Chimica per il liceo/La materia/Sintesi

Che cos'è la materia?

La materia materia è tutto ciò che occupa uno spazio e possiede una massa, e può essere percepito con i nostri sensi.

La bottiglia si può considerare un sistema

Per studiare le proprietà della materia si prende in considerazione di volta in volta una sua porzione delimitata, chiamata sistema.

Un sistema è una porzione delimitata di materia che è oggetto di studio, separata dall'esterno da un confine reale o immaginario.

Se osserviamo attentamente quello che abbiamo intorno ci rendiamo conto che esistono diversi tipi di materia, che comunemente chiamiamo “materiali”, che hanno delle caratteristiche che li rendono adatti ai vari utilizzi e sono costituiti o da una o più sostanze pure (es. l'acqua) dotate di precise proprietà chimiche, o da miscugli di sostanze pure (es. acciaio = ferro + carbonio). In natura una sostanza perfettamente pura in realtà non esiste.

I componenti delle sostanze pure: elementi e composti

Dispositivo per l'idrolisi dell'acqua

La materia dunque è fatta da sostanze pure o da miscugli di esse: una sostanza pura può a sua volta essere un composto o un elemento.

Un elemento è una sostanza che non può essere scomposta mediante reazione chimica in sostanze più semplici né con metodi chimici né fisici.

L’acqua invece è un composto poiché può essere scomposta in idrogeno e ossigeno mediante elettrolisi.

Un composto è una sostanza che può essere scomposta in due o più sostanze elementari attraverso metodi chimici o fisici. Possiede una precisa formula chimica. (es. H₂O).

Le proprietà chimiche e fisiche dei composti sono sempre diverse rispetto a quelle degli elementi che li costituiscono, si tratta infatti di sostanze diverse. Ad ogni elemento chimico è assegnato un nome (es. ferro, idrogeno, carbonio, calcio), e un simbolo (es. Fe, H, C, Ca).

Nome elemento	Nome latino	Simbolo	Etimologia
Azoto	Nitrogenum	N	dal greco a=non e zon=vita
Elio	Helium	He	dal greco Helios=Sole
Sodio	Natrium	Na	da latino Sodium=soda
Carbonio		C	dal latino carbo-carboonis= carbone
Mercurio	Hydrargyrum	Hg	dal lat. mediev. mercurius (pianeta e divinità) Hydra-argyrum = acqua d’argento
Oro	Aurum	Au	dal latino aurum

Anche i composti possono venire rappresentati in modo simbolico mediante una formula chimica. La formula chimica dell’acqua, che tutti conosciamo, è H₂O, si legge “acca-due-o” e sta ad indicare che in ogni molecola d’acqua ci sono due atomi di idrogeno legati ad uno di ossigeno (i concetti di atomo e molecola, le particelle fondamentali della materia, saranno approfonditi in seguito).

Struttura della materia: proprietà fisiche e chimiche e modello particellare

Come abbiamo visto in precedenza, ogni sostanza possiede un insieme di caratteristiche che la rendono diversa da tutte le altre. Queste caratteristiche si suddividono in due diversi tipi di proprietà: le proprietà fisiche e le proprietà chimiche.

Le proprietà fisiche sono caratteristiche direttamente percepibili dai nostri sensi, come il colore, la forma, l’odore, o che possono essere determinate mediante appositi strumenti senza che si verifichi un cambiamento della composizione chimica della sostanza. Si tratta di proprietà osservabili a livello di corpi, di oggetti e di sistemi di dimensioni discrete, sono quindi proprietà macroscopiche della materia.

Le proprietà chimiche sono legate invece ai cambiamenti di composizione della materia. Possono essere determinate solo durante le trasformazioni chimiche, o reazioni, che alterano la composizione chimica delle sostanze coinvolte trasformandole in altre. Quando si parla di caratteristiche chimiche di fatto ci si riferisce ad un’unica caratteristica, la reattività, ovvero il modo in cui la sostanza reagisce. Le proprietà chimiche delle sostanze sono proprietà microscopiche, che non siamo in grado di osservare direttamente: per fare un esempio, possiamo osservare direttamente che l’acqua è un liquido trasparente incolore (proprietà fisiche) ma non siamo in grado di capire che l’acqua è costituita da idrogeno e ossigeno (proprietà chimica) solo sulla base di una semplice osservazione .

Atomi di silicio visti al microscopio a effetto tunnel

Nell’ambito di questo modello ciascuna sostanza è diversa dalle altre perché diverse sono le particelle, atomi e molecole, che la costituiscono.

Come detto in precedenza, tutta la materia, nonostante i milioni e milioni di sostanze presenti in natura o prodotti dall’uomo, è riconducibile a un centinaio di elementi di base. Sulla base del modello particellare possiamo dare un’altra definizione di elemento: ogni elemento è costituito da atomi di uno stesso tipo, che hanno cioè identiche proprietà chimiche. In pratica, se immaginiamo di prendere un campione di un qualsiasi elemento chimico puro, per esempio un blocco di ferro, e di scomporlo in porzioni sempre più piccole arriveremo alla fine a una singola particella, l’atomo, che conserva tutte le proprietà chimiche dell’elemento ferro.

