Unità 3
La
materia
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Gli stati della materia
L’aria e il metano sono, a
temperatura e pressione ambiente,
nello stato aeriforme.
Sappiamo anche che l’aria, come
pure il metano, può essere
compressa in bombole.
Questo è vero per tutti gli aeriformi, i
quali risultano avere:
• volume variabile in funzione della
temperatura e della pressione;
• forma variabile, poiché si adatta
al recipiente in cui sono contenuti.
Stati della materia
U03 La materia
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Le rocce, i mattoni e il ferro si
presentano allo stato solido.
I solidi hanno:
• volume praticamente costante,
variabile solo in piccolissima misura
in funzione della temperatura;
• forma propria, che può essere
cambiata solo con severe
sollecitazioni.
Stati della materia
U03 La materia
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L’acqua, la benzina e il mercurio
si presentano allo stato liquido.
I liquidi hanno:
• volume praticamente costante, variabile
solo in misura modesta in funzione della
temperatura;
• forma variabile, che si adatta al recipiente
in cui sono contenuti.
Stati della materia
U03 La materia
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I passaggi di stato
Quasi tutti i corpi che ci
circondano possono
presentarsi in ciascuno
dei tre differenti stati
fisici: ciò dipende dalla
temperatura e dalla
pressione alle quali essi
si trovano. Quando, in
seguito a una variazione
della temperatura o della
pressione, i corpi
cambiano il loro stato, si
dice che si è verificato un
passaggio di stato.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Passaggi di stato
U03 La materia
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La temperatura alla quale avviene la fusione (temperatura di fusione) è
uguale a quella alla quale avviene la solidificazione (temperatura di
solidificazione), si mantiene costante durante i passaggi di stato, è
caratteristica di una certa sostanza e assume valori diversi al variare
della pressione.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Scaldando un liquido però, si nota
che, quando questo raggiunge una
certa temperatura, al suo interno si
formano bolle di vapore che salgono
velocemente alla superficie
provocando un tumultuoso
rimescolamento: è l’ebollizione.
La temperatura alla quale avviene
questo processo (temperatura di
ebollizione) è caratteristica di ogni
sostanza e dipende direttamente
dalla pressione dell’ambiente
sovrastante il liquido.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Esistono alcune sostanze, come le palline antitarme, che passano
direttamente dallo stato solido allo stato aeriforme (vapore).
Il fenomeno inverso può essere osservato nelle mattine invernali,
quando il vapore acqueo presente nell’aria passa allo stato solido e
tutto l’ambiente si ricopre di uno strato di brina bianca e lucente.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Questi tre passaggi avvengono
con cessione di calore verso l’ambiente esterno
In generale, si può
affermare che a
determinate pressioni e
temperature tutte le
sostanze possono
fondere, evaporare o
sublimare assorbendo
calore e, viceversa,
solidificare, condensare
o brinare cedendo
calore.
Questi tre passaggi avvengono
con assorbimento di calore dall’ambiente esterno
Passaggi di stato
U03 La materia
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Per il momento, consideriamo che i costituenti di base di una sostanza
siano delle generiche particelle, di tipo diverso per ogni corpo.
Questa ipotesi sulla natura dei corpi ci consente di dare una buona
interpretazione dei passaggi di stato che abbiamo descritto.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Tornando alla figura che conosciamo già...
Ecco come si spiegano i differenti stati della
materia.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Le particelle possono spiegare anche i due modi con cui può avvenire il
passaggio da liquido ad aeriforme: per evaporazione o per ebollizione.
L’evaporazione si ha quando le particelle si
allontanano solo dalla superficie del liquido;
l’ebollizione si verifica invece quando l’agitazione
delle particelle è così elevata da consentire loro di
passare allo stato di vapore da qualsiasi parte del
liquido.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Sistemi e fasi
Sistemi e fasi
Una fase è una frazione di materia con
caratteristiche costanti e limitata da
confini netti.
Per esempio, il sistema costituito da un bicchiere
di bibita gassata con cubetti di ghiaccio è formato
da quattro fasi: il vetro, la bibita, le bollicine di gas
e il ghiaccio.
Anche lo smog è costituito da più fasi: particelle
solide inquinanti, goccioline finissime liquide e
aria.
In ogni caso, ciascuna delle fasi presenta caratteristiche proprie ed è nettamente
distinguibile dalle altre.
