Chimica
È la Scienza che studia la composizione, la struttura, le
proprietà e le trasformazioni della materia
Materia
a) Definizione generale
b) Definizione scientifica
E’ tutto ciò che ci circonda
E’ tutto ciò che ha massa e volume
a) Definizione generale
E’ tutto ciò che ci circonda
Esempi: pareti, Terra, matita, stelle, diario, pietra, piante, animale, fiume,
ghiacciaio, banco, foglio, biro…
….quindi è tutto ciò che forma corpi e oggetti
Corpo = porzione di materia naturale, non prodotta o lavorata dall’uomo
es. Terra, stelle, pietra, piante, fiume, animale, ghiacciaio
Oggetto = porzione di materia prodotta o lavorata dall’uomo
es. pareti, matita, diario, banco, foglio, biro
(Eccezione: vengono chiamati “oggetti” i corpi celesti non stellari)
SISTEMA = porzione di materia
Porzioni di materia con diversa composizione sono chiamate
sostanze o materiali
b) Definizione scientifica
E’ tutto ciò che ha massa e volume
Massa = quantità di materia di un corpo (o di un oggetto)
(= misura dell’inerzia di un corpo, cioè misura della resistenza che
un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto)
Volume = spazio occupato da una porzione di materia (corpo o oggetto)
Massa e Volume sono grandezze fisiche
PROPRIETA’ DELLA MATERIA
FISICHE
CHIMICHE
Proprietà osservabili e
misurabili senza che
si debba alterare la
composizione della
porzione di materia
analizzata.
Proprietà che la
materia presenta
quando interagisce con
materia avente una
diversa composizione
oppure con la luce o il
calore.
Esempi: grandezze
fisiche (dimensioni,
massa, peso, colore,
temperatura, densità,
ecc.); stati di
aggregazione
Questo processo
comporta sempre un
cambiamento della
composizione della
materia analizzata.
PROPRIETA’ FISICHE
INTENSIVE
ESTENSIVE
Non dipendono dalla
quantità di materia
considerata
(dimensioni del
sistema)
Dipendono dalla
quantità di materia
considerata
(dimensioni del
sistema)
Es. colore,
temperatura,
densità, solubilità,
stati fisici
Es. lunghezza,
volume e massa
LE GRANDEZZE FISICHE
Le grandezze fisiche sono proprietà oggettive (= indipendenti
dall’osservatore) che si possono misurare in modo da poter associare
loro dei valori numerici.
Secondo il Sistema Internazionale (SI) ci sono sette grandezze
fondamentali.
Ogni grandezza fondamentale ha una sua unità di
misura.
L’ unità di misura è la grandezza a cui corrisponde il
valore 1.
Misurare significa confrontare la grandezza di cui
vogliamo conoscere il valore con l’unità di misura
scelta e quindi trovare quante volte (interamente o in
frazione) tale unità di misura è contenuta nella
grandezza da misurare.
Dalle grandezze fondamentali si ricavano le
grandezze derivate.
Le grandezze derivate sono espresse da relazioni
matematiche (prodotto o quoziente) tra più grandezze
fondamentali.
GRANDEZZE DERIVATE
GLI STATI FISICI DELLA MATERIA
Dilatazione termica
bassa
media
alta
AERIFORME
VAPORE
Aeriforme ottenuto per
riscaldamento di una sostanza
che a T e P ambiente si trova
allo stato solido o liquido.
GAS
Sostanza che a T e P
ambiente si presenta allo
stato aeriforme.
Sostanza che si trova allo
stato aeriforme al di sotto della
propria T critica.
Sostanza che si trova
allo stato aeriforme al di
sopra della propria T
critica.
