità di spostamento su una base fissa (per lo più solida, ma anche liquida), quando vengono trascinati da un eluente, la fase mobile. La diversa velocità di spostamento è legata alla diversa affinità di ciascuno per fase fissa e fase mobile.

Fase fissa: ad esempio striscia di carta porosa, allumina o gel di silice

Fase mobile: solvente o miscela di solventi (ad esempio acqua, metanolo, etere dietilico)

• Cristallizzazione: il miscuglio viene sciolto nella minima quantità di solvente a caldo e successivamente fatto raffreddare; durante il raffreddamento si ha che la sostanza presente in quantità maggiore si separa sotto forma di cristalli, l’impurezza rimane in soluzione. Viene utilizzata prevalentemente per purificare sostanze solide.

È possibile passare da elementi a composti attraverso trasformazioni chimiche, da composti a miscugli omogenei attraverso trasformazioni fisiche e da miscugli omogenei ad eterogenei sempre attraverso trasformazioni fisiche.

Trasformazioni fisiche e chimiche della materia

Spiegare la differenza tra trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche della materia, portando alcuni esempi. Vi sono variazioni di massa nel corso della trasformazione?

Non trovo riferimenti nello slide, né dal libro, quindi prendo da internet.

Trasformazione fisica: comporta solo un cambiamento di una specifica proprietà fisica senza alcuna modificazione nella composizione della sostanza. Tali cambiamenti sono reversibili e se la causa che li ha prodotti viene rimossa, lo stato originale viene ripristinato. Sono esempi di trasformazioni fisiche i passaggi di stato -> nei passaggi di stato i legami che formano le molecole rimangono intatti e quello che si modifica è la forza con la quale le molecole interagiscono tra loro: nello stato solido le interazioni sono molto forti e pertanto le molecole presentano posizioni definite, nello stato liquido le interazioni sono più deboli e variabili, ma ancora fortemente attrattive, nello stato aeriforme le forze sono talmente piccole che non c’è più effettiva coesione tra le molecole che pertanto tendono ad occupare tutto lo spazio a disposizione. Altro esempio di trasformazione fisica è la dissoluzione dello zucchero in acqua.

Trasformazioni chimiche: le sostanze nelle trasformazioni chimiche subiscono modificazioni profonde che interessano la loro stessa composizione, sicché alcune sostanze scompaiono ed al loro posto se ne formano di nuove (prodotti). Oppure in altre parole la trasformazione chimica cambia l’identità della sostanza. Le trasformazioni chimiche sono dette comunemente dette reazioni chimiche. Uno degli esempi più semplici di trasformazione chimica è la formazione della ruggine: lasciando un pezzo di ferro all’aria questo si arrugginisce -> a livello molecolare gli atomi di ferro interagiscono con le molecole di ossigeno atmosferico per formare una nuova sostanza, l’ossido di ferro, le cui proprietà sono diverse da quelle degli elementi di cui è composto. Poiché nelle trasformazioni chimiche si modificano le sostanze che costituiscono il sistema si determina inevitabilmente un cambiamento nel patrimonio di energia del sistema stesso.

Riassumendo:

• Trasformazioni fisiche
  • Non si formano nuove sostanze
  • La trasformazione è temporanea e reversibile
  • Il risultato della trasformazione è soltanto una variazione della proprietà fisica delle sostanze di partenza
  • La massa delle sostanze è costante
• Trasformazioni chimiche
  • La trasformazione porta alla formazione di nuove sostanze
  • La trasformazione è generalmente permanente e irreversibile
  • A causa della formazione di nuove sostanze, le proprietà chimiche e fisiche saranno differenti da quelle di partenza
  • Le masse delle nuove sostanze formate saranno differenti anche se la massa totale rimane invariata

Vi sono variazioni di massa nel corso della trasformazione?

Nelle trasformazioni fisiche la massa delle sostanze è costante; nelle trasformazioni chimiche le masse delle nuove sostanze formate sono differenti anche se la massa totale rimane invariata.

Esistono casi in cui la distinzione tra trasformazioni chimica e fisica non è chiara, come ad esempio la dissoluzione del sale in acqua. A livello microscopico, nella soluzione ottenuta si ha la presenza di ioni sodio e cloro separati l’uno dall’altro. Non abbiamo quindi la formazione di nuova sostanza tanto che non si può dire sia avvenuta una trasformazione chimica. Ma non abbiamo nemmeno la sostanza nella sua forma originale e pertanto la trasformazione viene detta fisica, in quanto è possibile recuperare il sale dall’acqua tramite evaporazione del solvente.

Parentesi: proprietà

Le proprietà fisiche sono caratteristiche osservabili e misurabili senza che venga mutata l’identità della sostanza in esame. Esempi di proprietà fisiche sono la massa, il volume, la durezza, il colore, la temperatura di ebollizione, la temperatura di fusione, la conducibilità elettrica, il calore specifico.

Le proprietà fisiche possono essere distinte in:

• Proprietà estensive: sono le proprietà che dipendono dalla dimensione del campione, ovvero dalla quantità di materia (es. volume, massa, lunghezza)
• Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità di materia o dalle dimensioni del campione, ma soltanto dalla natura del sistema e dalle condizioni nelle quali si trova (temperatura di fusione/solidificazione, temperatura di ebollizione/condensazione, magnetismo, peso specifico, densità)

Ho poi proprietà chimiche: riguardano la capacità di interagire con altre sostanze (ad esempio reattività con l’ossigeno, reattività con l’acqua, reattività agli acidi). Le proprietà chimiche di una sostanza sono quelle relative alla sua capacità di dar luogo a reazioni chimiche.

Ho ancora proprietà organolettiche: possono essere percepite e valutate dagli organi di senso (sapore, colore, odore, ecc.)

Le particelle in chimica: atomi, molecole e ioni

Illustrare, riportando alcuni esempi, a quali specie chimiche ci si riferisce quando si parla delle particelle sopra elencate.

N.B. specie chimica: qualunque insieme di oggetti chimici (atomi, molecole, ioni, particelle) identiche. Sono quindi esempi di specie chimiche un insieme di molecole d’acqua, di molecole di cloro, di atomi di elio, di fotoni -> questo perché il termine si utilizza per indicare un insieme di entità definite studiate dalla chimica.

Atomo: composto da una parte centrale chiamata nucleo, carico positivamente, e da una parte periferica, dove vi sono gli elettroni, carichi negativamente. Il nucleo è composto da protoni, particelle caricate positivamente, e da neutroni, particelle prive di carica: protoni e neutroni sono detti nucleoni.