Gli elementi chimici in generale sono formati da atomi, alcuni (idrogeno, ossigeno, azoto, fluoro, cloro, bromo, iodio) sono costituiti da atomi legati in coppie (molecole): H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Una molecola è un gruppo di due o più atomi legati da legami covalenti che possiede proprietà chimiche caratteristiche.

La maggior parte delle sostanze sono composti, con una composizione definita a cui partecipano atomi di diversi elementi. I composti hanno quindi molecole costituite da atomi di natura diversa.

L'acqua è una sostanza formata da molecole: ogni molecola è formata da due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno

In base a quanto detto:

la molecola è la più piccola parte di un elemento (vd. casi particolari) o di un composto che conserva le proprietà chimichedell’elemento o del composto stesso.

Possiamo ora comprendere meglio il significato di proprietà macroscopiche e proprietà microscopiche della materia: un singolo atomo o una singola molecola di un composto conservano tutte le proprietà chimiche della sostanza da cui provengono. Le proprietà chimiche delle sostanze sono proprietà microscopiche perché dipendono dalla natura degli atomi e delle molecole che costituiscono le sostanze.

Un singolo atomo o una singola molecola non possiedono invece le proprietà fisiche caratteristiche dell’elemento o del composto da cui provengono: è privo di significato parlare di colore o di temperatura di ebollizione di una singola molecola d’acqua! Le proprietà fisiche di una sostanza sono proprietà macroscopiche perché derivano dagli effetti cooperativi di un enorme numero di atomi o di molecole.

Le proprietà fisiche

Secondo il modello particellare le proprietà fisiche sono quindi le proprietà tipiche di un agglomerato di particelle che vengono determinate in porzioni di materia che possiamo vedere e toccare. Alcune di queste proprietà dipendono dalle condizioni di temperatura e pressione a cui è sono osservate, come nel caso dello stato fisico.

Le proprietà fisiche delle sostanze possono essere classificate in proprietà intensive e proprietà estensive: sono proprietà intensive quelle che non dipendono dalle dimensioni del campione in esame, come ad esempio il colore di una sostanza o lo stato fisico, mentre sono proprietà estensive quelle che dipendono dalle dimensioni, come la massa e il volume.

Le proprietà chimiche delle sostanze sono sempre intensive.

La principale proprietà fisica della materia: lo stato di aggregazione

Lo stato fisico delle sostanze è una delle caratteristiche principali che possiamo osservare direttamente nella materia che ci circonda: per esempio l’acqua, l’olio e l’aceto sono liquidi mentre il legno o una barra di ferro sono solidi. Solido e liquido sono due degli stati fisici in cui la materia si presenta. Il terzo stato fisico, quello aeriforme, è molto meno evidente ai nostri sensi: è quello che caratterizza l’aria che ci circonda o che è contenuto in un palloncino.

Sostanze diverse, a parità di condizioni ambientali, possono trovarsi in stati fisici diversi, per esempio a 20 °C l’acqua è liquida mentre il ferro è solido. D’altro canto lo stato fisico di una sostanza dipende dalle condizioni ambientali: l’esempio più comune è quello dell’acqua, che è solida nella vaschetta del ghiaccio del freezer a -18°C, liquida a temperatura ambiente e aeriforme sopra una pentola in ebollizione.

Ogni stato fisico presenta caratteristiche specifiche:

• i solidi hanno volume e forma propri e, se sottoposti a pressione, non si lasciano comprimere (cioè non modificano il proprio volume se sottoposti ad un aumento di pressione a temperatura costante);
• i liquidi hanno un volume proprio ma non la forma, infatti assumono la forma del recipiente che li ospita e come i solidi sono incomprimibili;
• gli aeriformi possono essere facilmente compressi, quindi non hanno né forma né volume propri in quanto occupano completamente il recipiente che li contiene.

Liquidi ed aeriformi per la loro tendenza a “fluire”, cioè a modificare la loro forma, vengono anche detti fluidi.

La temperatura critica

È la temperatura di una sostanza aeriforme al di sopra della quale non può essere liquefatta per semplice compressione

Lo stato aeriforme, a sua volta, può presentarsi come gas o come vapore, a seconda della temperatura alla quale si trova la sostanza. Se l’aeriforme si trova al di sotto della temperatura critica, può passare allo stato liquido o solido per sola compressione. In questo caso l’aeriforme viene detto vapore.

Se invece l’aeriforme si trova al di sopra della temperatura critica si parla di gas in quanto la sostanza rimane stabilmente allo stato aeriforme per quanto la si comprima.

Come possiamo spiegare le caratteristiche dei solidi, dei liquidi e dei gas? Anche in questo caso facciamo riferimento alla natura particellare della materia. Il modello che si presta a rappresentare la struttura degli stati fisici, noto come teoria cinetica - molecolare della materia, può essere così semplificato:

• tutta la materia è costituita da microscopiche particelle, gli atomi e le molecole;
• queste particelle sono in continuo movimento;
• la velocità con cui si muovono le particelle dipende dalla temperatura: più è alta, più veloce sarà il movimento;
• le particelle si attraggono tra di loro mediante forze attrattive che diventano sempre più deboli passando dallo stato solido, al liquido e all’aeriforme.
• solidi, liquidi e gas differiscono per la diversa libertà di movimento che hanno le particelle: nei solidi le particelle oscillano e vibrano, intorno a delle posizioni fisse; nei liquidi le molecole sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di movimento; infine, per i gas la libertà di movimento è massima e il moto molecolare è assolutamente disordinato.

