Unità 3

1. Unità 3 La materia

3. L’aria e il metano sono, a temperatura e pressione ambiente, nello stato aeriforme. Sappiamo anche che l’aria, come pure il metano, può essere compressa in bombole. Questo è vero per tutti gli aeriformi, i quali risultano avere: Gli stati della materia • volume variabile in funzione della temperatura e della pressione; • forma variabile, poiché si adatta al recipiente in cui sono contenuti. U03 La materia Stati della materia

4. Le rocce, i mattoni e il ferro si presentano allo statosolido. I solidi hanno: • volume praticamente costante, variabile solo in piccolissima misura in funzione della temperatura; • forma propria, che può essere cambiata solo con severe sollecitazioni. U03 La materia Stati della materia

5. L’acqua, la benzina e il mercurio si presentano allo statoliquido. I liquidi hanno: • volume praticamente costante, variabile solo in misura modesta in funzione della temperatura; • forma variabile, che si adatta al recipiente in cui sono contenuti. U03 La materia Stati della materia

7. Quasi tutti i corpi che ci circondano possono presentarsi in ciascuno dei tre differenti stati fisici: ciò dipende dalla temperatura e dalla pressione alle quali essi si trovano. Quando, in seguito a una variazione della temperatura o della pressione, i corpi cambiano il loro stato, si dice che si è verificato un passaggio di stato. I passaggi di stato U03 La materia Passaggi di stato

8. U03 La materia Passaggi di stato

9. La temperatura alla quale avviene la fusione (temperatura di fusione) è uguale a quella alla quale avviene la solidificazione (temperatura di solidificazione), si mantiene costante durante i passaggi di stato, è caratteristica di una certa sostanza e assume valori diversi al variare della pressione. U03 La materia Passaggi di stato

10. Scaldando un liquido però, si nota che, quando questo raggiunge una certa temperatura, al suo interno si formano bolle di vapore che salgono velocemente alla superficie provocando un tumultuoso rimescolamento: è l’ebollizione. La temperatura alla quale avviene questo processo (temperatura di ebollizione) è caratteristica di ogni sostanza e dipende direttamente dalla pressione dell’ambiente sovrastante il liquido. U03 La materia Passaggi di stato

11. Esistono alcune sostanze, come le palline antitarme, che passano direttamente dallo stato solido allo stato aeriforme (vapore). Il fenomeno inverso può essere osservato nelle mattine invernali, quando il vapore acqueo presente nell’aria passa allo stato solido e tutto l’ambiente si ricopre di uno strato di brina bianca e lucente. U03 La materia Passaggi di stato

12. Questi tre passaggi avvengonocon cessione di calore verso l’ambiente esterno In generale, si può affermare che a determinate pressioni e temperature tutte le sostanze possono fondere, evaporare o sublimare assorbendo calore e, viceversa, solidificare, condensare o brinare cedendo calore. Questi tre passaggi avvengonocon assorbimento di calore dall’ambiente esterno U03 La materia Passaggi di stato

13. Per il momento, consideriamo che i costituenti di base di una sostanza siano delle generiche particelle, di tipo diverso per ogni corpo. Questa ipotesi sulla natura dei corpi ci consente di dare una buona interpretazione dei passaggi di stato che abbiamo descritto. U03 La materia Passaggi di stato

14. Tornando alla figura che conosciamo già... Ecco come si spiegano i differenti stati della materia. U03 La materia Passaggi di stato

15. Le particelle possono spiegare anche i due modi con cui può avvenire il passaggio da liquido ad aeriforme: per evaporazione o per ebollizione. L’evaporazione si ha quando le particelle si allontanano solo dalla superficie del liquido; l’ebollizione si verifica invece quando l’agitazione delle particelle è così elevata da consentire loro di passare allo stato di vapore da qualsiasi parte del liquido. U03 La materia Passaggi di stato

16. Sistemi e fasi Sistemi e fasi Una fase è una frazione di materia con caratteristiche costanti e limitata da confini netti. Per esempio, il sistema costituito da un bicchiere di bibita gassata con cubetti di ghiaccio è formato da quattro fasi: il vetro, la bibita, le bollicine di gas e il ghiaccio. Anche lo smog è costituito da più fasi: particelle solide inquinanti, goccioline finissime liquide e aria. In ogni caso, ciascuna delle fasi presenta caratteristiche proprie ed è nettamente distinguibile dalle altre. U03 La materia Passaggi di stato

