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Utente:AGeremia/Sandbox/Modulo3: differenze tra le versioni

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Fig. 3.1 - 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.
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Ogni elemento viene indicato in modo univoco da un '''simbolo'''. I criteri per l’attribuzione del simbolo sono stati definiti dal chimico svedese Berzelius all’inizio dell’Ottocento e sono i seguenti: il simbolo corrisponde alla '''prima lettera del nome''' latino dell’elemento, scritta sempre maiuscola (ad esempio '''H''' per l’idrogeno, '''C''' per il carbonio, '''O''' per l’ossigeno, '''N''' per l’azoto, ''nitrogenum'' in latino, e così via), seguita, nel caso in cui più elementi abbiano la stessa iniziale, da una '''seconda lettera''', scritta sempre '''minuscola ('''ad esempio '''He''' per l’elio, '''Ca''' per il calcio, '''Na''' per il sodio, ''natrium''). Nel caso in cui anche la seconda lettera sia in comune, si utilizza la terza, come nel caso del magnesio, '''Mg''', e del manganese, '''Mn'''. Nel caso di un simbolo a due lettere queste vengono sempre pronunciate staccate: ad esempio Mg “emme-gi”, He “acca-e” e così via.
{| class="wikitable"
|'''Nome elemento'''
|'''Nome latino'''
|'''Simbolo'''
|'''Etimologia'''
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|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
|}
 
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Fig. 3.2 - atomi di silicio visti al microscopio a effetto tunnel
 
o alcuni esempi dei molti fenomeni che sono facilmente spiegabili se si ipotizza che la materia sia costituita da particelle piccolissime, invisibili mediante strumenti ottici. In questo modo posso immaginare che le numerosissime piccole particelle presenti nella goccia d’inchiostro si disperdano nel grande volume dell’acqua, mescolandosi alla particelle di quest’ultima.
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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: H<sub>2</sub> , O<sub>2</sub> , N<sub>2</sub> , F<sub>2</sub> , Cl<sub>2</sub> , Br<sub>2</sub> , I<sub>2</sub>. Il numero in basso a destra del simbolo chimico, indica il numero di atomi e viene chiamato ''indice numerico''. Due atomi, legati strettamente l’uno all’altro, formano una molecola. Altri quattro elementi esistono sotto forma di molecole più complesse. Fosforo e arsenico hanno molecole formate da quattro atomi: P<sub>4</sub> , As<sub>4</sub>. Zolfo e selenio possiedono anch’essi molecole complesse, formate da otto atomi: S<sub>8</sub> , Se<sub>8</sub>.
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Le proprietà chimiche delle sostanze sono sempre intensive.
 
# 3.3.1 Gli stati di aggregazione della materia
 
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.
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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'''.
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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.
 
Da questo modello possiamo dedurre che lo stato fisico delle sostanze dipende dal modo in cui le particelle si aggregano: se da un lato le particelle tendono a mantenersi in uno stato di continuo movimento dall’altro tendono a legarsi tra di loro grazie alle forze attrattive che si instaurano tra di esse. La risultante di queste due tendenze opposte determina il modo con cui le particelle si aggregano nei tre stati fisici, che proprio per questo motivo vengono anche detti '''stati di aggregazione''' della materia.
 
 
Fig. 3.3 – l’acqua nei tre stati di aggregazione
 
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'''. <br />fig. 3.4 – il comportamento delle particelle nei tre stati di aggregazione
 
'''Le caratteristiche dello stato solido'''
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Fig.3.5 - Cubetto di ghiaccio
 
olto vicine tra loro (incomprimibile) e quasi immobili (possono solo compiere piccole oscillazioni) in quanto tenute insieme da forze di coesione intense. Solitamente le particelle sono disposte in una struttura geometrica ordinata chiamata reticolo cristallino, anche se nei solidi amorfi possono essere disposte in modo disordinato (in tal caso vengono considerati liquidi ad altissima viscosità come il vetro).
 