  

  L'acqua nei tre stati di aggregazione

Il comportamento delle particelle nei tre stati di aggregazione

Da questo modello possiamo dedurre che lo stato fisico delle sostanze dipende dal modo in cui le particelle si aggregano.

Pertanto:

• nello stato solido le particelle sono disposte in modo ordinato e compatto. Le forze attrattive che si instaurano tra di esse sono stabili e ne impediscono lo spostamento, per cui le particelle vibrano attorno a posizioni fisse formando un’impalcatura rigida. Questo tipo di aggregazione spiega perché un solido è caratterizzato da volume e forma propri e non è comprimibile.
• Nello stato liquido le particelle, pur essendo in stretto contatto tra di loro, sono libere di muoversi scorrendo le une sulle altre. I legami che si formano non sono stabili ma si rompono e riformano continuamente consentendo alle particelle di cambiare velocemente posizione (hanno energia sufficiente per vincere almeno in parte le forze attrattive). Per questo motivo un liquido non ha una forma propria ma la adatta al contenitore in cui è posto. Non è però comprimibile e ha un volume proprio.
• Lo stato aeriforme è quello che presenta lo stato di massimo disordine. Le particelle sono molto distanti le une dalle altre, la loro energia cinetica è così elevata che non risentono più delle reciproche forze di attrazione e sono libere di muoversi occupando tutto lo spazio a loro disposizione. Questa mancanza di aggregazione giustifica il fatto che i gas non hanno né volume né forma propria e sono comprimibili.

Per concludere, se una sostanza è solida, liquida o aeriforme dipende da quanto si muovono le particelle.

Altre proprietà fisiche della materia

Oltre allo stato di aggregazione ogni sostanza presenta molte altre proprietà intrinseche che le rendono diversa dalle altre. Fra le proprietà fisiche intensive ricordiamo:

• il colore;
• la temperatura di fusione, a cui avviene il passaggio da stato solido a quello liquido;
• la temperatura di ebollizione, a cui avviene il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme;
• la conducibilità elettrica, che rappresenta la capacità di una sostanza essere percorsa da una corrente elettrica;
• la conducibilità termica, cioè la capacità di trasferire calore;
• la densità, cioè il rapporto tra massa e volume;
• la solubilità, rappresentata dal rapporto tra la quantità massima della sostanza che può essere sciolta ad una certa temperatura in 100 mL di solvente;
• la duttilità, cioè l’attitudine di una sostanza a lasciarsi ridurre in fili sottili senza spezzarsi (caratteristica di molti metalli);
• la malleabilità, cioè l’attitudine a lasciarsi ridurre in lamine sottili senza rompersi (anche questa tipica dei metalli);
• la viscosità, che misura la resistenza di un fluido allo scorrimento.

Queste proprietà fisiche non dipendono dalle dimensioni del campione in esame ma possono variare a seconda delle condizioni ambientali a cui vengono osservate, ad esempio la malleabilità e la duttilità aumentano con l’aumento di temperatura, la viscosità diminuisce.

Le principali proprietà fisiche estensive, che invece dipendono dalle dimensioni del campione, sono la massa, il volume, la superficie, la lunghezza.

• 
  Il colore
• 
  La malleabilità dell'alluminio
• 
  La duttilità del rame
• 
  La conducibilità del tungsteno
• 
  L'acqua bolle a 100 °C
• 
  La solubilità di un sale in acqua

Le trasformazioni fisiche

La materia subisce continue trasformazioni, pensiamo per esempio a quello che succede ad un cubetto di ghiaccio lasciato a temperatura ambiente che si trasforma in acqua liquida, oppure alla dilatazione dei solidi che si verifica con l’aumento della temperatura.

Quando le trasformazioni riguardano variazioni nella forma, nelle dimensioni o nello stato fisico della materia in esame, i cambiamenti si verificano soltanto nello stato di aggregazione delle particelle, mentre la composizione delle sostanze che la costituiscono rimane invariata. Si definiscono quindi:

trasformazioni fisiche le trasformazioni che avvengono senza variazione della composizione chimica delle sostanze coinvolte.

In altre parole, in una trasformazione fisica non si formano nuovi materiali e quindi le particelle presenti prima e dopo la trasformazione sono le stesse.

I passaggi di stato

Tra le varie trasformazioni fisiche che la materia può subire la più importante è il cambiamento del proprio stato fisico che avviene quando è sottoposta a variazioni di temperatura e/o di pressione. Il cubetto di ghiaccio diventa acqua liquida a temperatura ambiente grazie all’aumento della temperatura. Il liquido sotto pressione contenuto in una bomboletta diventa gas quando lo facciamo uscire premendo l’erogatore a causa della diminuzione della pressione.

Le trasformazioni da uno stato fisico all’altro vengono dette passaggi di stato.

