Miscugli - Pearson

Unità
3
Dai miscugli
agli elementi
I contenuti
3.1 Sostanze pure e miscugli
3.2 Le caratteristiche delle soluzioni
3.3 Elementi e composti
Il Micronauta
Soluzioni e miscugli
Chimica in azione
L’acqua potabile che sgorga dai rubinetti delle nostre
case non è fatta di sole molecole di H2O: disperse tra
le molecole di acqua si trovano sempre altre sostanze, anche se non si vedono perché sono in soluzione.
Ma che cos’è un’acqua potabile? Secondo le norme
vigenti in Italia, può essere definita tale un’acqua che
risponda a precisi requisiti chimico-fisici. In particolare, la legge fissa la quantità – ovvero la concentrazione – massima in cui sono ammessi i “contaminanti” (microrganismi, metalli, idrocarburi, pesticidi,
sostanze radioattive e disinfettanti residui dei processi di potabilizzazione), in modo che non rappresentino un potenziale pericolo per la salute umana.
I risultati attesi
conoscenze
• conoscere distillazione o filtrazione
• conoscere le caratteristiche delle soluzioni
• definire e utilizzare i termini soluto
e solvente, concentrato e diluito, saturo
e sovrasaturo, miscibile e immiscibile
• spiegare la differenza tra elementi composti
e tra atomi e molecole
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• conoscere simboli e formule
• conoscere la legge della composizione
costante
abilità
• riconoscere sostanze pure, miscugli
omogenei, miscugli eterogenei
• distinguere tra elementi e composti,
e tra atomi e molecole
• leggere una formula chimica
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STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
3.1 Sostanze pure e miscugli
In questa lezione
Domande guida
◾ Che differenza c’è tra una sostanza
pura e un miscuglio a livello
macroscopico e a livello particellare?
◾ Che differenza c’è tra un miscuglio
omogeneo e uno eterogeneo?
◾ Su quali proprietà fisiche si basano
la distillazione e la filtrazione?
Il tuo vocabolario
sostanza pura pure substance
miscuglio mixture
miscuglio eterogeneo heterogeneous
mixture
miscuglio omogeneo homogeneous
mixture
distillazione distillation
filtrazione filtration
Facendo una passeggiata in montagna possiamo respirare aria pura, e l’acqua che sgorga da una sorgente è certamente pura; con l’aggettivo puro intendiamo infatti “non contaminato”. In chimica questo termine ha invece
un significato più preciso: quando il chimico afferma che un corpo è puro,
intende dire che esso è formato da una sola sostanza. Poiché gli atomi e le
molecole sono così piccoli, è praticamente impossibile ottenere un campione di sostanza assolutamente puro, cioè formato al 100% da particelle di
quella sostanza: basta un solo atomo (o una sola molecola) di una sostanza
diversa perché quel campione non sia puro. In questa lezione imparerete a
distinguere le sostanze dai miscugli.
■
Sostanze pure e miscugli
La materia può essere classificata in base alla composizione: un campione di
materia (o corpo) può essere una sostanza pura oppure un miscuglio.
Sostanze pure
Temperatura
L’acqua pura, alla normale pressione atmosferica, bolle a 100°C. Se facciamo
bollire una certa quantità di acqua distillata, cioè pura, la temperatura rimane
costante a 100°C finché tutto il liquido non è passato allo stato di vapore. Se
invece facciamo bollire acqua di mare, che contiene sali disciolti, osserviamo
un comportamento diverso. Non solo l’acqua bolle a una temperatura più
alta di 100°C, ma la sua temperatura continua a crescere via via che l’ebollizione procede, come mostra il grafico della Figura 3.1. Se l’ebollizione dura abbastanza a lungo, tutta l’acqua se ne va sotto forma di vapore, mentre sul
fondo del contenitore rimane un residuo solido di sale.
Questo diverso comportamento dell’acqua distillata e dell’acqua di mare illustra la differenza tra sostanze pure e miscugli.
100°C
Un sostanza pura (o semplicemente sostanza) è costituita da una
sola specie chimica, cioè da un solo tipo di particelle (atomi o molecole).
i
ad
re
ma
u
acq
acqua distillata
Tempo
Figura 3.1 Confronto tra le temperature
di ebollizione di un liquido puro e di un liquido
impuro Nel caso dell’acqua di mare
(linea blu), man mano che l’acqua bolle
(e quindi diminuisce di quantità), la quantità
di sale disciolta nell’acqua ancora presente
diventa in proporzione sempre
maggiore; questo provoca un aumento
della temperatura di ebollizione.
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L’acqua pura contiene un solo “tipo” di materia: infatti è costituita solo da
molecole di acqua; non sono presenti altri atomi o molecole.
Una sostanza pura possiede un ben definito insieme di proprietà fisiche e
chimiche che la caratterizza e la rende diversa da ogni altra sostanza.
Queste proprietà possono essere utilizzate per individuare la sostanza
considerata.
Una sostanza pura non può essere separata in altre sostanze più semplici con
mezzi fisici.
Miscugli
Pensate ora a una bella insalata mista: lattuga, carote, mais, pomodori e così
via. Normalmente i tipi di materia con cui abbiamo a che fare sono come
l’insalata, cioè miscugli di vari componenti mescolati assieme in proporzioni
variabili da caso a caso.
Un miscuglio è una porzione di materia in cui sono presenti due o
più specie chimiche.
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3
L’aria che respiriamo, l’acqua di mare,
un caffè, un pezzo di granito, l’ottone
di un clarinetto o l’acciaio di una forchetta sono tutti esempi di miscugli.
Le proprietà di un miscuglio dipendono dalle sostanze che lo compongono
e dalle loro quantità relative.
Le sostanze pure presenti in un miscuglio possono essere separate con
mezzi fisici; per esempio, abbiamo
visto che il sale e l’acqua possono essere separati facendo evaporare l’acqua.
La Figura 3.2 mostra la differenza tra
sostanze pure e miscugli a livello particellare.
■
a]
Br2
(sostanza pura)
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
b]
H 2O
(sostanza pura)
Miscugli omogenei ed eterogenei
Se mescolate acqua e olio, i due liquidi si separano in due strati distinti, o fasi,
formando un miscuglio che viene detto eterogeneo. Il prefisso etero- significa
“diverso, differente”.
c]
una piccola
quantità di Br2
in H2O
55
d]
una maggiore
quantità di Br2
in H2O
Figura 3.2 Sostanze pure e miscugli:
una visione particellare a] Il bromo puro (Br2)
è un liquido fatto solo di molecole di bromo.
b] L’acqua pura è fatta solo di molecole
d’acqua. cd] I miscugli di acqua e bromo
sono fatti di molecole di bromo e di acqua
mescolate in proporzioni variabili.
Un miscuglio eterogeneo ha una composizione che non è la stessa in
ogni suo punto.
Un pezzo di granito, in cui si possono vedere i diversi minerali componenti
(le fasi) a occhio nudo, è un esempio di miscuglio eterogeneo.
Se mescolate acqua e alcol, invece, i due liquidi si disperdono l’uno nell’altro
e danno luogo a un miscuglio dall’aspetto uniforme, che viene detto omogeneo. Il prefisso omo- significa “lo stesso”; infatti campioni di questo miscuglio
acqua-alcol, prelevati in punti diversi, avranno la stessa composizione e le
stesse proprietà.
Leggimi
Se un campione di materia appare
eterogeneo, si tratta sicuramente
di un miscuglio eterogeneo; se invece
un campione appare omogeneo,
può essere un miscuglio omogeneo
oppure una sostanza pura.
Un miscuglio omogeneo ha aspetto uniforme e la stessa composizione in ogni suo punto.
Un caffè ben mescolato, l’aceto, l’acqua salata sono miscugli omogenei; hanno una composizione uniforme, cioè uguale in ogni punto.
I miscugli omogenei sono anche chiamati soluzioni. Particolarmente importanti e comuni sono le soluzioni acquose, cioè le soluzioni in cui il componente
principale è l’acqua.
■
Un CD come tutor
Su questo argomento puoi svolgere
il problema assistito Distinguere le sostanze
pure dai miscugli.
Alcuni metodi di separazione dei miscugli
Viviamo in un mondo di miscugli, in cui le sostanze pure disponibili sono
davvero poche. L’aria che respiriamo è un miscuglio di ossigeno, azoto e altri
gas. Tutte le acque naturali, comprese le acque dolci dei fiumi e dei laghi e
quelle che beviamo, contengono sempre sostanze disciolte; persino l’acqua
piovana contiene in soluzione i gas dell’aria. E, naturalmente, anche il suolo è
un miscuglio.
Sono state sviluppate diverse tecniche per separare i miscugli, basate in genere sulle differenti proprietà fisiche dei loro componenti. Qui ne illustriamo
due molto comuni, non solo nei laboratori chimici.