Passaggi di stato
U03 La materia
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Miscele eterogenee
Molti dei sistemi che incontriamo ogni giorno sono di tipo eterogeneo.
Un esempio molto comune è l’asfalto, in cui
piccoli sassi, spesso di diversa natura, sono
mescolati con il bitume, una sostanza pastosa.
Le diverse fasi sono visibili anche nel
legno, costituito da strati di differente
Miscele
colore, o nella sabbia,la cui attenta
eterogenee
osservazione ci rivela la presenza di
granuli di vario aspetto.
Miscele eterogenee
U03 La materia
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Altri esempi di miscugli…
Miscele eterogenee
U03 La materia
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In certi sistemi, l’ osservazione a
occhio nudo può portare a
conclusioni errate.
Il latte, per esempio, è di aspetto
omogeneo, ma, se osservato al
microscopio, si presenta formato da
una gran parte di acqua,
in cui sono finemente disperse
minutissime gocce di grasso.
Anche il latte è dunque un sistema
eterogeneo.
In una miscela eterogenea le differenti particelle sono aggregate in fasi
diverse.
Miscele eterogenee
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Molte miscele eterogenee hanno nomi comuni
Miscele eterogenee
U03 La materia
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Miscele omogenee
Miscele omogenee
Una miscela omogenea, oltre a presentarsi uguale in ogni sua parte,
manifesta proprietà che rimangono costanti in ogni punto. Sotto questo
aspetto, essa si comporta come una sostanza pura. La differenza si ha
nella composizione, che è costante per una sostanza pura, mentre è
variabile, entro certi limiti, per una miscela omogenea.
Miscele omogenee
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Miscele omogenee
U03 La materia
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La separazione dei componenti
di una miscela
Per separare i componenti di una miscela ci si basa su trasformazioni
fisiche.
In altre parole, in una trasformazione fisica, le particelle che compongono
le sostanze cambiano modo di aggregarsi o di disperdersi
reciprocamente, ma non vengono modificate nella loro struttura interna.
La sabbia sospesa nell’acqua mantiene inalterate le proprie
caratteristiche e può essere filtrata utilizzando un materiale con pori di
diametro intermedio tra le dimensioni delle particelle di solido e di liquido.
Separazione delle miscele
Separazione miscele
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Per separare un solido da un liquido,
si può ricorrere anche alla filtrazione.
Si versa il miscuglio su un materiale, o
come si dice un “setto”, poroso (per
esempio, carta da filtro), che presenti
forellini microscopici, di diametro tale
da lasciar passare solo il liquido.
Separazione miscele
U03 La materia
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Per separare un solido
da un liquido, si può
ricorrere anche alla
decantazione.
La sospensione viene
immessa in grandi
vasche dal fondo
conico, dalle quali
viene estratto il
deposito solido, mentre
il liquido limpido
depurato viene
immesso
nell’ambiente,
facendolo tracimare
dai bordi superiori.
Separazione miscele
U03 La materia
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Per separare il componente liquido da una miscela omogenea liquido-solido, si
porta la miscela all’ebollizione. I vapori del liquido che si liberano vengono
convogliati in un apposito “refrigerante”, dove condensano per raffreddamento;
dal refrigerante esce il liquido puro, detto distillato, che viene raccolto.
La distillazione può essere semplice o frazionata. Con la distillazione semplice 1
si può separare, per esempio, l’acqua marina in acqua e sale; con la distillazione
frazionata 2 i componenti di una miscela omogenea liquido-liquido i cui punti di
ebollizione siano vicini.
Separazione miscele
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Per separare due liquidi immiscibili
che costituiscono un sistema a due
fasi, si sfrutta la loro diversa
solubilità in un determinato
solvente.
Il solvente scelto dovrà sciogliere
selettivamente soltanto uno dei due
liquidi, permettendo la completa
separazione delle fasi.
Separazione miscele
U03 La materia
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Un altro metodo per separare i componenti di una miscela è la
cromatografia, che sfrutta la diversa affinità dei componenti della
miscela verso due fasi diverse.
Per attuare una separazione cromatografica, occorrono un’apposita
colonna, detta colonna cromatografica, e le due fasi, dette
rispettivamente “fase stazionaria” e “fase mobile”.