Essi sono:

• la fusione, il passaggio da solido a liquido;
• la solidificazione, il passaggio inverso, da liquido a solido;
• l’evaporazione, il passaggio da liquido ad aeriforme;
• la condensazione, il passaggio inverso, da aeriforme a liquido.

Il brinamento dell'acqua sulle foglie

Alcune sostanze possono passare direttamente dallo stato solido a quello aeriforme con un passaggio di stato che viene chiamato sublimazione. L’esempio più comune di sublimazione è quello della naftalina, che viene usata come antitarme: le palline solide vengono poste all’interno degli armadi e si trasformano in vapore dall’odore caratteristico. Anche quello che viene chiamato “ghiaccio secco” (CO₂ in forma solida) a temperatura ambiente sublima, passando direttamente da solido a gas.

Il passaggio inverso della sublimazione, da aeriforme a solido, è il brinamento. L’esempio più tipico di brinamento è quello che si può osservare in inverno, quando a causa delle basse temperature il vapor acqueo dell’atmosfera si trasforma direttamente in cristalli di ghiaccio sui fili d’erba nei campi.

Il ghiaccio secco (CO₂) sublima

Anche i passaggi di stato possono essere spiegati considerando il modello particellare. Le particelle di una sostanza solida sono unite strettamente tra loro e sono molto limitate nei loro movimenti. L’aumento di temperatura consente loro delle vibrazioni maggiori ma ancora fortemente limitate (possiamo spiegare in questo modo le dilatazioni più o meno ampie che si verificano nei materiali solidi con il riscaldamento). Quando si raggiunge una certa temperatura, quella di fusione, le vibrazioni riescono ad allentare le forze attrattive fino a consentire alle particelle di abbandonare la posizione fissa e di muoversi scorrendo le une sulle altre: si ha quindi un cambiamento dello stato di aggregazione delle particelle che si manifesta con il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Se si continua ad aumentare la temperatura una volta completata la fusione, i movimenti delle particelle diventeranno via via sempre più ampi fino a vincere completamente le forze di attrazione consentendo loro di sfuggire nell’ambiente circostante: si è verificato il passaggio allo stato aeriforme.

Il raffreddamento al contrario causa un rallentamento dei moti particellari, con conseguente aumento delle forze attrattive che costringono le particelle ad avvicinarsi.

Per il passaggio di stato da liquido ad aeriforme è importante distinguere tra evaporazione ed ebollizione. Se prendiamo ad esempio l’acqua essa evapora a qualsiasi temperatura mentre bolle solo alla sua temperatura di ebollizione, che è 100 °C alla pressione di 1 atm al livello medio del mare. In che cosa consiste la differenza? L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme che avviene in maniera lenta è che coinvolge solo la superficie libera del liquido. Possiamo verificarlo lasciando un bicchiere d’acqua a temperatura ambiente: le molecole si libereranno dalla superficie e finiranno nell’aria che circonda il bicchiere, il livello dell’acqua molto lentamente scenderà (dopo giorni potremmo anche trovare il bicchiere vuoto). L’ebollizione è invece il passaggio di stato turbolento che interessa tutta la massa del liquido in questione e avviene, per ogni valore di pressione, a una temperatura specifica, caratteristica di ciascuna sostanza (è una proprietà fisica intensiva). L’ebollizione dà luogo alla formazione di bolle in tutto il volume del liquido da cui si libera il vapore.

Il vapore acqueo che evapora da una tazza di tè caldo diviene visibile in seguito alla sua condensazione in minutissime goccioline

L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme che avviene dalla superficie libera di un liquido a qualsiasi temperatura sopra il punto di congelamento.

L’ebollizione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme che avviene ad una determinata temperatura, caratteristica di ogni sostanza, e interessa l’intera massa del liquido.

Curva di riscaldamento dell'acqua pura (linea blu) e di una soluzione (linea rossa)

Pertanto solo alla temperatura di ebollizione le molecole acquisiscono l’energia cinetica necessaria per liberarsi dall'intera massa liquida anche partendo dal fondo del contenitore.

È altresì interessante analizzare la curva di riscaldamento di una sostanza pura come l’acqua e confrontarla con quella di una soluzione come l’acqua di mare.

Solo per le sostanze pure è possibile identificare le soste termiche che corrispondono a una temperatura specifica (punto di fusione e punto di ebollizione) che non varia durante la trasformazione di tutta la massa di sostanza anche se essa riceve energia termica dall'ambiente.

Ad esempio l’acqua (curva blu) possiede una sosta termica di fusione a 0°C e una sosta termica di ebollizione circa 7 volte più lunga a 100°C. In base alla teoria cinetica, si possono interpretare le soste termiche come periodi di tempo in cui il calore fornito viene utilizzato per vincere le forze di coesione tra le particelle e per questo non può manifestarsi attraverso l’aumento della temperatura.

Nella curva di riscaldamento dell’acqua di mare (curva rossa tratteggiata) invece non sono presenti soste termiche, ma la temperatura sale anche se lievemente, poiché si tratta di miscugli chimicamente eterogenei, come vedremo nel paragrafo 6 di questo capitolo.