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Un CD come tutor
La scheda di chimica animata
Separazione di miscugli presenta
alcuni metodi di separazione.
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STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
termometro
uscita acqua
di raffreddamento
condensatore
soluzione
(acqua
di mare)
pallone da
distillazione
ingresso
acqua di
raffreddamento
Figura 3.3 Separare un miscuglio
per distillazione Il campione di acqua viene
riscaldato nel pallone fino all’ebollizione.
Il vapore che si forma viene convogliato
nel condensatore, dove viene raffreddato,
condensato (cioè riportato allo stato liquido)
e quindi convogliato nella beuta di raccolta.
Nella camicia esterna del condensatore
scorre acqua di rubinetto, che serve
per raffreddare il vapore.
acqua
pura
Distillazione. Sappiamo che l’acqua di mare è una
soluzione che contiene diverse sostanze disciolte; di
tutte le sostanze presenti, l’acqua è quella con il più
basso punto di ebollizione. Perciò, se si riscalda un
campione di questa soluzione fino al punto di ebollizione, l’acqua passa allo stato di vapore senza portare
con sé i sali disciolti. Se si lascia raffreddare il vapore
in modo da farlo tornare allo stato liquido, si ottiene
un campione di acqua pura, priva di sostanze disciolte. Questa importante tecnica di separazione è chiamata distillazione; l’apparato che permette di realizzarla in laboratorio è illustrato nella Figura 3.3.
La distillazione separa un componente del miscuglio omogeneo di partenza (l’acqua) dagli altri
componenti (le sostanze disciolte) mediante trasformazioni fisiche: l’acqua passa dallo stato liquido allo stato aeriforme e poi ritorna allo stato liquido senza cambiare la propria natura chimica,
cioè rimane sempre acqua.
Filtrazione. Se raccogliamo un campione di acqua
naturale dal fondo di un corso d’acqua, può capitare
di prelevare anche del sedimento dal letto del fiume.
Per iniziare il processo di depurazione dell’acqua, prima di tutto dobbiamo eliminare questo sedimento mediante filtrazione. La filtrazione permette di separare i componenti di un miscuglio eterogeneo utilizzando un mezzo poroso, come
per esempio un filtro di carta. Le dimensioni dei pori del filtro permettono a uno
o a più componenti del miscuglio di attraversarlo, ma ne bloccano altri. Il filtro
infatti lascia passare la soluzione acquosa, mentre trattiene la ghiaia, la sabbia e
la polvere presenti nel sedimento.
Anche la filtrazione si basa su proprietà fisiche del miscuglio da separare: i
componenti formati da particelle più piccole dei pori del filtro possono passare, quelli con particelle troppo grosse vengono trattenuti. La Figura 3.4 illustra
un apparato da laboratorio per eseguire la filtrazione.
miscuglio eterogeneo
di solido e liquido
agitatore
imbuto
Figura 3.4 Separare un solido per filtrazione
a] Si sceglie una carta da filtro di porosità
adatta. Si piega il filtro in due, e poi di nuovo
in due; lo si apre come in figura e si adatta
il cono di carta all’imbuto. Spesso si strappa
un pezzetto di filtro da un angolo per
favorirne l’adesione all’imbuto. b] Il filtro
di carta viene posizionato nell’imbuto.
c] L’imbuto viene posto in un anello sorretto
da un’asta. Il miscuglio viene versato lungo
una bacchetta di vetro (agitatore): i solidi
rimangono nel filtro, mentre la soluzione
liquida lo attraversa e si raccoglie nel becher.
carta
da
filtro
a]
b]
liquido
omogeneo
c]
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DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
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3.1 Teniamoci in allenamento
Per riassumere
11 A parte gli alimenti, sai elencare cinque oggetti omoge-
Scrivi una risposta breve e sintetica.
1 Quali sono le caratteristiche che contraddistinguono le
sostanze pure? Quali sono invece le caratteristiche dei
miscugli?
2 Che cos’è la distillazione? Come si effettua?
3 Che cos’è la filtrazione? Come si effettua?
nei presenti in casa tua?
12 Elenca qualche sostanza pura che hai utilizzato oggi.
13 Quali delle seguenti rappresentazioni di particelle si riferiscono a una sostanza pura e quali a un miscuglio?
Completa con il termine corretto.
4 La temperatura di ebollizione di un liquido puro ri-
mane costante per tutta la durata del processo, invece la temperatura di ebollizione di una soluzioman mano che l’ebollizione
ne
procede.
5 Una soluzione è un miscuglio
.
6 La distillazione e la filtrazione sono tecniche per separare i componenti di un miscuglio che si basano sulle
dei componenti.
diverse proprietà
a]
b]
c]
d]
Spiega la differenza tra i termini di ogni gruppo.
7 miscuglio omogeneo | miscuglio eterogeneo
8 sostanza pura | miscuglio omogeneo
Per esercitarsi
9 Collega correttamente ogni termine della prima colonna (lettere) con il corrispondente della seconda
(numeri); i termini della seconda colonna possono essere utilizzati più volte.
acqua di rubinetto
Per ragionare
14 La pioggia proviene dall’acqua dei mari e degli oceani.
15
A
1 sostanza pura
B
2 miscuglio omogeneo
17
C
vapore
D
aria pulita e secca
E
16
3 miscuglio eterogeneo
10 I cubetti di ghiaccio, al loro interno, sono a volte omoge-
nei e a volte eterogenei. Quelli del tuo frigorifero sono
omogenei o eterogenei? Supponi che qualche cubetto di
ghiaccio di tipo omogeneo stia galleggiando sull’acqua
in un bicchiere: il contenuto del bicchiere è omogeneo o
eterogeneo? Giustifica entrambe le risposte.
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18
L’acqua piovana è più pura, meno pura o della stessa
purezza di quella del mare?
I farmaci sono preparazioni il cui effetto si basa sulla
presenza di una sostanza efficace, chiamata “principio
attivo”. Spesso si trovano in commercio diversi farmaci tutti basati sulla stessa sostanza. Se devi scegliere tra
acquistare una marca molto pubblicizzata e costosa e un
prodotto non reclamizzato che costa la metà e contiene
la stessa sostanza, cosa scegli? Giustifica la tua risposta.
Perché il latte che si compera viene chiamato omogeneizzato? Che cos’è il latte non omogeneizzato?
Un campione liquido trasparente e incolore viene distillato. La temperatura resta costante per tutto il processo. Anche il liquido ottenuto per condensazione
del vapore è trasparente e incolore. Entrambi i liquidi,
quello di partenza e quello finale, sono inodori e hanno lo stesso punto di solidificazione. Il liquido di partenza è una sostanza pura o un miscuglio? Quale delle
informazioni precedenti ti ha consentito di giungere
alla risposta?
Suggerisci almeno due modi per separare palline da
ping pong e sferette di acciaio mescolate in un contenitore. I metodi che suggerisci si basano su proprietà
fisiche o chimiche?
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STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
3.2 Le caratteristiche
delle soluzioni
In questa lezione
Domande guida
◾ Che cos’è una soluzione e quali tipi
di soluzioni esistono?
◾ Quali sono i principali termini che si
usano per descrivere le caratteristiche
delle soluzioni?
◾ Che cos’è la solubilità? Come si difinisce
una soluzione che contiene disciolta
una quantità di soluto pari alla solubilità?
Il tuo vocabolario
soluzione solution
colloidi colloids
solvente solvent
soluto solute
miscibili miscible
immiscibili immiscible
solubilità solubility
soluzione satura saturated solution
In natura possiamo osservare tantissimi esempi di soluzioni: l’acqua del mare,
dei laghi e dei fiumi, la linfa delle piante, le nostre lacrime, e così via. Un altro
esempio, per certi versi… più utile, è l’acqua in cui si cuoce la pasta: una soluzione di acqua e sale (prima di buttare la pasta, s’intende). Quando è tutto
disciolto, il sale diventa invisibile e si “disperde” in modo uniforme nel liquido, tanto è vero che, se assaggiamo l’acqua, il suo sapore è lo stesso in qualsiasi punto della pentola. Se invece all’acqua aggiungiamo dell’olio, esso non
riesce a disperdersi in modo uniforme in tutto il volume, ma resta sulla superficie, formando delle macchie ben visibili: acqua e olio sono infatti immiscibili. Quelle appena descritte sono alcune delle caratteristiche delle soluzioni che esamineremo in questa lezione.
■
Se da una soluzione si prelevano campioni in punti diversi, ci si accorge che la
loro composizione è la stessa. Ciò significa che le sostanze presenti sono distribuite in modo uniforme (vedi lezione 3.1):
una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più sostanze.