 
Fig. 3.6 – Il reticolo cristallino dell’acqua
 
[POSSIBILE APPROFONDIMENTO SULLA DENSITÀ’ DELL’ACQUA, IMMAGINE DELL’ICEBERG]
 
 
Fig. 3.xx - una goccia d'acqua
 
 
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Un corpo è allo stato liquido se possiede volume proprio, ma assume la forma del recipiente in cui è contenuto.
 
In base alla teoria particellare, un corpo liquido è costituito da particelle che possono scivolare le une rispetto alle altre per la presenza di forze attrattive meno intense ed è per questo motivo che
possono modificare la loro forma, ma sono quasi incomprimibili in quanto rimangono comunque vicine tra loro.
 
 
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Fig. 3.x - Geyser
 
n quanto tenute insieme da forze di attrazione deboli o inesistenti.
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Esistono altri due stati della materia:
 
* I <br />Fig.3.x – il Sole è formato da plasma l '''plasma''' è un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla). In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e l'aeriforme, mentre il termine "ionizzato" indica che una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata dai rispettivi atomi. Si ottiene fornendo alle molecole di un gas, a una data pressione, energia termica sufficiente a dissociare le molecole e ionizzare gli atomi e le molecole del gas stesso. Mentre sulla Terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno eccezione i fulmini e le aurore boreali), nell'Universo costituisce più del 99% della materia conosciuta: si trovano infatti sotto forma di plasma il Sole, le stelle e le nebulose. I plasmi più ‘freddi’, come quelli atmosferici che danno origine alle aurore boreali, hanno temperature dell’ordine dei 1.000 °C, mentre i ‘caldissimi’ plasmi che si trovano nelle stelle raggiungono temperature di molti milioni di gradi.
* Il '''condensato di Bose-Einstein''' è un particolare stato della materia in cui i bosoni (mesoni e bosoni di Gauge) o un gas sono raffreddati a una frazione di grado superiore allo zero assoluto, iniziando a comportarsi come un unicum anziché come particelle separate e mantenendo anche a livello macroscopico tutte le proprietà quantistiche che esibiscono a livello microscopico: ad esempio comportandosi come onde e non come particelle. Il primo condensato di Bose-Einstein è stato realizzato sperimentalmente nel 1995 da Eric Cornell e Carl Wieman, che si sono aggiudicati il premio Nobel per la fisica nel 2001. Recentemente sulla stazione orbitante ISS, in condizioni di microgravità, è stato realizzato un condensato di Bose-Einstein stabile, dal momento che gli effetti della gravità sono molto minori. Servendosi del Cold Atom Lab per preparare il condensato in orbita e confrontarne le caratteristiche con quelli dei composti analoghi realizzati a Terra, si sono ottenuti risultati molto interessanti con vita del condensato di circa un secondo, mentre sulla Terra non si riescono a superare le poche decine di millisecondi!
 
Per concludere, se una sostanza è solida, liquida o aeriforme dipende da quanto si muovono le particelle. Provate a immaginarvi nella situazione delle particelle: siete ad un concerto in mezzo alla folla accalcata e non riuscite a muovervi, potete al massimo saltellare sul posto. E’ così che potete pensare alle particelle all’interno di una materia solida. Chi si trova nel prato sotto il palco riesce a saltellare scatenato, si muove di più anche se continua a interagire con tutti quelli che ha intorno, proprio come le particelle all’interno di un liquido. Ancora più scatenate sono le particelle all’interno dell’aria che respiriamo, come il pubblico del concerto se l’area dove si svolge permettesse a tutti di scorrazzare liberamente e fare capriole senza intralciare nessuno.
 