Infine ricordiamo che il punto di fusione coincide con quello di solidificazione così come il punto di ebollizione coincide con quello di condensazione per una determinata sostanza pura, essendo le temperature dei passaggi di stato proprietà intensive della materia ed esse variano in funzione della pressione.

In particolare l’acqua bolle a una temperatura minore di 100°C in montagna, dove la pressione atmosferica è minore in quanto diminuisce con la quota. Al contrario una pressione elevata (come accade nella pentola a pressione) contrasta l’espansione tipica del passaggio di stato liquido-vapore, per cui occorrono temperature più alte. Il passaggio solido-liquido invece non è solitamente influenzato dall’aumento di pressione essendoci poco aumento di volume, con l’eccezione dell’acqua, che a differenza delle altre sostanze aumenta di volume quando solidifica (la densità massima dell’acqua è a 4°C ed è il motivo per cui il ghiaccio galleggia). Per questo motivo se il ghiaccio è sottoposto a forti pressioni fonde a temperature inferiori a 0°C.

• 
  Il ghiaccio sotto la lama della ballerina è sottoposto ad alte pressioni e fonde
• 
  Nella pentola a pressione l'acqua supera i 100°C e non bolle

Le trasformazioni chimiche: le reazioni chimiche

Le trasformazioni chimiche, chiamate semplicemente reazioni, sono trasformazioni della materia che avvengono con una variazione della composizione chimica delle sostanze coinvolte che si trasformano in nuove sostanze. Sono trasformazioni che riguardano la natura delle sostanze e quindi le particelle (molecole) presenti prima dell’interazione sono differenti da quelle presenti dopo la trasformazione.

Le sostanze presenti all’inizio della reazione vengono dette reagenti, le sostanze che si ottengono alla fine sono i prodotti.

Il decorso di una reazione chimica viene rappresentato simbolicamente in questo modo:

La reazione comporta un nuovo riarrangiamento degli atomi presenti nelle molecole iniziali con rottura e formazione di legami chimici tra atomi. Si capirà meglio come avvengono le reazioni chimiche dopo aver approfondito la conoscenza della struttura atomica e dei legami chimici (legame covalente, ionico e metallico). Per ora consideriamo alcuni aspetti fondamentali:

Come riconoscere una reazione chimica

Le trasformazioni profonde della natura della materia non sono facilmente osservabili. Tuttavia ci sono delle evidenze sperimentali che ci consentono di capire se sta avvenendo una reazione chimica e di seguirne l’andamento:

• il cambiamento di colore (es. formazione della ruggine);
• lo sviluppo di gas (es. aspirina effervescente nell’acqua);
• la formazione di un solido, che nel linguaggio chimico si chiama precipitazione (es. la formazione di stalattiti e stalagmiti);
• la scomparsa di un solido (es. l’erosione della roccia calcarea da parte dell’acqua piovana);
• lo sviluppo o l’assorbimento di calore senza riscaldare o raffreddare (es. lo sviluppo di calore nella combustione o mescolando soda caustica e acido cloridrico);
• l’emissione di luce (es. fiamma che si osserva nella combustione);
• l’emanazione di gas profumati o maleodoranti (es. produzione di acido solfidrico dal caratteristico odore di uova marce nei processi di decomposizione anaerobica della materia organica)

Queste evidenze, che rappresentano gli aspetti qualitativi delle reazioni, possono non essere immediatamente riconoscibili se osservate nell'ambiente, dove avvengono simultaneamente moltissime reazioni e trasformazioni fisiche, ma sono facilmente evidenziabili nelle reazioni in laboratorio che vengono fatte avvenire in provetta, che sono fatte apposta per favorire l’osservazione.

Le reazioni chimiche presentano anche degli aspetti quantitativi di cui si parlerà nei prossimi moduli.

• 
  Filo di ferro arrugginito
• 
  Ferro fuso
• 
  Albume denaturato dal calore
• 
  La combustione del metano
• 
  Sviluppo di bollicine (effervescenza)

La materia: sistemi omogenei ed eterogenei

Come evidenziato all'inizio del modulo, le sostanze pure non sono la regola nel mondo che ci circonda: nella maggior parte dei casi la materia si presenta come un sistema formato da due o più sostanze. Mescolanze di questo tipo si chiamano miscugli (o miscele).

Un miscuglio è un sistema costituito da due o più sostanze pure.

I miscugli possono essere omogenei o eterogenei. Che cosa significa? Per capire meglio questo concetto partiamo da alcune semplici osservazioni che possiamo fare nella vita di tutti i giorni. Cosa succede versando olio in un bicchiere che contiene acqua? I due liquidi tendono a stratificarsi restando separati: l’olio si porta in superficie, l’acqua rimane nella parte inferiore. Anche un cubetto di ghiaccio aggiunto ad un bicchiere d’acqua galleggia in superficie. Se consideriamo il sistema contenuto nel bicchiere, nel caso dell’acqua e olio diciamo che il sistema è costituito da due fasi liquide, nel caso di acqua e ghiaccio da una fase liquida e una fase solida.

Un bicchiere con olio e acqua rappresenta un sistema a due fasi (tre se si considera anche il vetro)

Una fase è una porzione di un sistema delimitata e fisicamente distinguibile che presenta le proprietà intensive uniformi in ogni sua parte.