Due diverse soluzioni, anche se contengono le stesse sostanze, possono avere
composizioni diverse. Per esempio una soluzione di ammoniaca, NH3, in acqua può contenere 1 grammo di ammoniaca in 100 g di soluzione, oppure
2 grammi, o 5 grammi, e così via, fino a 29 grammi in 100 g di soluzione;
questo è il massimo valore possibile, quello che caratterizza la cosiddetta “ammoniaca concentrata” (a temperatura ambiente). Queste diverse soluzioni di
ammoniaca avranno proprietà fisiche differenti, in quanto hanno composizioni diverse. Spesso, quando parliamo di soluzioni, pensiamo a quelle di un
solido in un liquido, come il sale nell’acqua della pasta o nell’acqua di mare
[Figura 3.5a]. Però esistono molti altri tipi di soluzioni. Per esempio:
◾
a]
Figura 3.5 Alcuni
esempi di soluzioni
a] L’acqua di mare è
un caso di soluzione
di diverse sostanze
solide, come per
esempio il cloruro
di sodio, in un liquido
(l’acqua).
b] Le leghe
metalliche sono
b]
soluzioni di solidi
in solidi; infatti alcuni
metalli si “sciolgono” l’uno nell’altro
formando miscugli omogenei in cui
i componenti sono mescolati tra loro
a livello degli atomi. L’acciaio, che è stato
utilizzato per produrre le posate della figura,
è una soluzione di ferro e carbonio più altri
elementi in minori quantità.
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Soluzioni di tutti i tipi
◾
◾
l’aria è una soluzione gassosa formata prevalentemente dai gas azoto e ossigeno, insieme con argo e altri gas in piccole quantità;
l’acqua di fiumi, laghi e mari è una soluzione liquida che contiene disciolti diversi solidi (sali), ma anche gas (l’ossigeno che gli organismi utilizzano per
respirare e il diossido di carbonio). Il vino è una soluzione liquida formata in
prevalenza da due liquidi: acqua e alcol (etanolo);
le leghe metalliche sono comuni esempi di soluzioni solide formate da solidi
in solidi [Figura 3.5b].
Le soluzioni più comuni sono le soluzioni acquose, cioè quelle formate da un solido, un liquido o un gas disciolti in acqua.
■
Soluzioni e “non soluzioni”
Nelle soluzioni sono disperse particelle estremamente piccole, come atomi o
molecole, che presentano di solito dimensioni inferiori a 5 × 10−9 m (5 nm).
Particelle di queste dimensioni sono invisibili anche al microscopio e per questo le soluzioni ci appaiono omogenee.
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3
Inoltre, le soluzioni rimangono stabili anche quando sono lasciate a riposo, diversamente dai miscugli eterogenei, i quali contengono particelle di dimensioni maggiori che con il tempo si separano.
I colloidi sono una via di mezzo tra le soluzioni e
i miscugli eterogenei; le particelle che li compongono hanno dimensioni comprese approssimativamente tra 5 nm e 1000 nm. Tali particelle non
sono in genere visibili al microscopio, ma spesso
conferiscono al miscuglio un aspetto lattiginoso
oppure opaco. Il latte omogeneizzato, per esempio, è un colloide in cui le particelle e il mezzo in
cui si trovano disperse sono entrambi liquidi
(emulsione). Le gelatine, le vernici, gli aerosol, come la nebbia e il fumo, sono
tutti esempi di colloidi. Anche quando sono perfettamente trasparenti, i colloidi sono riconoscibili perché diffondono la luce [Figura 3.6].
■
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
59
Figura 3.6 Le particelle di un colloide diffondono
la luce e rendono visibile il suo percorso,
perché hanno dimensioni adatte per riflettere
e diffondere la luce in tutte le direzioni.
Un po’ di terminologia
Solvente e soluto. Quando parliamo di soluzioni, utilizziamo alcuni termini
molto simili tra loro, ma dal significato profondamente diverso; occorre imparare a conoscerli e a distinguerli. Cominciamo dai termini “solvente” e “soluto”. Quando un solido o un gas si sciolgono in un liquido, il solido e il gas
vengono chiamati soluti e il liquido solvente [Figura 3.7]. Più in generale:
il solvente è il componente presente in maggiore quantità, il soluto
è ogni altro componente di una soluzione.
Questa distinzione può presentare però delle eccezioni: per esempio, ci sono solidi che si sciolgono nell’acqua in quantità molto elevate, al punto da
poter diventare i componenti principali della soluzione; tuttavia, anche
quando questo si verifica, i solidi continuano a essere chiamati soluti.
solvente
Figura 3.7 Solvente e soluto a] L’acqua
soluzione
nel becher scioglie il solido azzurro (solfato
di rame) e forma b] una soluzione, che ha
un aspetto e una composizione uniformi,
cioè identici in ogni punto. L’acqua (liquido)
è il solvente, il solfato di rame (solido)
è il soluto.
soluto
a]
b]
Miscibile e immiscibile.
Se due liquidi si sciolgono l’uno nell’altro, in
qualunque proporzione, si dice che sono reciprocamente miscibili; viceversa, liquidi che non
si sciolgono affatto l’uno nell’altro sono immiscibili.
Sono liquidi miscibili acqua e alcol, mentre sono
immiscibili acqua e olio, o acqua e petrolio [Figura
3.8]. Nei casi intermedi, quando c’è miscibilità
ma non in tutte le proporzioni, si parla di liquidi
parzialmente miscibili.
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Figura 3.8 Liquidi immiscibili Il petrolio
è costituito da un miscuglio di composti
che non si sciolgono in acqua.
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A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
a]
Figura 3.9 Soluzioni diluite e concentrate
Un filo di rame metallico, Cu, reagisce con
una soluzione acquosa di nitrato di argento,
AgNO3, per formare argento metallico, Ag,
e una soluzione di nitrato di rame, Cu(NO3)2.
Il colore blu della soluzione è dovuto al rame
presente in essa. a] All’inizio della reazione,
il liquido nel becher presenta un colore
azzurro pallido: la soluzione è diluita. b] Dopo
un tempo più lungo, il blu diventa molto più
intenso: la soluzione è ora concentrata.
Concentrato e diluito.
La Figura 3.9 mostra due soluzioni di nitrato di rame, Cu(NO3)2, di uguale volume. Il colore blu di
ciascuna delle due soluzioni è dovuto al rame in
esse presente come soluto; in base all’intensità
del colore, possiamo dire che il soluto è presente
in quantità maggiore nella soluzione della Figura
3.9b.
In casi come questo diciamo che una soluzione è
più diluita e l’altra più concentrata.
Una soluzione concentrata contiene, in un dato volume, una quantità di soluto relativamente
grande; viceversa, una soluzione diluita conb]
tiene, a parità di volume, una quantità di soluto
relativamente piccola. Questi due termini hanno un significato puramente
qualitativo; mettono a confronto soluzioni costituite da soluti e solventi
uguali, ma non ci danno indicazioni precise sulle loro quantità.
■
Solubilità e soluzioni sature
Se mescoliamo 36,0 g di cloruro di sodio, NaCl, a 100 g di acqua, alla temperatura di 20°C, tutto il sale si scioglie. A questo punto, se aggiungiamo
anche un solo granello in più e mescoliamo di nuovo, non c’è modo di
farlo sciogliere; osserviamo infatti che rimane indisciolto come corpo di
fondo. Esiste un limite a quanto può essere concentrata la soluzione di un
dato soluto in un dato solvente [Figura 3.10]. Tale limite è chiamato solubilità
e dipende sia dalla natura di solvente e soluto, sia dalla temperatura. In
generale:
si definisce solubilità di un soluto in un solvente, a una data temperatura, la massima quantità di soluto che a quella temperatura si
scioglie in una data quantità di solvente.
La solubilità può essere espressa in vari modi, per esempio indicando quanti
grammi di soluto si sciolgono in 100 grammi di solvente. La solubilità del
cloruro di sodio a 20°C è 36,0 g di NaCl in 100 g di acqua. Una soluzione che,
a 20°C, contiene 36,0 g di NaCl in 100 g di acqua, contiene la massima quantità possibile di soluto e si definisce satura.
Figura 3.10 Soluzioni sature
(a sinistra) Il corpo di fondo che si è formato
nella soluzione satura contenuta
nella provetta è idrossido di nichel,
Ni(OH)2; (a destra) l’idrossido di alluminio,
Al(OH)3, in eccesso rimane indisciolto.
Un CD come tutor
La scheda di chimica animata Il caldo
istantaneo ti mostra come le proprietà
delle soluzioni sovrasature vengono
applicate nelle confezioni per impacchi
caldi istantanei.
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Si dice satura una soluzione di un soluto in un
dato solvente che, a una data temperatura,
contiene la massima quantità di soluto, cioè
una quantità pari al suo caratteristico valore
di solubilità.