17. Miscele eterogenee Molti dei sistemi che incontriamo ogni giorno sono di tipo eterogeneo. Miscele eterogenee Un esempio molto comune è l’asfalto, in cui piccoli sassi, spesso di diversa natura, sono mescolati con il bitume, una sostanza pastosa. Le diverse fasi sono visibili anche nel legno, costituito da strati di differente colore, o nella sabbia,la cui attenta osservazione ci rivela la presenza di granuli di vario aspetto. U03 La materia Miscele eterogenee

18. Altri esempi di miscugli… U03 La materia Miscele eterogenee

19. In certi sistemi, l’ osservazione a occhio nudo può portare a conclusioni errate. Il latte, per esempio, è di aspetto omogeneo, ma, se osservato al microscopio, si presenta formato da una gran parte di acqua, in cui sono finemente disperse minutissime gocce di grasso. Anche il latte è dunque un sistema eterogeneo. In una miscela eterogenea le differenti particelle sono aggregate in fasi diverse. U03 La materia Miscele eterogenee

20. Molte miscele eterogenee hanno nomi comuni U03 La materia Miscele eterogenee

21. Miscele omogenee Miscele omogenee Una miscela omogenea, oltre a presentarsi uguale in ogni sua parte, manifesta proprietà che rimangono costanti in ogni punto. Sotto questo aspetto, essa si comporta come una sostanza pura. La differenza si ha nella composizione, che è costante per una sostanza pura, mentre è variabile, entro certi limiti, per una miscela omogenea. U03 La materia Miscele omogenee

22. U03 La materia Miscele omogenee

23. La separazione dei componenti di una miscela Separazione delle miscele Per separare i componenti di una miscela ci si basa su trasformazioni fisiche. In altre parole, in una trasformazione fisica, le particelle che compongono le sostanze cambiano modo di aggregarsi o di disperdersi reciprocamente, ma non vengono modificate nella loro struttura interna. La sabbia sospesa nell’acqua mantiene inalterate le proprie caratteristiche e può essere filtrata utilizzando un materiale con pori di diametro intermedio tra le dimensioni delle particelle di solido e di liquido. U03 La materia Separazione miscele

24. Per separare un solido da un liquido, si può ricorrere anche alla filtrazione. Si versa il miscuglio su un materiale, o come si dice un “setto”, poroso (per esempio, carta da filtro), che presenti forellini microscopici, di diametro tale da lasciar passare solo il liquido. U03 La materia Separazione miscele

25. Per separare un solido da un liquido, si può ricorrere anche alla decantazione. La sospensione viene immessa in grandi vasche dal fondo conico, dalle quali viene estratto il deposito solido, mentre il liquido limpido depurato viene immesso nell’ambiente, facendolo tracimare dai bordi superiori. U03 La materia Separazione miscele

26. Per separare il componente liquido da una miscela omogenea liquido-solido, si porta la miscela all’ebollizione. I vapori del liquido che si liberano vengono convogliati in un apposito “refrigerante”, dove condensano per raffreddamento; dal refrigerante esce il liquido puro, detto distillato, che viene raccolto. La distillazione può essere semplice o frazionata. Con la distillazione semplice1 si può separare, per esempio, l’acqua marina in acqua e sale; con la distillazione frazionata 2 i componenti di una miscela omogenea liquido-liquido i cui punti di ebollizione siano vicini. U03 La materia Separazione miscele

27. Per separare due liquidi immiscibili che costituiscono un sistema a due fasi, si sfrutta la loro diversa solubilità in un determinato solvente. Il solvente scelto dovrà sciogliere selettivamente soltanto uno dei due liquidi, permettendo la completa separazione delle fasi. U03 La materia Separazione miscele

28. Un altro metodo per separare i componenti di una miscela è la cromatografia, che sfrutta la diversa affinità dei componenti della miscela verso due fasi diverse. Per attuare una separazione cromatografica, occorrono un’apposita colonna, detta colonna cromatografica, e le due fasi, dette rispettivamente “fase stazionaria” e “fase mobile”. U03 La materia Separazione miscele