Può essere trasformato in
liquido per aumento della
pressione
Non può essere
trasformato in liquido per
aumento della pressione
Temperatura critica: T al di sopra della quale è impossibile che un
aeriforme passi allo stato liquido, anche se sottoposto a pressioni
elevatissime
La pressione è il rapporto fra la forza F che
agisce perpendicolarmente a una superficie e
l’area s della superficie stessa
p = F/s
L’unità di misura nel SI è il pascal (Pa), dove
1 Pa = 1 N/m2 = 1  kg  m–1  s–2
Ogni sostanza aeriforme è caratterizzata da una T particolare, detta Temperatura
critica, al di sopra della quale è impossibile farla diventare liquida, anche se si
esercitano pressioni elevatissime:
-quando una sostanza aeriforme è al di sopra della sua T critica è definita gas
-quando una sostanza aeriforme è al di sotto della sua T critica è definita vapore
Esempi:
a) L’acqua ha una T critica di 374° C:
a T e P ambiente ( = 1 atm) l’acqua è quindi allo stato liquido ma se viene
riscaldata sopra i 100° C essa diventa vapore: aumentando la pressione è infatti
possibile farla tornare allo stato liquido
Se il riscaldamento continua, raggiunti i 374° C si ottiene il gas d’acqua: anche
aumentando enormemente la pressione, non è possibile farlo diventare liquido
b) L’ossigeno ha una T critica di - 119° C:
a T e P ambiente l’ossigeno è quindi un gas in quanto anche se viene compresso
rimane allo stato aeriforme
Sotto i - 119°C diventa vapore poiché aumentando la pressione è possibile
portarlo allo stato liquido
GLI STATI FISICI DELLA MATERIA DIPENDONO DAGLI
STATI DI AGGREGAZIONE
La materia non è continua ma è costituita da microscopiche
particelle (continua = suddivisibile all’infinito).
Secondo la teoria cinetica:
- le particelle non sono a contatto, ma separate da spazi vuoti
- le particelle della materia sono in continuo e inarrestabile
movimento
- le particelle si muovono tanto più rapidamente quanto più
elevata è la temperatura (aumenta l’energia cinetica)
Lo stato fisico dipende dallo stato di aggregazione delle
particelle cioè dalla risultante tra le forze attrattive che tendono
a unire le particelle e la tendenza delle stesse ad allontanarsi.
Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono:
• solido;
• liquido;
• aeriforme.
Nei solidi le particelle non si muovono
(anche se oscillano e vibrano intorno a
posizioni fisse ben precise) perché sono
unite da legami forti.
Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma
hanno maggiore libertà di movimento perché
sono unite da legami deboli ed hanno
un’energia cinetica abbastanza elevata.
Le particelle degli aeriformi hanno massima
libertà di movimento con un moto totalmente
disordinato perché non sono unite da
legami in quanto le debolissime forze
attrattive sono vinte dall’elevata energia
cinetica.
CARATTERISTICHE DEGLI STATI FISICI
 Lo stato solido e lo stato liquido sono detti STATI
CONDENSATI in quanto le particelle non possono
essere avvicinate per aumento (moderato) della
pressione. I corpi allo stato solido o liquido sono
quindi INCOMPRIMIBILI e pertanto non possono
diminuire il volume.
 Lo stato liquido e lo stato aeriforme sono detti
STATI FLUIDI in quanto le particelle possono
muoversi le une rispetto alle altre.
Questa caratteristica permette di trasportare le
sostanze liquide e aeriformi attraverso condutture.
TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA
FISICHE
Fenomeni fisici
Riguardano fenomeni
nel corso dei quali la
materia modifica
alcune proprietà ma
non la sua
composizione
CHIMICHE
Riguardano fenomeni
Fenomeni
chela
nel corso
dei quali
modificano
materia
cambia la la
composizione
dei
propria
composizione.
materiali di un
Sono anche
chiamate
oggetto
Reazioni chimiche
Le trasformazioni fisiche producono una
modificazione fisica della materia e non producono
nuove sostanze.
Le trasformazioni chimiche sono modificazioni
che comportano una variazione della composizione
chimica delle sostanze con formazione di nuove
sostanze.