Viceversa, si dice insatura una soluzione che
contiene meno della quantità massima di soluto
che può contenere a quella temperatura. Per alcune sostanze è possibile, in particolari condizioni,
ottenere una soluzione sovrasatura, cioè che
contiene una quantità di soluto maggiore del suo
limite di solubilità. Si tratta di una situazione instabile: prima o poi il soluto in eccesso si separa
dalla soluzione.
Sicuramente avete notato che è più difficile sciogliere lo zucchero in un tè
freddo che non in un tè caldo. In generale, la solubilità di un soluto in un dato
solvente varia al variare della temperatura.
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NaNO3
160
140
RbCl
LiCl
120
100
80
NH4Cl
60
KCl
40
NaCl
Li2SO4
20
0
20
40
1 Che cosa accade alla solubilità del nitrato
di sodio, NaNO3, via via che la temperatura
aumenta?
2 Ci sono sostanze la cui solubilità diminuisce
all’aumentare della temperatura?
3 Per quale sostanza la temperatura influisce
pochissimo sulla solubilità?
4 Supponi di aggiungere cloruro di sodio, NaCl,
a una soluzione satura dello stesso sale
a 20°C; poi immagina di scaldare la soluzione
fino a 40°C. Che cosa accadrebbe
al sale che hai aggiunto?
60 80 100
Temperatura (°C)
E∙
La solubilità della maggior parte dei
solidi aumenta all’aumentare della
temperatura, anche se ci sono delle
eccezioni [Figura 3.11]; invece la solubilità dei gas nei liquidi di solito diminuisce all’aumentare della temperatura. Inoltre, nel caso di soluzioni di gas in un liquido, la solubilità dipende anche dalla pressione.
Immagini per imparare
COMPETENZE
CsCl
AREA
180
61
COMPETENZE ∙
mostrano come varia la solubilità in acqua
di alcune sostanze solide al variare della
temperatura.
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
AREA
Figura 3.11 La solubilità dipende dalla
temperatura Le curve del grafico
Solubilità (g soluto/100 g H2O)
3
3.2 Teniamoci in allenamento
Per riassumere
Scrivi una risposta breve e sintetica.
1 Che cos’è una soluzione? Fornisci esempi di soluzioni
solide, liquide e gassose.
2 Come si definiscono il soluto e il solvente in una soluzione?
3 Come si definisce la solubilità?
10 Quando lo zucchero viene mescolato con l’acqua, si ot-
tiene un liquido trasparente, uniforme e incolore. Ciò
accade perché lo zucchero è solubile in acqua, oppure
perché è miscibile? Spiega la tua risposta.
11 Quale delle tre soluzioni rappresentate nella figura è
più concentrata? Quale è più diluita?
Completa con il termine corretto.
4 Nei
, come nelle soluzioni, le particelle di soluto non sono distinguibili, ma non si separano
per effetto della gravità come nei miscugli eterogenei.
5 Nel corso di un esperimento, una studentessa ha aggiunto acqua a una soluzione di idrossido di sodio, NaOH; la
concentrata di quella
soluzione ottenuta è
di partenza.
6 Una soluzione che contiene un corpo di fondo è una
.
soluzione
Spiega la differenza tra i termini di ogni gruppo.
7 concentrato ⏐ diluito
solvente
a]
soluto
b]
c]
8 miscibile ⏐ immiscibile
Per esercitarsi
9 Individua il soluto e il solvente in ognuna delle seguen-
ti soluzioni e spiega su che cosa basi le tue risposte.
a. acqua salata, NaCl(aq)
Per ragionare
12 È corretto dire che una soluzione satura è una solu-
zione concentrata? E che una soluzione concentrata è
satura? Spiega le tue risposte mettendo in evidenza la
differenza tra i due termini.
b. lega di argento sterling (92,5% Ag, 7,5% Cu)
c. aria (circa 80% N2, 20% O2)
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31-03-2011 9:58:40
62
PA RT E
A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
3.3 Elementi e composti
In questa lezione
Domande guida
◾ Che differenza c’è tra elementi e composti?
◾ Che differenza c’è tra atomi e molecole?
◾ Che cosa sono i simboli e le formule
chimiche?
◾ Le quantità degli elementi presenti
in un composto sono sempre le stesse?
Il tuo vocabolario
elemento chemical element
atomi atoms
composto compound
simboli chimici chemical symbols
formula chimica chemical formula
molecole molecules
legge della composizione costante
law of constant composition
Tutta la materia sulla Terra, nello spazio, nell’Universo si basa sulle combinazioni
di poche sostanze semplici, che chiamiamo elementi. Gli antichi Greci pensavano
che tutto si basasse sulla combinazione di quattro elementi: aria, acqua, terra e
fuoco. A questi, nel corso dei secoli successivi, gli alchimisti aggiunsero il sale e lo
zolfo. Oggi, di tutti questi materiali, l’unico che consideriamo ancora un elemento è lo zolfo. In questa lezione vedrete che cosa s’intende per elemento, quali sono gli elementi esistenti in natura e come si distinguono dagli altri materiali.
■
Le sostanze pure: elementi e composti
L’argento, un metallo molto usato in gioielleria, è una sostanza pura, pertanto possiede un caratteristico insieme di proprietà fisiche e chimiche che lo
differenzia da ogni altra sostanza. Nessun procedimento può scindere l’argento in sostanze più semplici; quest’ultima proprietà consente di definire
l’argento come elemento.
Un elemento è una sostanza pura che non può essere decomposta o
suddivisa in altre sostanze pure né con mezzi fisici né con mezzi
chimici.
Un elemento è formato da particelle tutte uguali; nel caso dell’argento, da
atomi di argento [Figura 3.12] che nessuna reazione chimica può trasformare in
particelle di altre sostanze. In questo senso, gli atomi sono le più piccole particelle di un elemento.
Figura 3.12 L’argento è un elemento:
infatti, non può essere decomposto
in altre sostanze pure più semplici.
La rappresentazione particellare (a destra)
suggerisce che nel solido gli atomi di argento
assumono una disposizione regolare.
Anche l’acqua è una sostanza pura ma, a differenza dell’argento, può essere
decomposta in altre sostanze pure. L’acqua è dunque un composto.
Un composto è una sostanza pura che può essere decomposta in due
o più sostanze pure mediante una trasformazione chimica.
La Figura 3.13 illustra con uno schema un concetto molto importante: una sostanza pura come l’acqua, cioè un composto, può essere separata in altre sostanze con metodi chimici; invece un miscuglio può essere separato nelle sostanze che lo compongono con metodi fisici (vedi lezione 3.1).
Figura 3.13 Una differenza importante fra
miscugli e composti Un miscuglio può essere
separato in sostanze pure con metodi fisici,
cioè sfruttando trasformazioni fisiche. Invece
un composto può essere separato in altre
sostanze pure con metodi chimici, sfruttando
trasformazioni chimiche.
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miscugli
composti
(sostanze pure)
separazione
con mezzi
fisici
separazione
con mezzi
chimici
composti
elementi
e/o
(sostanze pure)
(sostanze pure)
elementi
composti
e/o
(sostanze pure)
(sostanze pure)
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3
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
63
È importante notare che le proprietà dei composti sono sempre diverse dalle
proprietà degli elementi che li formano. Il sodio è un metallo dalla superficie
lucente che reagisce in modo energico quando viene esposto all’aria o all’acqua; il cloro è un gas giallo pallido molto reattivo e tossico (fu usato come gas
letale durante la Prima guerra mondiale). Non è certo piacevole avere a che
fare con nessuno di questi due elementi… invece il composto che essi formano, il cloruro di sodio, è un solido cristallino bianco, innocuo, che usiamo per
insaporire i cibi.
■
Gli elementi in natura
Tabella 3.1 I principali elementi
In natura sono presenti almeno 88 elementi diversi; ciò significa che esistono
almeno 88 tipi diversi di atomi. Oltre a questi, si conoscono poco più di una
ventina di elementi artificiali, che sono stati ottenuti nei laboratori di fisica e
chimica nucleare. Il rame, lo zolfo, l’argento e l’oro sono tra i pochi elementi
ben noti che si trovano in natura allo stato elementare, cioè non combinati con
altri atomi a formare composti.
A 20°C e alla normale pressione atmosferica, undici elementi si trovano allo
stato gassoso, due elementi (mercurio e bromo) si trovano allo stato liquido,
mentre tutti gli altri sono solidi. La maggior parte del corpo umano è costituita da solo quattro elementi, come potete vedere nella Tabella 3.1.
■
Simboli e formule chimiche
Il nome di un elemento è sempre indicato da un unico termine, come per
esempio ossigeno o ferro. I nomi chimici di quasi tutti i composti comuni sono
invece formati da più parole, come per esempio cloruro di sodio (il comune
sale da cucina) o carbonato di calcio (che forse conoscete come “calcare”).
Un ristretto numero di composti chimici diffusi e familiari ha un nome formato da una sola parola, come per esempio acqua, ammoniaca, metano. La Figura 3.14 mostra alcuni elementi e composti di uso comune.
