2 CAPITOLO Le trasformazioni fisiche della materia Indice 1 La materia e il modello particellare Le sostanze pure Miscele La solubilità dei solidi nei liquidi Fattori che influenzano la solubilità dei gas Concentrazione di una soluzione I passaggi di stato La separazione delle miscele in sostanze pure 1

La materia e il modello particellare 1 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La materia e il modello particellare 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 solido Stato liquido Stato gassoso 2

La materia e il modello particellare 1 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La materia e il modello particellare Conferma della teoria particellare 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. Al termine dell’esperimento, i vapori di bromo si sono diffusi in tutto il cilindro. 3

La materia e il modello particellare 1 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La materia e il modello particellare 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. 4

La materia e il modello particellare 1 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La materia e il modello particellare 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. 5

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Le sostanze pure 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. 6

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Le sostanze pure Le sostanze pure sono caratterizzate da specifiche proprietà fisiche e chimiche che 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. 7

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele 3 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele Le miscele (dette anche miscugli) sono suddivise in due categorie: miscele eterogenee e miscele omogenee. Miscele eterogenee Una miscela è eterogenea quando le sostanze non sono miscibili tra loro. Campione di latte. Campione di roccia granitica. 8

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele 3 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele 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. 9

miscela omogenea di due o più sostanze CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA SOLUZIONE miscela omogenea di due o più sostanze Solvente La sostanza presente in maggiore quantità che ha il compito di sciogliere Soluto la sostanza disciolta 10

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele 3 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Miscele 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 soluzione solvente liquido (particelle di acqua) 11

La solubilità dei solidi nei liquidi 4 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La solubilità dei solidi nei liquidi La solubilità varia da sostanza a sostanza ed è influenzata dalla temperatura. “Per solubilità s’intende la quantità massima di soluto che può sciogliersi, ad una definita temperatura, in una data quantità di solvente”. Soluzione insatura di NaCl. Soluzione satura di NaCl. 12

La solubilità dei solidi nei liquidi 4 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La solubilità dei solidi nei liquidi Una soluzione in cui il soluto è completamente disciolto è detta insatura. Quando il solvente non riesce a sciogliere il composto che resta allo stato solido, sul fondo del recipiente, la soluzione è detta satura. Processo di solubilizzazione e di cristallizzazione in una soluzione satura. In una soluzione satura si verificano due processi opposti: uno di solubilizzazione, l’altro di cristallizzazione. 13

La solubilità dei solidi nei liquidi 4 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La solubilità dei solidi nei liquidi Conoscendo la solubilità di un solido a diverse temperature è possibile tracciare la sua curva di solubilità. La solubilità dei solidi, in genere, aumenta con il crescere della temperatura. 14

Fattori che influenzano la solubilità dei gas 5 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Fattori che influenzano la solubilità dei gas La solubilità dei gas nei liquidi risulta influenzata dalla pressione e dalla temperatura, mentre per la solubilità dei solidi risulta importante la temperatura. La solubilità di O2, N2, He in acqua cresce con l’aumentare della pressione. L’influenza della pressione sulla solubilità dei gas nei liquidi è regolata dalla legge di Henry.  “ad una data temperatura, la solubilità di un gas in un liquido risulta direttamente proporzionale alla pressione del gas sul liquido”. 15

Fattori che influenzano la solubilità dei gas 5 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Fattori che influenzano la solubilità dei gas La solubilità di CO2, O2, N2 in acqua diminuisce al crescere della temperatura. La solubilità dei gas in acqua diminuisce con l’aumentare della temperatura. 16

Concentrazione di una soluzione 6 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Concentrazione di una soluzione 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. Percento in massa Il percento in massa è la quantità in grammi di soluto sciolti in 100 g di soluzione (soluto + solvente). massa di soluto percento in massa = × 100 massa della soluzione 17

Concentrazione di una soluzione 6 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Concentrazione di una soluzione Percento in volume Il percento in volume indica il volume in mL di soluto disciolto in 100 mL di soluzione. volume di soluto percento in volume = × 100 volume di soluzione 18

Concentrazione di una soluzione 6 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Concentrazione di una soluzione 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. massa di soluto (g) percento massa su volume = × 100 volume di soluzione (mL) 19

Concentrazione di una soluzione 6 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA Concentrazione di una soluzione Preparazione di una soluzione 20

Sublimazione (o Brinamento) 7 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA I passaggi di stato Sublimazione Fusione Evaporazione STATO SOLIDO STATO LIQUIDO STATO GASSOSO Solidificazione Condensazione Sublimazione (o Brinamento) 21

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA I passaggi di stato 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. 22

CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA 7 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA I passaggi di stato 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. 23

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure Da una miscela si possono ottenere le sostanze pure che la compongono con diversi processi di separazione. Filtrazione La filtrazione è un processo che separa i componenti di una miscela sfruttando le differenti dimensioni delle particelle. Filtrazione con carta da filtro. 24

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure Centrifugazione La centrifugazione è un processo che separa i componenti di una miscela eterogenea sfruttando la loro differente densità. a. Centrifuga. b. Stato della provetta prima della centrifugazione. c. Stato della provetta dopo la centrifugazione. 25

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure Distillazione Apparecchiatura per la distillazione in laboratorio. 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. 26

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure Apparecchiatura per la distillazione frazionata con colonna di Vigreux. Per separare due liquidi che hanno temperature di ebollizione molto vicine si ricorre ad una distillazione frazionata. Un esempio è la separazione acqua-alcool etilico. 27

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure 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. 28

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure 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. 29

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure 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. 30

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure Le tecniche più comuni di cromatografia sono: Rappresentazione semplificata della cromatografia per adsorbimento.  la cromatografia in colonna 31

La separazione delle miscele in sostanze pure 8 CAPITOLO 2. LE TRASFORMAZIONI FISICHE DELLA MATERIA La separazione delle miscele in sostanze pure  la cromatografia su carta Cromatografia ascendente. Cromatogramma asciutto. 32