# 3.3.2 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. Molte di queste proprietà sono importanti per l’utilizzo tecnologico dei materiali.
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Le principali proprietà fisiche estensive, che invece dipendono dalle dimensioni del campione, sono la massa, il volume, la superficie, la lunghezza. A differenza delle proprietà intensive, quelle estensive si possono sommare: se a 500 g d’acqua aggiungiamo 500 g di altra acqua alla fine avremo 1000 g, cioè 1 kg d’acqua (la massa è infatti una proprietà estensiva). Se consideriamo la densità (proprietà intensiva), aggiungendo ai primi 500 g d’acqua, la cui densità è pari a 1kg/dm<sup>3</sup>, altri 500 g d’acqua, la densità dei 1000 g risultanti sarà sempre di 1kg/dm<sup>3</sup>.
{| class="wikitable"
| colspan="4" |Tabella 3.x - Esempi di proprietà fisiche
|-
|
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|
|-
|Il colore
|La malleabilità dell’alluminio
|La duttilità del rame
|La conducibilità del tungsteno
|}
 
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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.
 
# 3.4.1 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.
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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'''.
 
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 ve
 
 
Fig. 3.x - Ghiaccio formatosi per brinamento
 
ngono poste all’interno degli armadi e si trasformano in vapore dall’odore caratteristico. Anche quello che viene chiamato “ghiaccio secco” (CO<sub>2</sub> in forma solida) a temperatura ambiente sublima, passando direttamente da solido a gas.
 
 
Fig. 3.x - sublimazione del ghiaccio secco
 
 
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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.
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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. Questo fatto si può spiegare considerando la diminuzione della '''tensione di vapore''' sulla superficie del liquido, cioè la pressione esercitata dal vapore in equilibrio con il proprio liquido puro, che aumenta con l’aumentare della temperatura. Se diminuisce la pressione atmosferica, basterà una temperatura minore per raggiungere una tensione di vapore che uguagli la pressione esterna permettendo l’ebollizione. 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.
 
# 3.4.2 Esempi di altre trasformazioni fisiche
 
La maggior parte delle trasformazioni fisiche che osserviamo, o che operiamo noi stessi, nell’ambiente che ci circonda, sono riconducibili ai passaggi di stato, pensiamo ad esempio alla formazione delle nuvole o ad una candela accesa che fonde.
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Altri esempi di trasformazioni fisiche sono:
 
* '''la dissoluzione di un solido in acqua''': come vedremo nel paragrafo 6, questo processo porta alla formazione di una soluzione ed è favorito dall’aumento di temperatura, ma non cambia la composizione della materia, in quanto i soluti si sciolgono nel solvente, ma la trasformazione è reversibile semplicemente diminuendo la temperatura.
* '''La lavorazione dei metalli:''' la riduzione di un lingotto di metallo in lamine sottili o in fili grazie alla malleabilità e duttilità che caratterizza la maggior parte dei metalli.
* '''L'effetto Joule''', cioè il fenomeno per cui il passaggio di corrente elettrica, facendo resistenza con il conduttore, produce calore (come ad esempio il surriscaldamento di un filamento di tungsteno di una lampadina ad incandescenza che produce luce).
* '''L'induzione magnetica''', cioè il fenomeno per cui un ago si magnetizza se viene avvicinato ad una calamita.
 
'''3.5 - Le trasformazioni chimiche: le reazi'''
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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:
 
* nelle '''reazioni chimiche''' si rompono e si riformano '''legami intramolecolari'''; nelle '''trasformazioni fisiche''' si rompono e formano invece '''legami intermolecolari''' (che abbiamo chiamato in precedenza genericamente “forze attrattive” da cui dipende lo stato di aggregazione);
* le '''reazioni chimiche non creano né distruggono atomi''' e non non modificano mai la natura degli atomi presenti ma soltanto il modo in cui si legano tra loro: se consideriamo ad esempio la reazione di decomposizione dell’acqua che avviene con l’elettrolisi, le molecole d’acqua (H<sub>2</sub>O) presenti all’inizio (reagenti) sono costituite da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno; nel corso della reazione questi legami si rompono e si formano nuovi legami fra atomi di idrogeno e fra atomi di ossigeno che portano alla formazione delle molecole biatomiche dell’idrogeno (H<sub>2</sub>) e dell’ossigeno (O<sub>2</sub>), prodotti della reazione;
* le '''reazioni nucleari non fanno parte delle reazioni chimiche''' in quanto comportano un cambiamento nella natura degli atomi (la trasformazione dei nuclei atomici).
 