Il nome di un elemento varia da lingua a lingua; per esempio, l’elemento che noi
chiamiamo rame si chiama copper in inglese, kupfer in tedesco, tóng in cinese.
presenti nel corpo umano
Elemento
Composizione
percentuale
numero di atomi
idrogeno
63,0%
ossigeno
25,5%
carbonio
9,45%
azoto
1,35%
calcio
0,31%
fosforo
0,22%
altri elementi
0,17%
Figura 3.14 Elementi e composti di uso
comune Le immagini rappresentano oggetti
familiari che sono formati da elementi
o composti quasi puri.
elementi
ferro
Fe
argento
Ag
rame
Cu
oro
Au
alluminio
Al
grafite (carbonio)
C
calcite (carbonato
di calcio)
CaCO3
acqua
H2O
composti
quarzo
(ossido di silicio)
SiO2
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idrossido di sodio
NaOH
gesso
(solfato di calcio)
CaSO4
zucchero da tavola
(saccarosio)
C12H22O11
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64
PA RT E
A
carbonio
oro
ossigeno
zinco
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
Figura 3.15 I simboli degli elementi chimici
sono cambiati nel corso dei secoli.
Gli alchimisti e il chimico inglese John
Dalton usavano disegni per rappresentare
gli elementi conosciuti o considerati tali.
Oggi gli elementi sono rappresentati
con un simbolo formato da una o due lettere.
Leggimi
I nomi e i simboli di tutti gli elementi sono
riportati anche nella tavola periodica
proposta in terza di copertina. Anche se
ne parleremo più avanti, puoi cominciare
a usarla come un semplice strumento
per orientarti nel “mondo” degli elementi.
I chimici però rappresentano gli elementi in una forma sintetica mediante i
simboli chimici che sono di uso universale, cioè comune a tutte le lingue.
La Figura 3.15 mostra alcuni dei simboli utilizzati dal chimico inglese John Dalton.
I simboli chimici oggi in uso si basano su un sistema proposto dal chimico svedese Jacob Berzelius (1779-1848), che componeva il simbolo di ciascun elemento con la prima o le prime due lettere del suo nome latino. Tuttora il simbolo chimico degli elementi è costituito da una o due lettere; la prima è sempre
scritta in maiuscolo e la seconda – quando c’è – in minuscolo. Per esempio, il
simbolo dell’ossigeno è O, quello del carbonio è C e quello del cloro è Cl.
I simboli chimici sono notazioni sintetiche, valide in tutto il mondo,
utilizzate per rappresentare gli elementi. Ogni simbolo è formato
da una o due lettere; la prima è sempre scritta in maiuscolo.
Il simbolo dell’idrogeno è H (dal latino hydrogenum) e quello del sodio è Na
(dal latino natrium). I simboli chimici si leggono lettera per lettera: Na si legge
“enne-a”, Cl (cloro) si legge “ci-elle” e così via.
A vari elementi è stato assegnato un nome che ricorda una loro particolare
proprietà. Per esempio, bromo deriva dalla parola greca bromos, che significa
“tanfo, fetore”, in riferimento all’odore irritante di questo elemento. Altri elementi hanno un nome che fa riferimento a uno Stato, come polonio, francio,
americio. Ad altri ancora è stato assegnato un nome in onore di alcuni scienziati: curio, per esempio, deriva dal cognome della scienziata Marie Curie.
In seconda di copertina trovate una tabella che elenca in ordine alfabetico i
nomi e i simboli di tutti gli elementi, insieme ad alcune informazioni; vi consigliamo di utilizzarla mentre leggete questa lezione.
Per rappresentare in modo sintetico un composto, i chimici usano una formula chimica, cioè mettono insieme i simboli degli elementi presenti in quel
composto. Per esempio, H2O (si legge “acca-due-o”) è la formula dell’acqua;
questa scrittura significa che l’acqua è composta di atomi di idrogeno e di
atomi di ossigeno e che in una molecola d’acqua (che è l’unità base del composto acqua) sono presenti due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O).
simbolo
dell’idrogeno
simbolo
dell’ossigeno
H2O
l’indice 2 segnala
che sono presenti
2 atomi di idrogeno
l’indice 1 è sottinteso;
esso indica che è presente
1 solo atomo di ossigeno
La formula chimica riporta il simbolo di ogni elemento presente nel composto e ciascun simbolo reca in basso a destra un numero, chiamato indice, che
segnala quanti atomi di quell’elemento sono presenti in ogni unità base del
composto.
La formula chimica di un composto è una notazione sintetica che
indica il tipo e il numero di atomi che formano ogni unità base di
quel composto.
La formula chimica, però, non ci dice niente sul modo in cui gli atomi sono disposti e uniti tra loro nella molecola. Nella molecola d’acqua, per esempio, i due
atomi di idrogeno potrebbero essere uniti l’uno all’altro oppure essere uniti all’ossigeno. Per rappresentare la struttura della molecola in modo semplice ed
efficace, i chimici usano le formule di struttura. Quella dell’acqua è:
O
H
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H
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3
■
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
65
Le unità base di elementi e composti
Osservate con attenzione le immagini della Figura 3.16, che mostrano alcune sostanze – sia elementi sia composti – con le rispettive rappresentazioni particellari.
Simbolo
o formula
Forma
naturale
elio
He
atomo
sodio
Na
atomo/
solido
cristallino
bario
Ba
atomo/
solido
cristallino
idrogeno
H2
molecola
gas incolore
ossigeno
O2
molecola
gas incolore
cloro
Cl2
molecola
acido
cloridrico
HCl
molecola
acqua
H 2O
molecola
cloruro
di sodio
NaCl
solido
cristallino
cloruro
di bario
BaCl2
solido
cristallino
Sostanza
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Modello
Aspetto
macroscopico
gas incolore
Figura 3.16 Le unità base di elementi
e composti Alcuni elementi (come elio, sodio
e bario) si trovano in natura sotto forma
di singoli atomi; altri elementi (come idrogeno,
ossigeno e cloro) sono formati da molecole
che contengono due atomi. L’acido cloridrico
(o cloruro di idrogeno), l’acqua, il cloruro
di sodio e il cloruro di bario sono composti.
Il termine “cristallino” si riferisce ai solidi
in cui le particelle si ripetono in modo
regolare in strutture ordinate.
gas incolore
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66
PA RT E
A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
Gli elementi, quando sono allo stato elementare (cioè non legati ad altri
elementi in un composto), possono essere formati da singoli atomi. Elio (He),
sodio (Na) e bario (Ba) sono esempi di elementi di questo tipo; possiamo chiamarli elementi monoatomici. La loro formula, pertanto,
coincide con il loro simbolo.
◾
sodio
bario
elio
Altri elementi, invece, si presentano normalmente in forma di molecole, ovvero aggregati stabili di due o più atomi. Per esempio, idrogeno (H2), ossigeno (O2)
e cloro (Cl2) sono costituiti da molecole biatomiche; ogni loro molecola è fatta
di 2 atomi dell’elemento, come indica il numero 2 scritto al piede del simbolo.
ossigeno Pertanto, possiamo chiamarli elementi molecolari.
◾
cloro
idrogeno
◾ Anche composti come l’acqua (H2O), l’ammoniaca (NH3), il diossido di carbonio (CO2) – che forse conoscete come anidride carbonica – sono formati da molecole. Sono dunque composti molecolari.
acqua
Altri composti, invece, non contengono molecole distinte e indipendenti,
ma sono formati da strutture tridimensionali regolari in cui si ripetono con
ordine gli elementi che li costituiscono. Nel caso di composti come il cloruro
di sodio (NaCl) l’unità base è la formula, che esprime il più piccolo rapporto
tra i due elementi nel solido; sodio e cloro sono presenti in rapporto 1:1 (uno
a uno), come espresso dalla formula NaCl. Nel caso del cloruro di bario, che
contiene due atomi di cloro per ogni atomo di bario, l’unità formula è BaCl2.
◾
cloruro di sodio
Esercizio guidato 3.1
Distinguere elementi e composti
Osservate la tabella, che riporta informazioni su alcune sostanze chimiche; quindi
rispondete alle domande.
Sostanza
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Simbolo
o formula
neon
Ne
calcio
Ca
azoto
N2
bromo
Br2
diossido
di carbonio
CO2
fluoruro
di calcio
CaF2
Modello
Aspetto
macroscopico
gas incolore
gas incolore
gas incolore
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3
a.
b.
c.
d.
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
67
Quali sostanze della tabella sono elementi e quali composti?
Quali sostanze esistono in forma di molecole?
Quali sostanze esistono in forma di atomi?
Quali sostanze esistono come solidi in cui le particelle si ripetono in modo
regolare in strutture ordinate, cioè in forma cristallina?