Nelle trasformazioni chimiche le sostanze
originarie si dicono reagenti, le nuove sostanze
prendono il nome di prodotti.
reagenti
prodotti
Le trasformazioni chimiche possono presentare
alcuni cambiamenti caratteristici, quali:
• formazione di bollicine;
• variazione di colore;
• formazione o scomparsa di un solido;
• liberazione di prodotti gassosi profumati
o maleodoranti;
• riscaldamento o raffreddamento del recipiente
in cui avviene la reazione, senza che sia stato
fornito o sottratto calore dall’esterno.
I PASSAGGI DI STATO
Qualunque sostanza può presentarsi in
ciascuno dei tre stati fisici: lo stato di
aggregazione dipende dai valori della
temperatura e della pressione esterni.
ad es. l’acqua a P ambiente (= 1 atm) è:
solida a T < 0° C
liquida a 0° C < T < 100°C
aeriforme a T > 100° C
Ciascuna sostanza presenta tuttavia proprie
specifiche T e P di fusione e di ebollizione.
ad es. a T e P ambiente:
l’acqua è liquida
il ferro è solido
l’ossigeno è aeriforme
Somministrando o sottraendo calore, cioè
cambiando la T o variando la P, qualunque
sostanza può cambiare il suo stato fisico.
I cambiamenti di stato fisico sono detti
PASSAGGI DI STATO
I PASSAGGI DI STATO
o liquefazione
Vaporizzazione =
ebollizione o
fusione
A parità di massa, nel passaggio di un materiale
dallo stato liquido allo stato aeriforme, il volume
aumenta e la densità diminuisce.
Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito,
aumenta.
Il ghiaccio è un’eccezione perché è meno denso
dell’acqua.
EVAPORAZIONE ed EBOLLIZIONE
Viene definita tensione di vapore di un liquido, a
una data temperatura, la pressione che esercita
un vapore in equilibrio con il proprio liquido puro
(in equilibrio = quantità di liquido che evapora è
uguale alla quantità di liquido che condensa), ed è
tanto più alta quanto maggiore è la temperatura.
Finché la P del vapore è inferiore alla P
atmosferica, il vapore si forma solo alla superficie
del liquido e si ha l’evaporazione. Quando il
vapore esercita una P uguale alla P atmosferica,
ha inizio l’ebollizione e le bolle di vapore si
formano in tutto il liquido.
Evaporazione = processo che avviene a qualunque T
superiore a quella di fusione (>0° C nel caso dell’acqua)
e tanto più velocemente quanto più la T è elevata.
Riguarda solo le particelle superficiali del liquido
Ebollizione = processo che avviene ad una T fissa,
specifica per ogni sostanza (il valore della T dipende
comunque sempre dalla pressione). Riguarda tutta la
massa liquida.
Condensazione = passaggio dallo stato aeriforme a
quello liquido per raffreddamento
Liquefazione = passaggio dallo stato aeriforme a quello
liquido per aumento della pressione
La temperatura di ebollizione di un liquido è la
temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia la
pressione esterna: maggiore è la pressione, più
difficile è l’ebollizione del liquido (un aumento della
pressione produce un innalzamento della temperatura
di ebollizione perché il liquido deve raggiungere una
tensione di vapore maggiore).
Es: in alta montagna (P<) l’acqua bolle a
T< 100°C
nella pentola a pressione (P>) l’acqua
bolle a T >100°C
A differenza dell’ebollizione e della condensazione, la
fusione e la solidificazione sono poco influenzate
dalla pressione esterna: infatti sono passaggi
caratterizzati da piccoli cambiamenti di volume, non
particolarmente contrastati da pressioni elevate.
I passaggi di stato secondo la teoria cinetica
Secondo la teoria cinetica
le particelle si muovono tanto più rapidamente quanto più elevata è la
temperatura: il calore somministrato ad una sostanza infatti, conferisce
alle sue particelle energia (energia cinetica) che le fa vibrare più
energicamente. Ciò provoca la rottura dei legami tra le particelle e quindi
un cambiamento nel loro modo di aggregarsi ovvero il passaggio da uno
stato fisico ad un altro.
Il calore ceduto o acquistato durante i passaggi di stato si chiama calore
latente (calore latente di fusione, di evaporazione ecc.)