In altri termini, possiamo avere due fasi quando due sostanze diverse sono nello stesso stato fisico (acqua e olio) o quando la stessa sostanza è presente in due stati fisici diversi (in questo caso il sistema è fisicamente eterogeneo ma chimicamente omogeneo, si tratta della stessa sostanza).

Un sistema è fisicamente omogeneo quando presenta un’unica fase, ad esempio un bicchiere d’acqua, mentre è eterogeneo quando è costituito da due o più fasi: un bicchiere d’acqua frizzante è costituito da due fasi, quella liquida dell’acqua e quella gassosa delle bollicine di diossido di carbonio (CO₂). Se aggiungiamo anche un cubetto di ghiaccio le fasi diventano tre. In questo caso abbiamo a che fare con un miscuglio, perché sono presenti due diverse sostanze.

I miscugli dal punto di vista chimico sono sempre eterogenei in quanto formati da più sostanze. Dal punto di vista fisico:

un miscuglio è omogeneo se si presenta in un’unica fase.

In pratica, un miscuglio è omogeneo quando le sostanze che lo costituiscono si mescolano in modo così uniforme che non sono distinguibili neanche al microscopio. Questo tipi di miscugli vengono anche detti soluzioni. L’acqua del mare è un esempio di miscuglio omogeneo.

I miscugli omogenei, essendo formati da un’unica fase fisica, hanno le stesse proprietà intensive (densità, colore, punto di fusione,...) in ogni loro parte.

Un miscuglio è eterogeneo se si presenta in due o più fasi facilmente distinguibili.

Le sostanze che costituiscono un miscuglio eterogeneo sono distinguibili a occhio nudo o con l’ausilio di un microscopio; in questi miscugli le proprietà intensive sono diverse in ogni punto (ogni componente del miscuglio rappresenta una fase del sistema che conserva le proprie caratteristiche). Alcuni miscugli eterogenei sono chiaramente distinguibili, come nel caso dell’acqua e olio, altre volte bisogna ricorrere ad un microscopio per osservare le caratteristiche non uniformi. Il latte è un tipico esempio di miscuglio che a prima vista sembra omogeneo ma in realtà non lo è: se ne osserviamo una goccia al microscopio si notano piccole goccioline di grasso immerse in un liquido trasparente.

Riepilogando, possiamo classificare tutta la materia nel seguente modo:

Oltre che in base alla loro natura omogenea o eterogenea, i miscugli possono essere classificati anche in base allo stato fisico dei loro componenti:

• miscugli solido-liquido
• miscugli liquido-liquido
• miscugli gas-liquido o liquido-gas
• miscugli gas-solido
• miscugli gas-gas
• miscugli solido-solido

Miscugli eterogenei

I miscugli eterogenei possono presentare aspetti assai diversi al variare dello stato di aggregazione dei costituenti. Quando mescoliamo ad un liquido un solido che non è in grado di sciogliersi in esso si ottiene una sospensione. Consideriamo ad esempio un miscuglio di acqua e farina: la farina rimane sospesa nell’acqua e, se lasciata a riposo, si deposita sul fondo. La fase solida rimane comunque sempre distinguibile da quella liquida, di conseguenza la sospensione appare torbida [vedi figura accanto].

Un miscuglio di acqua e farina: è omogeneo o eterogeneo?

Effetto Tyndal dei raggi del Sole tra la nebbia

I colloidi potrebbero essere scambiati per soluzioni: in realtà sono sistemi che presentano proprietà intermedie tra un miscuglio eterogeneo (sospensione) e uno omogeneo (soluzione). La fase disperdente è simile ad un solvente e quando prevale il colloide si chiama “sol”, come il citosol delle cellule e l’albume dell’uovo, mentre la fase dispersa è simile ad un soluto, con dimensione delle particelle compresa tra 1 micrometro e 1 nanometro, e quando prevale il colloide si chiama “gel”.Per distinguere i colloidi dalle soluzioni (miscugli omogenei) si può ricorrere alla luce: se facciamo passare un raggio di luce attraverso una soluzione questo la attraverserà completamente, mentre nel gel il raggio viene deviato dalle particelle solide e quindi non attraversa il miscuglio (questo fenomeno viene detto effetto Tyndall). [vedi figura].

Quando due liquidi mescolati assieme si stratificano in due fasi ben distinte, come accade per esempio all’acqua e all’olio, si dicono immiscibili. Mescolando energicamente due liquidi immiscibili si forma un’emulsione, in cui i due componenti vengono ridotti in piccole goccioline intimamente mescolate tra loro rendendo difficile separare le due fasi. Le emulsioni sono particolarmente utilizzate in cucina (la maionese è un esempio di emulsione di olio, uovo e succo di limone) o in cosmetica (tutte le creme cosmetiche sono emulsioni di particolari sostanze a base oleosa in acqua), dove vengono mantenute stabili grazie alla presenza di altre sostanze chimiche dette emulsionanti (nella maionese questo ruolo è svolto dalla lecitina presente nel tuorlo). Anche le emulsioni fanno parte dei sistemi colloidali.

Nelle foto della galleria si riportano vari esempi di miscugli eterogenei.