Soluzione
La tabella è simile a quella della Figura 3.16. Osservando i modelli proposti
potete rispondere a tutte le domande.
▼
a. Neon, calcio, azoto e bromo sono elementi; diossido di carbonio e fluoruro
di calcio sono composti.
b. Azoto, bromo e diossido di carbonio esistono in forma di molecole.
c. Neon e calcio esistono in forma di atomi.
d. Calcio e fluoruro di calcio sono solidi a struttura cristallina.
■
La legge della composizione costante
Un composto non è un semplice miscuglio di elementi; infatti, come abbiamo visto, le sue proprietà chimiche sono molto diverse da quelle degli elementi che lo costituiscono. Inoltre ha una composizione ben definita e gli
elementi che lo formano sono combinati assieme in un preciso rapporto. Fu
il chimico francese Joseph Louis Proust (1754-1826) a esprimere questa sua
scoperta nella legge della composizione costante (o legge delle proporzioni definite):
in un composto, i rapporti tra le masse degli elementi che lo costituiscono sono definiti e costanti.
Ciò significa che non è importante da dove proviene il campione di un dato
composto. Per esempio, 100 g di acqua pura contengono sempre 11,1 g di
idrogeno e 88,9 g di ossigeno, sia che provengano da uno stagno in Sardegna,
da un fiume in India o da una cometa ai confini del Sistema solare. In altri
termini, nell’acqua pura si trova sempre che:
88, 9 g ossigeno
= 8, 0
11,1 g idrogeno
Viceversa, se 100 g di una sostanza pura contengono 11,1 g di idrogeno e
88,9 g di ossigeno, allora quella sostanza è certamente acqua.
3.3 Teniamoci in allenamento
Per riassumere
4 In quali casi la formula di un elemento coincide con il
Scrivi una risposta breve e sintetica.
suo simbolo?
5 Enuncia la legge della composizione costante.
1 Come puoi distinguere elementi e composti dal punto
di vista macroscopico? E da quello particellare?
2 In quali forme si possono trovare gli elementi e i composti in natura? Illustra la tua risposta con qualche
esempio.
3 Quali sono le informazioni presenti in una formula?
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Completa con il termine corretto.
6 In natura esistono almeno 88
7 Il sodio è rappresentato dal
l’acqua è rappresentata dalla
.
Na;
H2O.
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68
PA RT E
A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
8 Il bario è un
, mentre il cloruro di
.
bario è un
13 Classifica ognuna delle sostanze della figura come ele-
mento o come composto.
Spiega la differenza tra i termini di ogni gruppo.
9 elemento | composto
10 atomo | molecola
Per esercitarsi
11 Collega correttamente ogni termine della prima colonna (lettere) con il corrispondente della seconda (numeri); eventualmente puoi consultare la Figura 3.16.
elio
A
1
composto formato da molecole
distinte
acqua
B
2
elemento formato da singoli
atomi
cloruro di sodio
C
3 elemento formato da molecole
ossigeno
D
4
composto che non contiene
molecole distinte
12 Osservando i simboli e le formule, classifica le seguen-
ti sostanze come elementi o composti.
a. Ni
b. Kl
c. CaSO4
d. P4
e. NO2
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a]
b]
c]
d]
Per ragionare
14 Un composto può essere separato in altri composti?
15 Un materiale bianco e cristallino, simile nell’aspetto al
sale da cucina, sviluppa un gas quando viene riscaldato
in determinate condizioni. Il solido che resta non cambia aspetto, ma non ha più lo stesso odore che aveva
prima di essere riscaldato. Si tratta di un elemento o di
un composto? Giustifica la tua risposta.
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3
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
69
COMPETENZE
Chimica in azione
Chimica ovunque
COMPETENZE ∙
AREA
COMPETENZE ∙
AREA
Per capire...
Figura B Gascromatografo per l’analisi
dei componenti di un miscuglio di sostanze.
AREA
COMPETENZE ∙
AREA
1. Quando una minestra è insipida,
possiamo considerarla una soluzione
troppo diluita di sale. Anche una
soluzione di cianuro di sodio della
stessa concentrazione della minestra
diluita sarebbe troppo diluita?
2. Quale unità di misura si utilizza
per esprimere i limiti di
concentrazione ammessi nelle acque
per gli inquinanti più nocivi?
COMPETENZE ∙
COMPETENZE ∙
AREA
COMPETENZE ∙
AREA
Figura A Spettrofotometro per le analisi
di routine delle acque.
TENZE ∙
Vi è mai capitato, durante una cena,
di osservare che la minestra sembra
un po’ insipida e di sentirvi rispondere: «Ma io il sale ce l’ho messo!»?
In questa unità avete imparato qual
è il modo “scientifico” per rispondere: non è un problema di qualità (cioè
che sia o non sia presente il sale), ma
di quantità, anzi di quantità per unità
di volume. Cioè di concentrazione.
Potete verificare voi stessi che la
concentrazione (espressa in grammi
di sale per litro di soluzione) che ci
dà – al di là dei gusti individuali – una
percezione di una minestra o una pasta “ben salata” è piuttosto elevata;
potete facilmente misurarla in modo
approssimativo usando una buona
bilancia da cucina su cui pesare il
“pugnetto” di sale, e conoscendo la
capacità della pentola in cui cuocete
la pasta.
La stessa cosa vale per la “dolcezza” del tè o del caffè: anche qui il calcolo è semplice, soprattutto se utilizzate bustine che contengono quantità
prepesate di zucchero.
Sia per il sale nella pasta sia per
lo zucchero nel tè, troverete valori di
concentrazione sicuramente assai superiori a un grammo di soluto (sale,
zucchero) per un litro di solvente (acqua, tè); ci sono invece soluzioni che
risultano “troppo concentrate” anche
con molto, molto meno di tale quantità.
Che cosa pensereste, per esempio,
se il sale nella minestra, invece del
cloruro di sodio, fosse un cianuro o
un arseniato di sodio? In fondo si tratta sempre di sali contenenti sodio…
ma le dosi letali di questi composti
sono molto più basse di quelle del
cloruro di sodio. È proprio il caso di
dire che tutto è relativo!
Un’altra soluzione che conviene
sia più diluita possibile è l’acqua inquinata, che possiamo considerare
come una soluzione di sostanze inquinanti disciolte nell’acqua: meno ce
n’è, meglio è.
Più un inquinante è nocivo o è indice di un inquinamento pericoloso, più
deve essere diluito. Le concentrazioni
di certe sostanze si devono mantenere così basse che la massima concentrazione ammissibile, nelle acque da
scaricare in fognatura, deve essere
espressa con unità di misura adatte,
come le parti per milione (ppm).
Per una soluzione diluita 1 ppm
equivale a 1 milligrammo per litro. Per
esempio, il cromo(VI), un inquinante
di origine industriale, non può nemmeno arrivare a 1 ppm e il mercurio
si deve mantenere sotto 0,005 ppm (5
millesimi di milligrammo in un litro!).
Valori molto bassi, inferiori a 1 ppm,
sono previsti anche per molte altre sostanze, come i pesticidi che derivano
dalle attività agricole e alcuni solventi.
Per controllare quantità di sostanze così piccole, si effettuano analisi
con strumenti sofisticati dai nomi altisonanti: spettrofotometri per ultravioletto [Figura A], spettrofotometri
per assorbimento atomico, plasma
ad accoppiamento induttivo, polarografi, cromatografi [Figura B], spettrofotometri infrarossi in trasformata
di Fourier ecc.
AREA
Soluzioni più o meno concentrate
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31-03-2011 9:59:43
PA RT E
70
A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
il Micronauta
Soluzioni e miscugli
Insieme… o separati?
A
LE MOLECOLE DI ZUCCHERO
CHE SCENDONO DAL
CUCCHIAIO SI DISPERDONO
TRA LE MOLECOLE
DI ACQUA DEL BICCHIERE:
ZUCCHERO E ACQUA SI
MESCOLANO MOLTO BENE.
Che cosa vedi
soluzioni
Quando mescoliamo due sostanze, a volte
otteniamo una soluzione in cui non si
distinguono più i due componenti, come nelle
figure A e B. Altre volte, invece, le due sostanze
si ignorano e restano separate anche dopo che
le abbiamo mescolate nello stesso contenitore,
come nelle figure C e D.
SE VERSIAMO L’ANTIGELO NELL’ACQUA
OTTENIAMO UNA SOLUZIONE, PERCHÉ LE
MOLECOLE DI ANTIGELO SI DISPERDONO
TRA LE MOLECOLE DI ACQUA.
B
Lo zucchero
è saccarosio,
C12H22O11.
Il principale ingrediente
dell’antigelo
per le automobili
è il glicole etilenico,
C 2 H6 O2 .
L’antigelo resta visibile solo
finché non si è mescolato
con l’acqua: una volta disciolto
è impossibile distinguerlo dall’acqua.
