Copertina Paolo Pistar Principi di Chimica Moderna Istituto

Copertina Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 1

CAPITOLO 2 Le trasformazioni fisiche della materia Indice 1. La materia e il modello particellare 2. Le sostanze pure 3. Miscele 4. La concentrazione di una soluzione 5. La solubilità e le soluzioni sature 6. I passaggi di stato 7. La separazione delle miscele in sostanze pure Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 2

1 La materia e il modello particellare CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Materia è tutto ciò che possiede una massa ed occupa un volume. Secondo il modello particellare, la materia è costituita da particelle estremamente piccole (atomi o molecole) in continuo movimento. Si presenta in tre stati fisici: solido, liquido e gassoso. STATO LIQUIDO STATO SOLIDO STATO GASSOSO Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 3 31

1 La materia e il modello particellare CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Conferma della teoria particellare a) La diffusione è il processo con cui i gas si muovono per occupare tutto lo spazio che hanno a disposizione. I vapori di bromo occupano la parte inferiore del cilindro. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 Al termine dell’esperimento, i vapori di bromo si sono diffusi in tutto il cilindro. 4 32

1 La materia e il modello particellare CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. b) La comprimibilità è il processo con cui i gas occupano un volume inferiore. In seguito alla compressione le particelle di un gas occupano un volume inferiore. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 5 32

1 La materia e il modello particellare c) CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Due liquidi, miscibili tra di loro, occupano un volume inferiore alla somma dei volumi distinti. alcool etilico acqua Nel cilindro è contenuta la miscela dei due liquidi. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 6 33

2 Le sostanze pure CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Una sostanza pura è materia costituita da un solo componente, cioè da una sola specie chimica. Il cloruro di sodio puro per analisi, anche se contiene piccole percentuali di impurezze, è considerato una sostanza pura. Le impurezze presenti nel cloruro di sodio per analisi, essendo in piccole percentuali, non ne modificano le proprietà. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 7 33

2 Le sostanze pure CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Le sostanze pure sono caratterizzate da specifiche proprietà fisiche e chimiche permettono di identificarle. Le proprietà fisiche (temperatura di fusione, di ebollizione, densità, ecc), che non dipendono dalla quantità del campione, sono dette intensive. Le proprietà fisiche (massa, volume), che dipendono dalla quantità del campione, sono dette estensive. Le proprietà chimiche delle sostanze, che si manifestano quando una sostanza interagisce con altre sostanze, vengono classificate come intensive. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 8 34

3 Le miscele CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Le miscele (dette anche miscugli) sono suddivise in due categorie: miscele eterogenee e miscele omogenee. u Miscele eterogenee Una miscela è eterogenea quando le sostanze non sono miscibili tra loro. Campione di latte. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 Campione di roccia granitica. 9 34 -35

3 Le miscele CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Miscele omogenee Due sostanze, completamente miscibili tra loro, danno una miscela omogenea. Una miscela omogenea prende anche il nome di soluzione. Soluzione di una miscela omogenea di solfato di rame azzurro e acqua. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 10 36

3 Le miscele CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. SOLUZIONE miscela omogenea di due o più sostanze SOLVENTE La sostanza presente in maggiore quantità che ha il compito di sciogliere Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 SOLUTO la sostanza disciolta 11 36

3 Le miscele CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. In una soluzione le particelle del soluto e quelle del solvente sono invisibili; nemmeno al microscopio è possibile distinguere i componenti della soluzione. soluto solido costituito da particelle dissoluzione solvente liquido (particelle di acqua) Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 12 36

4 La concentrazione di una soluzione CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. In chimica le soluzioni presentano una concentrazione nota, cioè un rapporto ben definito tra la quantità di soluto e quella di soluzione o di solvente. I modi in cui si può esprimere la concentrazione di una soluzione sono diversi. u Percento in massa Il percento in massa è la quantità in grammi di soluto sciolti in 100 g di soluzione (soluto + solvente). percento in massa = Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 massa di soluto × 100 massa della soluzione 13 37

4 La concentrazione di una soluzione CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Percento in volume Il percento in volume indica il volume in m. L di soluto disciolto in 100 m. L di soluzione. percento in volume = Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 volume di soluto × 100 volume di soluzione 14 38

4 La concentrazione di una soluzione CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Massa su volume La concentrazione massa su volume indica la massa di soluto disciolto in un determinato volume di soluzione, in genere 1 L. Il percento in massa su volume è la quantità di soluto (in grammi) diviso il volume totale della soluzione (in millilitri) moltiplicato per 100. percento massa su volume = Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 massa di soluto (g) × 100 volume di soluzione (m. L) 15 38

4 La concentrazione di una soluzione CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Preparazione di una soluzione Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 16 39