• 
  La maionese è una emulsione tra sostanze liquide
• 
  Fumo generato dalla combustione di idrocarburi; miscuglio eterogeneo di un solido e un gas
• 
  Schiuma: un miscuglio eterogeneo tra liquido e gas
• 
  La nebbia, esempio di miscuglio di liquido-gas
• 
  Il granito è un miscuglio eterogeneo tra solidi

Miscugli omogenei

Abbiamo visto che i miscugli omogenei sono caratterizzati da un'unica fase fisica. Essi vengono denominati comunemente soluzioni. Le soluzioni hanno un’enorme importanza: sono soluzioni l’aria che respiriamo, l’acqua che beviamo, molti liquidi biologici.

In una soluzione la sostanza più abbondante è detta solvente, quelle meno abbondanti soluti

Il sale si scioglie bene nell'acqua

Se i componenti di una soluzione inizialmente si trovano in fasi diverse, ad esempio acqua e zucchero, il soluto è anche il componente che cambia di fase nella soluzione.

Una sostanza che si scioglie facilmente in un solvente è detta solubile, mentre se non si scioglie viene definita insolubile.

Anche le sostanze solubili non possono essere miscelate con il solvente in tutti i rapporti possibili.

Una soluzione è detta satura se contiene la massima quantità possibile di soluto e si è venuto a formare il corpo di fondo.

Nel momento in cui si forma il corpo di fondo il miscuglio non è più omogeneo, si evidenzia una seconda fase.

La solubilità è la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una data quantità di solvente a una certa temperatura.

Il mare è una soluzione liquida e l'atmosfera una soluzione gassosa

Le soluzioni sono quindi dei sistemi monofasici e si distinguono in:

Soluzioni gassose

Costituite da due o più gas o vapori diffusi uno nell'altro. I gas sono sempre perfettamente miscibili, quindi un sistema formato da più gas è sempre una soluzione. L’esempio più comune di soluzione gassosa è l’aria, formata da azoto (N₂), ossigeno (O₂) e altri gas in percentuale minore.

Soluzioni liquide

Il bronzo è una lega di rame e stagno

Costituite da un gas, un liquido o un solido disciolte in un liquido. Tutta l’acqua potabile, ma anche l’acqua marina, contengono disciolte molte sostanze solide ma anche una certa quantità di gas presenti nell’aria, ossigeno e diossido di carbonio. Le bevande alcoliche sono soluzioni di due liquidi perfettamente miscibili, l’acqua e l’alcol etilico. L'acqua zuccherata e l'acqua di mare sono soluzioni solido-liquido. Di particolare interesse sono le soluzioni acquose, cioè quelle in cui il solvente è l'acqua. La maggior parte delle reazioni avviene in soluzione acquosa, in particolare quelle che sono alla base dei processi biologici che avvengono nelle cellule viventi.

Soluzioni solide

Costituite da un solido disciolto in un altro. Si formano a partire da miscele fuse dei componenti che, una volta raffreddate, danno origine ad sistema omogeneo. Un esempio di questo tipo di soluzioni sono le leghe metalliche come l’ottone, formato da rame e zinco (elementi).

Tecniche di separazione

Le tecniche di separazione permettono la separazione dei singoli componenti del miscuglio in base alle loro specifiche caratteristiche chimico-fisiche.

In base al tipo di miscuglio da separare bisogna scegliere una tecnica di separazione mirata. In generale i miscugli eterogenei sono più semplici da separare rispetto alle soluzioni.

Di seguito vengono descritti brevemente le principali tecniche di separazione e il principio fisico su cui si basano.

Filtrazione

Filtrazione per gravità

Principio fisico della filtrazione

È un metodo di separazione che consente di separare una fase solida (precipitato) da una fase liquida (filtrato) in un sistema eterogeneo. Viene utilizzato un filtro adeguato costituito da un materiale poroso permeabile soltanto al liquido. Per filtrazione si possono separare anche particelle solide disperse in un gas (è quello che avviene ad esempio attraverso il filtro delle sigarette).

Nella vita di tutti i giorni i filtri possono essere costituiti da materiali vari. In laboratorio si usa la carta da filtro, che si può scegliere fra diversi tipi in base alle dimensioni dei fori (che non si vedono a occhio nudo).

Decantazione

Decantazione della sabbia in un miscuglio di acqua e sabbia

È una delle tecniche più semplici, applicabile ai miscugli eterogenei solido-liquido, liquido-liquido e gas solido. Sfrutta la diversa densità delle componenti del sistema e consiste semplicemente nel lasciare depositare sul fondo la componente più pesante del miscuglio fino alla separazione completa.

Centrifugazione

Una centrifuga

In questo caso si sfrutta la forza centrifuga (come quella che viene applicata ai vestiti nel cestello della lavatrice) all’interno di un apparecchio, detto appunto centrifuga da laboratorio, per separare velocemente miscugli eterogenei solido-liquido, in particolare quando le particelle solide sono particolarmente piccole e tendono a rimanere in sospensione [fig. 3.xx]. La sospensione viene posta all’interno di provette e inserite nell’apparecchio e qui sottoposte a una rotazione di 4000-5000 giri al minuto. La centrifuga fornisce accelerazioni superiori a quella di gravità, consentendo una stratificazione più rapida: in questo modo il precipitato viene spinto e compattato verso il fondo della provetta, la fase liquida rimane in superficie come surnatante.