Durante i passaggi di stato la T rimane costante nonostante si continui a
somministrare calore perché tale energia viene utilizzata per consentire
alle particelle di vincere le forze di attrazione che le tengono legate.
Soltanto quando tutta la massa ha completato il passaggio di stato,
l’ulteriore calore somministrato provocherà un aumento dell’energia
cinetica delle particelle e questo si manifesterà come aumento della
Temperatura.
COMPOSIZIONE DELLA MATERIA
Un sistema è una porzione delimitata di materia,
oggetto di studio (per ambiente si intende tutta la
materia intorno al sistema)
L’acqua è il sistema
Il bicchiere è l’ambiente
• Un sistema formato da
una singola sostanza
si dice puro.
• Le sostanze pure
hanno caratteristiche
e composizione
costanti
• Un sistema formato
da due o più sostanze
pure è una miscela
(miscuglio).
• Le miscele hanno
composizione chimica
variabile.
CLASSIFICAZIONE DELLA MATERIA
in base alla sua composizione
SOSTANZE PURE
1. Sostanza con proprietà chimiche e
fisiche specifiche e una composizione
definita e costante
2. E’ rappresentabile attraverso una
formula chimica
3. Non è scomponibile in altre sostanze
con semplici metodi fisici quali ad es.
filtrazione, centrifugazione, distillazione
4. Es. oro, ferro, neon, elio, ossigeno,
cloro, idrogeno, diamante, acqua, sale da
cucina, zucchero da cucina, amido, cacao
ecc.
MISCELE
1. Sostanza con composizione variabile
perché formata dall’unione di due o più
sostanze pure (ognuna delle quali
mantiene la propria composizione)
mescolate in qualsiasi rapporto (tra le
sostanze non si formano legami chimici)
2. Non è rappresentabile attraverso una
formula chimica
3. Con metodi fisici semplici è separabile
nelle sostanze pure che la costituiscono
4. Es. acqua zuccherata, acqua salata,
succo di frutta, cioccolata, acciaio,
ottone, olio e aceto, roccia, sabbia, suolo,
aria, cellula ecc.
MISCELE
OMOGENEE
= SOLUZIONI
1. Le sostanze che le costituiscono
sono mescolate in modo
uniforme per cui le proprietà di
una soluzione sono le stesse in
ogni sua parte (= in ogni unità di
volume)
2. I componenti non si distinguono
nemmeno con il microscopio
3. Es. acqua salata, acqua
zuccherata, vino, cioccolata, aria,
ottone, acciaio
4. I componenti non possono essere
mescolati in qualunque
proporzione
ETEROGENEE
= MISCUGLI
1. Le sostanze che le costituiscono
sono mescolate in modo casuale (es.
sabbia) o preferenziale ( es. olio e
aceto) ma mai uniforme per cui le
proprietà di un miscuglio variano da
punto a punto (= in ogni unità di
volume)
2. I componenti si distinguono a
occhio nudo o con il microscopio
3. Es. olio e aceto, suolo, roccia,
sabbia, cellula
4. I componenti possono essere
mescolati in qualunque proporzione
SOLUZIONE
MISCUGLIO
MISCELA OMOGENEA
MISCELA ETEROGENEA
SISTEMA OMOGENEO
SISTEMA ETEROGENEO
2 o PIU’ FASI
1 FASE
FASE =
PORZIONE DELIMITATA E FISICAMENTE DISTINGUIBILE DI UN
SISTEMA CHE PRESENTA LE MEDESIME PROPRIETA’ IN TUTTE
LE SUE PARTI
Un miscuglio è un sistema eterogeneo perché è
formato da componenti chimicamente definiti e
fisicamente distinguibili.
La schiuma, la nebbia, il fumo e l’emulsione sono
esempi di miscugli eterogenei in fasi diverse.
SOSTANZE PURE
Una sostanza pura costituisce un
sistema eterogeneo se si
presenta in fasi (es.stati fisici)
diverse
MISCELE
Il colloide è uno stato intermedio tra solido e liquido
• Se la fase liquida o gassosa, prevale su quella solida
si ha un sol.