29. U03 La materia Separazione miscele

30. Elementi e composti La materia è costituita da moltissime sostanze differenti tra loro, spesso mescolate nei modi più diversi. Questo spiega la grande varietà dei comportamenti dei sistemi naturali. Sulla base di quanto visto nel paragrafo precedente, diciamo che: Elementi e composti Una sostanza pura presenta caratteristiche ben definite, come la densità, il punto di fusione e quello di ebollizione, che si rivelano costanti per ogni suo campione. U03 La materia Elementi e composti

31. U03 La materia Elementi e composti

32. In ultima analisi, la materia è costituita da atomi di tipo diverso perché appartenenti a elementi diversi. Nel corso degli ultimi due secoli si sono isolati circa 90 elementi presenti in natura e sono stati prodotti una trentina di elementi artificiali. Ogni elemento viene indicato con un simbolo costituito dalla prima lettera (sempre maiuscola) del suo nome ufficiale latino, greco o di altra origine, seguita eventualmente da un’altra lettera (sempre minuscola) proveniente anch’essa dal nome; le due lettere vengono lette staccate. U03 La materia Elementi e composti

33. Raramente in natura gli atomi si presentano isolati. Gli atomi di un elemento allo stato solido, come per esempio il ferro, sono uniti a formare strutture tridimensionali regolari. Invece, molti degli elementi gassosi, come l’idrogeno e l’ossigeno, sono formati da gruppi di due atomi uguali. Anche a tali gruppi viene dato il nome di molecole. Il termine “molecola” non si applica dunque solo ai composti. Si è visto che un elemento è rappresentato con un simbolo. Analogamente, un composto si indica rappresentando la formula chimica della sua molecola. U03 La materia Elementi e composti

34. La formula chimica dell’ammoniaca, per esempio, è: NH3 (si legge “enne acca tre”) e ciò sta a indicare che ogni molecola di ammoniaca è formata da un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno, tutti uniti tra loro. Analogamente, la formula dell’acqua: H2O ( “acca due o”) indica che in ogni sua molecola due atomi di idrogeno sono legati a uno di ossigeno. Questa rappresentazione è valida anche per elementi che si presentano sotto forma di molecole. La formula dell’ossigeno (O2, “o due”), per esempio, ci dice che nella sua molecola sono presenti due atomi di ossigeno. U03 La materia Elementi e composti

35. Il numero di atomi con cui un elemento è presente in una molecola si indice. Esso viene indicato scrivendolo in basso a destra del simbolo dell’elemento (l’indice uno viene sempre sottinteso). L’indice può essere riferito anche a gruppi di atomi presenti più volte nella molecola. Per esempio, la formula dell’idrossido di alluminio: Al(OH)3 (“a elle o acca preso tre volte”) indica che in ogni sua molecola sono presenti tre gruppi formati ciascuno da un atomo di ossigeno e da uno di idrogeno. U03 La materia Elementi e composti

36. Le reazioni chimiche Vi sono trasformazioni che modificano la materia in modi molto più profondi. Per esempio, lo zucchero, riscaldato, prima fonde e poi forma dei vapori e lascia come residuo una poltiglia nerastra, il caramello. Reazioni chimiche Se si continua a riscaldare, lo zucchero scompare. Al suo posto restano due sostanze con nuove caratteristiche: acqua e carbonio. Il calore che abbiamo fornito allo zucchero ha provocato una reazione chimica. U03 La materia Reazioni chimiche

37. U03 La materia Reazioni chimiche

38. Molto spesso una trasformazione chimica, quando avviene, dà segnali evidenti, come per esempio l’effervescenza, il cambiamento di colore, l’intorbidamento di una soluzione, la produzione di calore o il raffreddamento o l’esalazione di odori. A volte, però, la reazione avviene senza manifestazioni sensibili. U03 La materia Reazioni chimiche

39. Attorno a noi Attorno a noi U03 La materia Attorno a noi

40. U03 La materia Attorno a noi

41. U03 La materia Attorno a noi

42. U03 La materia Attorno a noi

43. U03 La materia Attorno a noi

44. La materia può essere ricondotta a quattro grandi categorie: miscugli, soluzioni, composti ed elementi. Il diagramma di flusso sottostante riassume quanto abbiamo detto finora a proposito dei sistemi omogenei ed eterogenei e sulla separabilità di questi ultimi. U03 La materia Attorno a noi