'''Esempio di reazione chimica: la combustione del gas metano'''
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La combustione del metano è una reazione chimica che sfruttiamo comunemente nelle nostre case, per il riscaldamento domestico e per cucinare. Come in tutte le combustioni è necessario un combustibile (il gas metano) e un comburente (l’ossigeno) che si trasformano nei prodotti anidride carbonica e acqua, con l’emissione di calore (si tratta infatti di una reazione esotermica, nel senso che produce calore emesso nell’ambiente).
 
L’equazione
chimica è la seguente: CH<sub>4</sub> + O<sub>2</sub> → CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O
 
Si nota chiaramente come i reagenti siano sostanze diverse dai prodotti, ma ad uno sguardo più attento non deve sfuggire il fatto che i singoli elementi che compaiono nei reagenti e nei prodotti sono esattamente gli stessi, semplicemente si riorganizzano in modo diverso (il carbonio del metano ad esempio si combina con l’ossigeno per formare l’anidride carbonica, mentre idrogeno e ossigeno si combinano per formare l’acqua). L’equazione chimica deve però essere bilanciata, nel senso che deve essere presente lo stesso numero di atomi di ciascun elemento sia nei reagenti che nei prodotti (per il principio di conservazione della massa).
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[IMMAGINE TABELLA CON ESEMPI DI FENOMENI CHIMICI E FISICI A CONFRONTO]
 
# 3.5.1 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)
 
{| class="wikitable"
| colspan="4" |Esempi di trasformazioni chimiche e fisiche
|-
|
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|
|-
|Ferro arrugginito
|Ferro fuso
|Bianco d’uovo denaturato
|Fiamma
|}
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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:
 
 
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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
 
# 3.6.1 Sostanze pure
 
Le sostanze pure rappresentano un sistema chimicamente omogeneo nel senso che sono costituite da un singolo materiale e quindi non sono separabili con gli ordinari mezzi fisici.
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Come detto in precedenza, l’acqua è un '''composto''', caratterizzata da una composizione definita e costante, rappresentata attraverso la '''formula chimica''' H<sub>2</sub>O.
 
Tale formula fornisce due tipi di informazioni: una '''qualitativa''', cioè quali elementi costituiscono il composto (in questo caso, idrogeno e ossigeno) e l’altra '''quantitativa''', cioè quanti atomi di ciascun elemento formano il composto, che in questo caso si può chiamare anche '''molecola''' intesa come raggruppamento
di atomi (nell’acqua due atomi di idrogeno combinati con un atomo di ossigeno formano la molecola H<sub>2</sub>O).
 
L’acqua è divisibile nei suoi elementi costituenti (idrogeno e ossigeno) attraverso l’elettrolisi. [APPROFONDIMENTO SUL COMBUSTIBILE IDROGENO]
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Anche una sostanza pura può formare un sistema fisicamente eterogeneo nel caso in cui siano presenti due fasi: è l’esempio di un bicchiere d’acqua con un cubetto di ghiaccio.
 
# 3.6.2 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 [fig. 3.xx].
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Come ultimo esempio di miscugli solido-solido possiamo citare alcune rocce, la più tipica è il granito, in cui la natura eterogenea del miscuglio dei vari minerali è chiaramente visibile a occhio nudo.
 
# 3.6.3 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.
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La '''solubilità''' è la quantità massima di soluto che può sciogliersi in una data quantità di solvente a una certa temperatura. La solubilità dipende dalla natura chimica del soluto e dalla temperatura della soluzione. Nel caso dei soluti solidi la solubilità generalmente aumenta con la temperatura, come sappiamo intuitivamente: è molto facile sciogliere un cucchiaino di zucchero nel caffè caldo, impossibile scioglierlo completamente se il caffè si raffredda. La solubilità dei gas nei liquidi invece diminuisce con l’aumento della temperatura.
 
Essendo sistemi monofasici le soluzioni 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 (N<sub>2</sub>), ossigeno (O<sub>2</sub>) e altri gas in percentuale minore.
* '''soluzioni liquide''', 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 è una soluzione 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).
 