Separazione miscele
U03 La materia
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Separazione miscele
U03 La materia
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Elementi e composti
La materia è costituita da moltissime sostanze differenti tra loro, spesso
mescolate nei modi più diversi. Questo spiega la grande varietà dei
comportamenti dei sistemi naturali. Sulla base di quanto visto nel
paragrafo precedente, diciamo che:
Elementi e composti
Una sostanza pura presenta caratteristiche ben definite, come la
densità, il punto di fusione e quello di ebollizione, che si rivelano costanti
per ogni suo campione.
Elementi e composti
U03 La materia
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Elementi e composti
U03 La materia
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In ultima analisi, la materia è costituita da atomi di tipo diverso perché
appartenenti a elementi diversi.
Nel corso degli ultimi due secoli si sono isolati circa 90 elementi
presenti in natura e sono stati prodotti una trentina di elementi artificiali.
Ogni elemento viene indicato con un simbolo costituito dalla prima
lettera (sempre maiuscola) del suo nome ufficiale latino, greco o di altra
origine, seguita eventualmente da un’altra lettera (sempre minuscola)
proveniente anch’essa dal nome; le due lettere vengono lette staccate.
Elementi e composti
U03 La materia
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Raramente in natura gli atomi si presentano isolati. Gli atomi di un
elemento allo stato solido, come per esempio il ferro, sono uniti a
formare strutture tridimensionali regolari. Invece, molti degli elementi
gassosi, come l’idrogeno e l’ossigeno, sono formati da gruppi di due
atomi uguali. Anche a tali gruppi viene dato il nome di molecole. Il
termine “molecola” non si applica dunque solo ai composti.
Si è visto che un elemento è rappresentato con un simbolo.
Analogamente, un composto si indica rappresentando la formula
chimica della sua molecola.
Elementi e composti
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La formula chimica dell’ammoniaca, per
esempio, è:
NH3 (si legge “enne acca tre”)
e ciò sta a indicare che ogni molecola di
ammoniaca è formata da un atomo di azoto e tre
atomi di idrogeno, tutti uniti tra loro.
Analogamente, la formula dell’acqua:
H2O ( “acca due o”)
indica che in ogni sua molecola due atomi di idrogeno
sono legati a uno di ossigeno.
Questa rappresentazione è valida anche per elementi
che si presentano sotto forma di molecole. La formula
dell’ossigeno (O2, “o due”), per esempio, ci dice che nella
sua molecola sono presenti due atomi di ossigeno.
Elementi e composti
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Il numero di atomi con cui un elemento è presente in una molecola si
indice. Esso viene indicato scrivendolo in basso a destra del simbolo
dell’elemento (l’indice uno viene sempre sottinteso).
L’indice può essere riferito anche a gruppi di atomi presenti più volte
nella molecola.
Per esempio, la formula dell’idrossido di alluminio:
Al(OH)3 (“a elle o acca preso tre volte”)
indica che in ogni sua molecola sono presenti tre
gruppi formati ciascuno da un atomo di ossigeno e
da uno di idrogeno.
Elementi e composti
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Le reazioni chimiche
Vi sono trasformazioni che modificano la materia in modi molto più
profondi. Per esempio, lo zucchero, riscaldato, prima fonde e poi forma
dei vapori e lascia come residuo una poltiglia nerastra, il caramello.
Reazioni chimiche
Se si continua a riscaldare, lo zucchero scompare. Al suo posto restano
due sostanze con nuove caratteristiche: acqua e carbonio. Il calore che
abbiamo fornito allo zucchero ha provocato una reazione chimica.
Reazioni chimiche
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Reazioni chimiche
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Molto spesso una trasformazione chimica, quando
avviene, dà segnali evidenti, come per esempio
l’effervescenza, il cambiamento di colore,
l’intorbidamento di una soluzione, la produzione di
calore o il raffreddamento o l’esalazione di odori.
A volte, però, la reazione avviene senza
manifestazioni sensibili.
Reazioni chimiche
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Attorno a noi
Attorno a noi
Attorno a noi
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Attorno a noi
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Attorno a noi
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Attorno a noi
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La materia può essere ricondotta a quattro grandi categorie: miscugli,
soluzioni, composti ed elementi.
Il diagramma di flusso sottostante riassume quanto abbiamo detto finora
a proposito dei sistemi omogenei ed eterogenei e sulla separabilità di
questi ultimi.
Attorno a noi
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