= se la fase dispersa è un solido si ha un sol
• Se la fase solida prevale su quella liquida o gassosa,
si ha un gel.
= se la fase dispersa è un liquido si ha un gel
CLASSIFICAZIONE SOLUZIONI E MISCUGLI
SOLUZIONI
La sostanza più abbondante , cioè il mezzo disperdente è
chiamata solvente
L’altra o le altre cioè i componenti dispersi sono chiamate
soluti
Nella maggior parte delle soluzioni il solvente è liquido
(l’acqua è il solvente più comune) ma ci sono anche soluzioni
con solvente solido o aeriforme
Nel caso in cui i componenti siano in stati fisici diversi, la
soluzione assume sempre lo stato fisico del solvente.
Liquido – Solido
es. acqua e zucchero
acqua e sale
MISCUGLI
Liquido – Solido
SOSPENSIONE = particelle di un solido sono
disperse in un liquido
es. acqua e farina
acqua e sabbia
succo di frutta
sangue
COLLOIDE = la componente solida è formata
da grosse molecole (rispetto alle
precedenti particelle sono però piccolissime)
che formano una specie di rete
impedendo al liquido di fluire
liberamente.
Sono considerate pseudo-soluzioni
in quanto ad un esame superficiale
appaiono come miscele omogenee
es. gelatina = acqua + proteine
budino = acqua + amido
gel per capelli (acqua + colla)
Liquido – Liquido
es. acqua e alcool
olio e benzina
Liquido – Liquido
EMULSIONE = un liquido è disperso in modo
stabile, sotto forma di piccoliss
goccioline, in un altro liquido.
es. latte = acqua + grasso
maionese = olio + limone + tuorlo
creme = acqua + oli
STRATIFICAZIONE = i due liquidi non si
mescolano, se non temporaneam
e quello + leggero (meno denso)
si stratifica sull’altro
es. acqua e olio
Liquido – Aeriforme
es. acqua e gas (in contenitore chiuso)
ammoniaca commerciale (acqua + ammoniaca gassosa)
acido muriatico ( acqua + acido cloridrico gassoso)
Liquido – Aeriforme
es. acqua e gas (in contenitore aperto)
SCHIUMA = piccolissime goccioline di aeriforme
sono disperse in un liquido nel
quale rimangono bloccate
es. sapone da barba (sapon + aria)
albume a neve (albume + aria)
panna (latte + aria)
AEROSOL = piccolissime goccioline di liquido
sono disperse in un aeriforme
es. nebbia – nubi = acqua + aria
Solido – Solido
LEGHE = metallo + metallo
es. acciaio = ferro + carbonio
bronzo = rame + stagno
ottone = rame + zinco
Solido – Solido
es. roccia / sabbia = insieme di minerali
sale e zucchero
farina e zucchero
Solido – Aeriforme
/////
Solido – Aeriforme
SCHIUMA SOLIDA = bolle di aeriforme sono
bloccate dentro ad un
solido
es. meringa
pane ecc.
gommapiuma
polistirolo espanso
AEROSOL = piccolissime particelle di solido
sono disperse in un gas
es. fumo (degli autoveicoli,
delle sigarette,
dei camini)
Aeriforme – Aeriforme
es. aria = ossigeno + azoto + anidride carbonica
+ altri gas in tracce (in realtà contiene
anche pulviscolo atmosferico)
Aeriforme – Aeriforme
es. aria (se considerata nel complesso, infatti
da luogo a luogo può cambiare la
percentuale delle sue componenti
(confronta aria di zona inquinata con
aria di montagna). Nello stesso
ambiente è invece omogenea
PRINCIPALI METODI DI SEPARAZIONE DI MISCELE E SOLUZIONI
estrazione
affinità (= solubilità)
I principali metodi di separazione di miscugli
e soluzioni
La filtrazione è il
metodo per separare, per
mezzo di filtri, i materiali
solidi da un miscuglio
liquido o gassoso.