Le proprietà di una soluzione variano in modo continuo al variare del rapporto quantitativo tra soluto e solvente ma dipendono per la maggior parte dalla natura del solvente e del soluto: l’acqua zuccherata è dolce e incolore, sarà più o meno dolce a seconda della quantità di zucchero ma avrà comunque questa proprietà. Analogamente una soluzione di acqua e sale sarà sempre salata.
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I colloidi potrebbero essere scambiati per soluzioni: in realtà, come abbiamo visto in precedenza, sono sistemi bifasici 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'''”.
 
# 3.6.4 Tecniche di separazione
 
L’uomo, fin dall’antichità, ha utilizzato i materiali presenti in natura per i propri scopi. Tuttavia spesso ha dovuto estrarre le sostanze che gli servivano dai miscugli in cui erano presenti. Ha imparato presto a estrarre il sale dall’acqua di mare, l’olio dalle olive, i metalli dai minerali in cui erano contenuti. Queste tecniche si basano su processi chimico-fisici anche molto complessi, all’epoca completamente sconosciuti.
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Di seguito vengono descritti brevemente le principali tecniche di separazione e il principio fisico su cui si basano.
 
* '''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).
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Fig. 3.xx – filtrazione per gravità
 
per aspirazione.
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Per aumentare la velocità di filtrazione si può effettuare la '''filtrazione per aspirazione''': si utilizza in questo caso un apposito imbuto di porcellana e una beuta da vuoto all’interno della quale si crea il vuoto con una pompa meccanica. In questo modo la componente liquida del miscuglio viene rapidamente aspirato all’interno della beuta e il precipitato raccolto nel filtro all’interno dell’imbuto risulta asciutto e cristallino [inserire foto].
 
* '''Decantazione''': 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. <br />Fig. 3,xx - decantazione della sabbia in un miscuglio acqua e sabbia
* '''Centrifugazione''': 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]. L <br />Fig. 3.xx - una moderna centrifuga a 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: 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 [fig. 3.xx] <br />Fig. 3.xx - L'imbuto separatore 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''': la distillazione consente di separare i component <br />Fig. 3.xx - antico apparato per la distillazione semplice i 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.
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Fig. 3.xx - distillazione frazionata del petrolio
 
ate 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'''. [IMMAGINE E APPROFONDIMENTO SULLA DISTILLAZIONE SEMPLICE E FRAZIONATA - IMMAGINE SU ACQUA DI MARE, ACQUA DOLCE DEL RUBINETTO, ACQUA DEMINERALIZZATA E ACQUA DISTILLATA IN SPRUZZETTA]
 
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* Cromatografia: 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'''. La diversa velocità con cui i componenti del miscuglio migrano lungo la fase fissa trascinati dell'eluente consente di separarli. In base al tipo di supporto utilizzato possiamo avere la cromatografia su colonna, in cui la fase fissa è rappresentata da una <br />Fig. 3.xx – crom. su carta colonna di vetro, con un rubinetto alla base, riempita di materiale poroso ( silice, cellulosa, allumina o carbone attivo): la fase mobile con il miscuglio vengono inseriti in alto nella colonna; l’eluente trascina i vari componenti attraverso la fase fissa con velocità diverse così avviene la separazione; ogni componente del miscuglio, grazie al rubinetto posto in basso, viene raccolto separatamente [fig. 3.xx]. Nella '''cromatografia su carta''' la fase stazionaria è una striscia di carta da filtro su cui vengono deposte ad un centimetro dall’estremità inferiore (si dice “caricate”) mediante un capillare di vetro, 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. Simile alla precedente è la '''cromatografia su strato sottile''' o TLC (''Thin Layer Chromatography'') ma al posto della carta come fase fissa si usano lastre di vetro ricoperte da una sostanza porosa, silice o allumina [inserire immagine].
 
Vengono qui di seguito elencati alcuni esempi di miscugli eterogenei con il loro metodo di separazione delle fasi: [IMMAGINE- MISCUGLI ETEROGENEI E METODI 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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