Estrazione con solvente

Imbuto separatore

In questo caso si sfrutta la diversa solubilità dello stesso soluto in due diversi solventi. Si usa solitamente per estrarre da soluzioni acquose sostanze poco solubili in acqua ma maggiormente solubili in altri solventi; questi ultimi a loro volta non devono essere miscibili con l’acqua (per esempio l’etere di petrolio o il tetracloruro di carbonio). Si utilizza un particolare imbuto separatore [vedi figura] in cui la soluzione acquosa, che è più densa e si dispone nella parte inferiore, viene messa a contatto con l’altro solvente: si verifica così il passaggio del soluto da una fase liquida all’altra. Attraverso il rubinetto posto alla base dell’imbuto si raccoglie prima tutta la fase acquosa, poi si cambia recipiente e si procede a raccogliere la soluzione con la sostanza estratta. Se si vuole separare il soluto dalla seconda soluzione si deve procedere con un'altra tecnica, la distillazione.

Distillazione

Un semplice apparecchio per la distillazione

La distillazione consente di separare i componenti di una soluzione sfruttando la loro diversa volatilità (cioè la tendenza di una sostanza ad evaporare: più è basso il punto di ebollizione di una sostanza, più alta sarà la sua volatilità). E’ una tecnica molto utilizzata sia in laboratorio che a livello industriale, per separare due liquidi miscibili. La separazione avviene facendo evaporare le sostanze in base alla specifica temperatura di ebollizione (si riscalda la miscela fino ad arrivare al punto di ebollizione della prima sostanza), per poi condensarle all’interno di un tubo refrigerante e raccoglierle come distillato. Per distillazione si possono separare ad esempio i miscugli di acqua ed alcol etilico: i liquori come la grappa, il brandy e il whisky vengono detti distillati proprio perché sono ottenuti mediante un processo di distillazione.

Per distillazione è possibile anche separare il solvente dai soluti oppure i componenti di una miscela gassosa dopo averla liquefatta: si può separare in questo modo ad esempio l’azoto dall’ossigeno previa liquefazione dell’aria.

Esistono diverse tecniche di distillazione che vengono utilizzate in base alle caratteristiche delle sostanze da separare. Le principali sono la distillazione semplice, per separare liquidi con punti di ebollizione al di sotto dei 150°C da soluti non volatili, oppure un liquido da un altro nel caso in cui le temperature di ebollizione differiscano di almeno 25°C. Nel caso di componenti liquidi con una differenza nelle temperature di ebollizione di meno di 25 °C si usa la distillazione frazionata.La distillazione frazionata

Cromatografia

Cromatografia su carta della clorofilla

È una particolare tecnica di separazione che deve il suo nome (dal greco khrôma, “colore”) al fatto che per la prima volta è stata utilizzata da un chimico russo per separare i pigmenti colorati estratti dalle foglie. Nata come tecnica di separazione, è diventata anche tecnica analitica (in grado cioè di identificare la presenza di sostanze incognite) perché ben si presta a separare, rivelandoli quindi, i componenti di miscugli anche molto complessi. La tecnica si basa su un opportuno solvente, chiamato eluente o fase mobile, che trascina i componenti del miscuglio attraverso una fase fissa, rappresentata dal supporto.

Nella cromatografia su carta la fase fissa è una striscia di carta da filtro su cui vengono deposte ad un centimetro dall’estremità inferiore, alcune gocce del miscuglio da separare. Dopo che le gocce si sono asciugate per evaporazione del solvente, la striscia viene appesa all’interno di un apposito contenitore con un coperchio a tenuta con il campione verso il basso. La fase mobile è posta sul fondo del contenitore in modo che la carta vi peschi con il bordo inferiore: salendo per capillarità, l’eluente trascinerà i componenti del miscuglio lungo la striscia di carta separandoli.

Altri tipi di miscugli e relativi metodi di separazione

Vengono qui di seguito elencati alcuni esempi di miscugli eterogenei con il loro metodo di separazione delle fasi:

• solido/solido: ghiaia e sabbia, separabili con un setaccio, oppure limatura di ferro e zolfo, separabili con l’utilizzo di una calamita;
• solido/liquido: sabbia e acqua, separabili per filtrazione, oppure argilla e acqua (sospensione), separabili per decantazione;
• solido/aeriforme: fumo, i cui componenti solidi sono separabili con la carta da filtro;
• liquido/liquido: acqua e olio, separabili con imbuto separatore in quanto stratificati, oppure latte o sangue, i cui componenti sono separabili per centrifugazione in quanto hanno diversa densità ma non sono stratificati;
• liquido/aeriforme: acqua e bibite gassate e miscugli acqua-aria, chiamati nebbia se prevale l’aria e schiuma se prevale l’acqua.

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  Schema di un moderno apparato per la distillazione
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  Distillazione frazionata del petrolio
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  Setacci per la separazione solido/solido, con diverse granulometrie
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  il filtro delle sigarette trattengono una parte del particolato presente nel fumo

Attività e materiale utile allo studio

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