I principali metodi di separazione di miscugli
e soluzioni
La decantazione e la centrifugazione sono i
metodi per separare miscugli eterogenei di liquidi
e/o solidi aventi densità diversa.
I principali metodi di separazione di miscugli
e soluzioni
La cromatografia è il
metodo per separare i
componenti di un
miscuglio che si spostano
con velocità diverse su un
supporto (fase fissa),
trascinati da un solvente
(fase mobile).
I principali metodi di separazione di miscugli
e soluzioni
La distillazione si basa sulla diversa volatilità dei
componenti di miscele liquide. Minore è la
temperatura di evaporazione, maggiore è la
volatilità.
Sostanze pure: elementi e composti
SOSTANZA PURA
Elementi
1. Sostanza pura che non può essere decomposta
con mezzi chimici in 2 o più sostanze,
cioè non può essere scissa in sostanze più semplici
Composti
1. Sostanza pura che può essere decomposta
con mezzi chimici in sostanze più semplici,
perché è formata dall’unione (= legame chimico)
di due o più elementi combinati in un rapporto
fisso e caratteristico
2. La più piccola particella di un elemento che
conserva le proprietà chimiche dell’elemento
è l’atomo
2. La più piccola particella di un composto che
conserva le proprietà chimiche del composto
è la molecola (Nei composti ionici però la
molecola è solo ideale)
3. L’elemento è formato da atomi tutti uguali
3. Il composto è formato da atomi diversi per cui
le proprietà di un composto sono diverse da
quelle degli atomi che lo costituiscono
4. In natura, gli atomi di un elemento possono
essere:
- liberi, es. neon, elio, argon (gas rari)
- uniti da legame metallico, es. ferro, rame,
oro, argento (metalli)
- uniti da legame covalente, es. idrogeno,
ossigeno, cloro, diamante (in questo caso
formano molecole)
4. Gli atomi di un composto possono essere:
- uniti da legame ionico, es. sale da cucina,
bicarbonato, calcare
- uniti da legame covalente, es. acqua, anidride
carbonica, zucchero, amido
– Gli elementi chimici possono combinarsi insieme per
formare i composti.
– Un composto è una sostanza costituita da più
elementi combinati secondo un rapporto fisso.
Sodio
elemento
Cloro
elemento
Cloruro di sodio
composto
Una caratteristica delle sostanze pure è la SOSTA
TERMICA: durante i passaggi di stato la temperatura
non varia fino a quando tutta la sostanza non ha
completato il passaggio stesso.
La lunghezza della sosta termica dipende quindi dalla
quantità della sostanza in esame.
Ad es. quando il ghiaccio inizia a fondere, la T
dell’acqua rimane invariata fino a quando non è fuso
del tutto. Allo stesso modo, quando l’acqua inizia a
bollire, la T non aumenta fino a quando non sarà
evaporata l’ultima goccia.
Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e
temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in
funzione della pressione a cui avviene il passaggio di
stato (PUNTI FISSI)
Curva di
riscaldamento
dell’acqua
• Alla temperatura di fusione coesistono la
fase liquida e la fase solida.
• Alla temperatura di ebollizione coesistono la
fase liquida e la fase di vapore (la tensione di
vapore è uguale alla pressione esterna).
Ogni sostanza pura ha una curva di
raffreddamento attraverso la quale si distinguono:
• temperatura di
condensazione (a
parità di pressione
uguale a quella di
ebollizione);
• temperatura di
solidificazione (a
parità di pressione
uguale a quella di
fusione).
Una soluzione:
-Solidifica a T più basse e bolle a T più alte
(rispetto a quelle del solvente, es dell’acqua)
-Le T di solidificazione ed ebollizione dipendono
dalla concentrazione e non dalla natura del soluto
-Non ha soste termiche (a causa dell’evaporazione
la concentrazione della soluzione varia)
L’analisi di una curva di riscaldamento o di
raffreddamento permette quindi di distinguere una
sostanza pura da una soluzione