È impossibile vedere
lo zucchero una volta
che si è disciolto nell’acqua.
1. Non solo accadueò Anche quando è limpidissima, l’acqua
del mare non è mai una sostanza pura; le sostanze disciolte
non si vedono perché sono disperse tra le molecole d’acqua
a formare una soluzione.
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31-03-2011 10:00:25
3
DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
71
2. Che danno!!! Il fatto che il petrolio non
si mescoli con l’acqua ha come conseguenza
che l’acqua da sola non è in grado di lavare via
il petrolio che imbratta le coste o gli organismi
marini. Gli uccelli che vivono in contatto
con la superficie del mare rischiano in modo
particolare di imbrattarsi e, se sono molto
contaminati, in genere non sopravvivono.
miscugli eterogenei
C
SE VERSIAMO NELL’ACQUA L’OLIO MINERALE,
USATO PER LUBRIFICARE I MOTORI, LE SUE
MOLECOLE NON SI DISPERDONO TRA
QUELLE DELL’ACQUA, MA RESTANO L’UNA
VICINA ALL’ALTRA E SI FORMA UNO STRATO
DI OLIO MINERALE SOPRA L’ACQUA.
IL DIOSSIDO DI CARBONIO È UN GAS CAPACE
DI MESCOLARSI CON L’ACQUA, PERÒ
QUANDO LA QUANTITÀ È ELEVATA, E SUPERA
LA SUA SOLUBILITÀ, IL GAS FORMA LE BOLLE
CHE SI VEDONO NELL’ACQUA FRIZZANTE.
D
Il diossido di carbonio
(CO2) è un gas capace
di mescolarsi con l’acqua.
L’olio impiegato per
lubrificare i motori
è una miscela
di idrocarburi,
composti formati
da idrogeno e carbonio.
L’acqua frizzante non è
una soluzione omogenea,
perché contiene bolle
come questa, dove
si raccoglie il diossido
di carbonio che non
si scioglie nell’acqua.
E ora rispondi
• Che cosa succede ai granelli di zucchero quando si versano nell’acqua?
• Perché quando si versa in acqua l’antigelo alla fine non è più possibile
distinguerlo dall’acqua, mentre l’olio lubrificante resta “visibile”?
• L’acqua del mare è una soluzione? E l’acqua frizzante?
• Camminando a piedi nudi su una spiaggia, può succedere di sporcarsi
di catrame (che ha una composizione simile al petrolio); queste macchie
poi sono molto difficili da pulire con l’acqua. Sai spiegare perché?
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PA RT E
A
STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
L’unità in sintesi
Rivedi gli argomenti di questa unità attraverso le risposte alle domande guida, lezione per lezione.
3.1 Sostanze pure e miscugli
◾ Una sostanza pura è costituita da una sola specie chimica, contiene un solo tipo di particelle e possiede un insieme di proprietà fisiche e chimiche che la rende diversa da
ogni altra sostanza. Un miscuglio è un campione di materia formato da due o più sostanze pure mescolate assieme in un rapporto che può variare da caso a caso, contiene due o più tipi di particelle e le sue proprietà dipendono
dalle sostanze presenti e dalla loro quantità.
◾ Quando si mescolano due o più sostanze pure, si può ottenere un miscuglio omogeneo (chiamato anche soluzione), uniforme in tutte le sue parti, oppure un miscuglio
eterogeneo, in cui si identificano parti (o fasi) diverse.
◾ I componenti dei miscugli possono essere separati con tecniche che sfruttano le loro differenti proprietà. La distillazione si basa sul diverso punto di ebollizione dei componenti di un miscuglio, la filtrazione sulla diversa capacità
dei componenti di passare attraverso i pori di un filtro.
3.2 Le caratteristiche delle soluzioni
◾ Una soluzione è un miscuglio omogeneo di due o più
componenti. Ci sono soluzioni di gas in gas (per esempio
l’aria), di gas in liquidi (bevande gassate), di liquidi in liquidi (vino), di solidi in liquidi (acqua di mare) e di solidi in
solidi (leghe metalliche). I colloidi sono una via di mezzo
tra soluzioni e miscugli eterogenei; le particelle disperse
hanno dimensioni comprese tra 5 nm e 1000 nm.
◾ Ogni soluzione è formata da almeno due componenti; in
genere, quello presente in maggiore quantità è chiamato
solvente, mentre ogni altro componente è detto soluto.
Se due liquidi si sciolgono l’uno nell’altro in qualunque proporzione, si dice che sono reciprocamente miscibili; viceversa, se non si sciolgono si dice che sono immiscibili.
Le soluzioni che contengono quantità relativamente
alte di soluto si dicono concentrate, mentre quelle in
cui la quantità di soluto è relativamente bassa si dicono diluite.
◾ La solubilità di un soluto a una data temperatura è la
quantità massima di soluto che, a quella temperatura, si
scioglie in una data quantità di solvente. In genere, la
solubilità di un solido in un liquido aumenta all’aumentare della temperatura.
Si dice satura una soluzione che, a una data temperatura, contiene disciolta una quantità di soluto pari alla solubilità caratteristica del soluto a quella temperatura;
una soluzione insatura contiene meno della quantità
massima di soluto a quella data temperatura; una soluzione sovrasatura contiene disciolta una quantità di soluto maggiore della solubilità a quella data temperatura,
senza però presentare corpo di fondo.
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3.3 Elementi e composti
◾ Le sostanze pure possono essere elementi o composti:
• un elemento è una sostanza che non può essere decomposta o suddivisa in altre sostanze più semplici,
né con mezzi fisici né con mezzi chimici;
• un composto è una sostanza pura che può essere decomposta in altre sostanze mediante una trasformazione chimica. Le caratteristiche dei composti sono
diverse da quelle degli elementi che li costituiscono.
◾ La più piccola unità alla base di un elemento si chiama
atomo. Gli atomi possono legarsi tra loro per formare
aggregati chiamati molecole.
◾ I simboli chimici permettono di scrivere gli elementi in
una forma abbreviata che è la stessa in tutto il mondo; ogni
simbolo è formato da una o due lettere, la prima sempre
maiuscola. Le formule chimiche sono combinazioni di
simboli con numeri al piede (indici); indicano il tipo e il numero di atomi presenti in ogni unità base di un composto.
◾ In un composto, i rapporti tra le masse degli elementi che
lo formano sono ben definiti e sono sempre gli stessi per
qualunque campione puro di quel composto (legge della
composizione costante o delle proporzioni definite).
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DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
Per preparare la verifica
Sostanze pure e miscugli
1 Completa ogni frase evidenziando il termine corretto
Le caratteristiche delle soluzioni
8 Vero o falso?
tra quelli indicati in parentesi.
a. Le miscele gassose sono sempre soluzioni.
V
F
a. Quando un campione ha, in ogni sua parte, un aspetto e una composizione uniformi, si dice che è [un miscuglio / una sostanza pura / omogeneo].
b. Se si analizzano campioni prelevati da punti
diversi di una soluzione, ci si accorge che
la loro composizione è differente.
V
F
b. La filtrazione permette di separare i componenti di
[un miscuglio eterogeneo / un miscuglio omogeneo / una
soluzione] utilizzando un mezzo poroso, come un filtro di carta.
c. Soluzioni della stessa sostanza a diverse
concentrazioni avranno proprietà fisiche diverse,
in quanto hanno composizioni diverse.
V
F
d. Una soluzione che è satura a 25°C sarà
sicuramente satura anche a 80°C.
V
F
e. Olio e acqua sono immiscibili a freddo
ma si mischiano completamente a caldo.
V
F
c. Qualsiasi sostanza pura che possa essere decomposta in due o più altre sostanze pure mediante una
trasformazione chimica è un [miscuglio omogeneo /
elemento / composto].
2 Scrivi un breve testo per spiegare qual è la relazione
tra i seguenti termini.
distillazione, miscuglio omogeneo, riscaldamento, raffreddamento, liquido puro
Risolvi i seguenti quesiti e problemi.
3 Realizza due disegni che rappresentino rispettivamen-
te una visione particellare di un miscuglio omogeneo e
una visione particellare di un miscuglio eterogeneo.
4 Come puoi stabilire se un miscuglio è omogeneo o ete-
rogeneo dal punto di vista macroscopico e da quello
particellare? Fai qualche esempio.
5 La densità di un liquido viene determinata in labora-
torio. Nel corso della notte, il liquido viene lasciato in
un contenitore aperto; la mattina seguente la densità
viene misurata di nuovo e si trova che essa è più elevata di quanto non fosse il giorno prima. Il liquido in
esame è una sostanza pura o un miscuglio? Spiega la
tua risposta.
9 Completa la seguente frase evidenziando il termine
corretto tra quelli indicati in parentesi.