5 La solubilità e le soluzioni sature CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Per solubilità s’intende la quantità massima di soluto che può sciogliersi, ad una definita temperatura, in una quantità di solvente. Una soluzione è detta satura quando la quantità della sostanza disciolta supera la solubilità della sostanza ad una data temperatura. In una soluzione satura l’eccesso di soluto si raccoglie sul fondo del contenitore ed è detto corpo di fondo. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 17 40

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 6 I passaggi di stato PAG. SUBLIMAZIO NE FUSIONE STATO SOLIDO EVAPORAZIONE STATO LIQUIDO SOLIDIFICAZIONE STATO GASSOSO CONDENSAZIONE SUBLIMAZIONE (O BRINAMENTO) Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 18 41

6 I passaggi di stato CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. u Curve di riscaldamento e di raffreddamento Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento. Una curva di fusione si ottiene riportando in un grafico i valori di temperatura in funzione del tempo di riscaldamento. Il naftalene presenta una curva di riscaldamento con una temperatura di fusione ben definita (80°C). In corrispondenza della temperatura di fusione si verifica una sosta termica in cui coesistono il solido e il liquido. La cera, che è una miscela di sostanze, fonde in un intervallo di temperatura. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 19 43

6 I passaggi di stato CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Nelle curve di riscaldamento dei liquidi ogni sostanza pura presenta una propria temperatura di ebollizione ad una definita pressione. In corrispondenza del punto di ebollizione si verifica una sosta termica in cui coesistono liquido e vapore. Durante le soste termiche, sia nelle curve di fusione che in quelle di ebollizione, la temperatura rimane costante. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 20 43

6 I passaggi di stato CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. Ogni sostanza pura, in una curva di raffreddamento, presenta: • la temperatura di condensazione uguale a quella di ebollizione • la temperatura di solidificazione uguale a quella di fusione La condensazione del vapore acqueo è a 100 °C e coincide con quella di ebollizione dell’acqua. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 21 44

6 I passaggi di stato CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. In una soluzione la temperatura di ebollizione dell’acqua si presenta superiore a 100 °C. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 22 44

6 I passaggi di stato CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA PAG. La temperatura di congelamento dell’acqua in una soluzione è inferiore a 0 °C. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 23 44

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. Da una miscela si possono ottenere le sostanze pure che la compongono con diversi processi di separazione. u Filtrazione La filtrazione è un processo che separa i componenti di una miscela sfruttando le differenti dimensioni delle particelle. Filtrazione con carta da filtro. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 24 45

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. u Centrifugazione La centrifugazione è un processo che separa i componenti di una miscela eterogenea sfruttando la loro differente densità. a. b. c. Centrifuga. Stato della provetta prima della centrifugazione. Stato della provetta dopo la centrifugazione. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 25 45

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. u Distillazione La distillazione è un processo che separa i componenti di una miscela omogenea (solido -liquido e liquido-liquido) sfruttando la diversa tendenza delle sostanze di passare allo stato di vapore e, quindi, il loro differente punto di ebollizione. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 Apparecchiatura per la distillazione in laboratorio. 26 46

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. Per separare due liquidi che hanno temperature di ebollizione molto vicine si ricorre ad una distillazione frazionata. Un esempio è la separazione acquaalcool etilico. Apparecchiatura per la distillazione frazionata con colonna di Vigreux. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 27 46

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. u Cristallizzazione Il processo di cristallizzazione sfrutta la differenza di solubilità dei componenti di una miscela al variare della temperatura. La solubilità di una sostanza in un dato solvente risulta, di norma, maggiore a caldo che non a freddo. Lo zucchero greggio viene raffinato a zucchero bianco mediante cristallizzazione, utilizzando l’acqua come solvente. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 28 46

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. u Estrazione con solventi L’estrazione consiste nel rimuovere composti da un campione utilizzando opportuni solventi. La preparazione di una tazza di tè, caffè, camomilla sfrutta questa tecnica. L’estrazione delle essenze dalla buccia di limone utilizza l’alcool etilico come solvente. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 29 47

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. u Cromatografia La cromatografia consiste nel fare adsorbire una miscela su un solido o su carta porosa (fase stazionaria) che ha il compito di trattenere con forze decrescenti i componenti della miscela. In seguito, con l’aggiunta di un eluente (fase mobile), i componenti la miscela vengono trascinati con diversa velocità per cui si separano. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 30 47

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. Le tecniche più comuni di cromatografia sono: la cromatografia in colonna Rappresentazione semplificata della cromatografia per adsorbimento. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 31 48

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 La separazione delle miscele in sostanze pure PAG. la cromatografia su carta Cromatografia ascendente. Paolo Pistarà Principi di Chimica Moderna © Istituto Italiano Edizioni Atlas 2011 Cromatogramma asciutto. 32 48