Se in una quantità consistente di solvente sciogliamo
una quantità molto piccola di un sale solubile, otteniamo una soluzione [concentrata / diluita / satura]; se infine aggiungiamo del solvente a tale soluzione, otterremo una soluzione meno [concentrata / diluita / satura]
della precedente.
10 Scrivi un breve testo per spiegare qual è la relazione
tra i seguenti termini.
soluzioni, dimensioni, colloidi, miscugli eterogenei
Rispondi.
11 Si possono vedere le particelle di soluto disciolte in una so-
luzione? Se sì, fornisci un esempio; se no, spiega perché.
12 Quando l’acqua e il tetracloruro di carbonio, CCl4,
vengono aggiunti alla stessa provetta, sul fondo si
forma uno strato di tetracloruro di carbonio e sopra
uno di acqua. Che cosa puoi dire sulla miscibilità dei
due liquidi?
6 Un liquido, che può essere una sostanza pura o un mi-
13 Indica che cosa succede se si aggiunge una piccola
scuglio, viene posto in un apparecchio per la distillazione. Il liquido viene fatto bollire e in parte condensato e
raccolto in una beuta. Il liquido rimanente viene quindi
rimosso e raffreddato fino al congelamento, e ne viene misurata la temperatura di fusione. Si ottiene una
temperatura di fusione più bassa di quella del liquido
originale. Il liquido originale era una sostanza pura o
un miscuglio? Giustifica la tua risposta.
quantità di cloruro di sodio, NaCl, al contenuto di ciascuna delle seguenti provette:
7 Ti viene dato un miscuglio di sale da cucina e sabbia,
che devi separare in modo da ottenere alla fine il sale
da cucina puro. Spiega come si può ottenere questo risultato. Il tuo metodo è basato su proprietà chimiche o
fisiche? Giustifica la tua risposta.
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a. una provetta con una soluzione satura di NaCl;
b. una provetta con una soluzione insatura di NaCl;
c. una provetta con una soluzione sovrasatura di NaCl.
14 Abbiamo definito una soluzione come un miscuglio
omogeneo; l’aria pura, dunque, è una soluzione. Allora
possiamo dire che anche l’atmosfera è una soluzione?
Motiva la tua risposta.
15 Quando l’acqua e l’acido acetico, un liquido trasparente
e incolore, si miscelano tra loro, ne risulta un liquido
incolore, uniforme e trasparente. L’acido acetico è solu-
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STRUTTURA E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
bile in acqua? Quale termine si usa per questo tipo di
miscugli omogenei? Spiega la tua risposta.
Elementi e composti
16 Vero o falso?
ognuna delle sostanze elencate nella prima colonna
della tabella, scrivi il simbolo (scelto tra quelli indicati
nella prima riga) che meglio descrive la sostanza nel
suo stato più comune, a temperatura ambiente e alla
normale pressione atmosferica. (La colonna “E, C” va
riempita solo per le sostanze pure; la prima riga è già
compilata come esempio.)
a. L’ammoniaca è un elemento, perché
il suo nome è formato da una sola parola.
V
F
b. Un composto può essere separato in altre
sostanze pure con mezzi fisici.
V
F
acqua torbida
di uno stagno
c. Nel corpo umano ci sono più atomi
di idrogeno che di calcio.
V
F
carbonato
di calcio
d. Tutti gli elementi si trovano in natura sotto
forma di atomi singoli.
g. Se un campione di diossido di zolfo è costituito
al 50% da zolfo e al 50% da ossigeno, allora tutti
i campioni di diossido di zolfo sono costituiti
dal 50% di zolfo e dal 50% di ossigeno.
P, M Omo, Ete E, C
prevalentemente L
M
Ete
–
piombo
V
e. Il cloruro di bario, che contiene due atomi di cloro
V
per ogni atomo di bario, ha formula Ba2Cl.
f. Azoto e idrogeno sono due sostanze pure;
invece l’ammoniaca, un composto formato da
azoto e idrogeno, è un miscuglio.
G, L, S
F
F
succo di arancia
appena spremuto
ossigeno
burro nel
frigorifero
V
F
19 Quali delle seguenti formule sono riferite a elementi e
quali a composti?
a. NaOH
V
b. BaCl2
c. He
d. Ag
e. Fe2O3
F
17 Completa la seguente frase evidenziando il termine
corretto tra quelli indicati in parentesi.
Secondo la legge della composizione definita, in un determinato [miscuglio / elemento / composto] gli [atomi /
elementi / composti] sono presenti sempre nella stessa
proporzione di massa.
Risolvi i seguenti quesiti e problemi.
Per gli appassionati
20 Supponi di poter sciogliere 14 g di un certo soluto in
100 g di acqua per formare una soluzione satura. Considera ora una scala di concentrazioni del soluto che va
da 0 g in 100 g di acqua a 30 g in 100 g di acqua. Quale
intervallo di masse del soluto dà luogo a una soluzione insatura? Quale costituisce una soluzione satura? E
quale infine forma una soluzione sovrasatura?
18 I campioni di materia possono essere classificati in
21 L’acetato di argento ha una solubilità di 2,52 g/100 g di
diversi modi, tra i quali: gas, liquidi o solidi (G, L, S);
sostanze pure o miscugli (P, M); miscugli omogenei o
eterogenei (Omo, Ete); elementi o composti (E, C). Per
acqua a 80°C e di 1,02 g/100 g di acqua a 20°C. Come
potresti preparare una soluzione sovrasatura di acetato
di argento?
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DAI MISCUGLI AGLI ELEMENTI
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Test di autoverifica
Puoi svolgere questo test in modo interattivo sul CD
Scegli la risposta che meglio completa la frase o che risponde alla domanda.
5 Osserva le molecole delle figure:
1 Il grafico della figura mette a confronto le temperatu-
Temperatura
re di ebollizione di un liquido puro e di una soluzione.
Indica l’interpretazione corretta tra quelle proposte.
a]
A
100°C
B
C
D
Tempo
A
B
C
D
la linea del liquido puro è quella in cui la temperatura
resta costante per un certo tempo, in corrispondenza
con il punto di ebollizione del liquido
la linea del liquido puro è quella in cui la temperatura
continua ad aumentare nel tempo ma, quando comincia l’ebollizione, aumenta meno velocemente (diminuisce l’inclinazione della curva)
la linea della soluzione è quella in cui vi è un tratto parallelo all’asse del tempo (in corrispondenza con la
temperatura di ebollizione)
la linea della soluzione è quella più in basso, perché
man mano che l’acqua evapora la soluzione si concentra e quindi la sua temperatura cresce di meno
geneo?
A bibita gassata appena aperta
B segatura
C vernice
D farina
3 Per ottenere acqua pura a partire dall’acqua di uno
stagno:
A è sufficiente filtrarla
B occorre una reazione chimica per separare l’idrogeno
dall’ossigeno
C dopo averla filtrata, è necessario distillarla
D basta aspettare che, col tempo, i sedimenti solidi si
depositino sul fondo
4 Quale dei seguenti non è un composto?
A
B
C
D
monossido di carbonio
cloruro di sodio
idrogeno
acqua
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sono entrambe molecole di composti
sono entrambe molecole di elementi
le molecole di a si riferiscono a un composto, quelle di
b a un elemento
le molecole di a si riferiscono a un elemento, quelle di
b a un composto
6 Le soluzioni sono:
A
B
miscugli eterogenei
sospensioni
C
D
miscugli omogenei
sostanze pure
7 Quale delle seguenti affermazioni a proposito dei colloidi non è corretta? I colloidi:
A sono una via di mezzo tra soluzioni e miscugli eterogenei
B sovente hanno un aspetto lattiginoso o opaco
C sono costituiti da particelle di dimensioni comprese
tra i 5 e i 1000 nm
D sono una via di mezzo tra soluzioni e sostanze pure
8 Quando si aggiunge soluto a una soluzione satura:
A
B
2 Quale dei seguenti è un campione di materia omo-
b]
C
D
il soluto non si scioglie e si deposita sul fondo
la soluzione diventa più concentrata
il soluto si scioglie, ma solo agitando la soluzione con
una bacchetta di vetro
la soluzione diventa più diluita
9 Secondo la legge della composizione costante:
A
B
C
D
100 g di acqua pura contengono sempre 11,1 atomi di
idrogeno e 88,9 atomi di ossigeno
100 g di acqua pura contengono sempre 11,1 g di idrogeno e 88,9 g di ossigeno
100 g di acqua pura contengono sempre due atomi di
idrogeno e un atomo di ossigeno
100 g di acqua pura contengono sempre 66,7 g di idrogeno e 33,3 g di ossigeno
10 Quale delle seguenti formule chimiche si riferisce a un
elemento?
A HCl
B Cl
2
C
D
NaCl
BaCl2
Puoi controllare le tue risposte in fondo
a questo volume.
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