La materia e le sue caratteristiche
Un sistema è una porzione delimitata di materia.
La materia e le sue caratteristiche
Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono:
• solido;
• liquido;
• aeriforme.
La materia e le sue caratteristiche
Le proprietà caratteristiche dei tre stati della
materia dipendono dai cambiamenti di volume,
pressione, forma e densità.
I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei
Si definisce fase una
porzione di materia
fisicamente
distinguibile e
delimitata che ha
proprietà intensive
uniformi.
I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei
Quando un sistema è costituito da una sola fase si
dice che è omogeneo.
I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei
Quando un sistema è costituito da due o più fasi
si dice che è eterogeneo.
Le sostanze pure
• Un sistema formato da
una singola sostanza
si dice puro.
• Le sostanze pure
hanno caratteristiche
e composizione
costanti.
Le sostanze pure
• Un sistema formato
da due o più sostanze
pure è un miscuglio.
• I miscugli hanno
composizione chimica
variabile.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
Una soluzione è un miscuglio di due o più
sostanze fisicamente omogeneo. Il componente
più abbondante della soluzione si chiama
solvente, gli altri si chiamano soluti.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
Un miscuglio eterogeneo è formato da
componenti chimicamente definiti e da fasi
fisicamente distinguibili.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
I miscugli eterogenei possono presentare
aspetti anche molto diversi al variare dello stato
di aggregazione delle fasi che li costituiscono.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
La schiuma, la nebbia, il fumo e l’emulsione sono
esempi di miscugli eterogenei in fasi diverse.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
I colloidi costituiscono una classe di materiali che
ha caratteristiche intermedie tra quelle dei
miscugli omogenei e quelle dei miscugli
eterogenei.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
Una dispersione
colloidale si distingue
da una soluzione per
l’effetto Tyndall: un
raggio luminoso viene
deviato dalle grandi
particelle della fase
dispersa favorendo una
luminosità diffusa.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
• Se la fase disperdente, liquida o gassosa,
prevale su quella solida si ha un sol.
• Se prevale la fase solida sulla fase disperdente,
si ha un gel.
Miscugli omogenei e miscugli eterogenei
I passaggi di stato
I passaggi di stato implicano la trasformazione
della materia da uno stato fisico all’altro per
variazioni di temperatura e pressione.
I passaggi di stato
I passaggi di stato
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.
I passaggi di stato
• La fusione è il passaggio dallo stato solido allo
stato liquido.
• L’evaporazione è il passaggio dallo stato
liquido allo stato di vapore.
• La sublimazione è il passaggio diretto dallo
stato solido allo stato di vapore.
I passaggi di stato
• La condensazione è il passaggio dallo stato di
vapore allo stato liquido.
• La solidificazione è il passaggio dallo stato
liquido allo stato solido.
• Il brinamento è il passaggio diretto dallo stato
di vapore allo stato solido.
I passaggi di stato
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.
I passaggi di stato
• Alla temperatura di fusione coesistono la
fase liquida e la fase solida.
• Alla temperatura di ebollizione la fase
liquida e la fase di vapore coesistono, e la
tensione di vapore è uguale alla pressione
esterna.
I passaggi di stato
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).
La pressione e i passaggi di stato
La tensione di vapore di un liquido, a una data
temperatura, è la pressione che esercita un
vapore in equilibrio con il proprio liquido puro, ed
è tanto più alta quanto maggiore è la
temperatura.
La pressione e i passaggi di stato
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.
La pressione e i passaggi di stato
Un aumento della pressione produce un
innalzamento della temperatura di ebollizione.
La pressione e i passaggi di stato
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 principali metodi di separazione di miscugli
e sostanze
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 sostanze
La centrifugazione è il metodo per separare
miscugli eterogenei di liquidi e/o solidi aventi
densità diversa.
I principali metodi di separazione di miscugli
e sostanze
L’estrazione è il metodo per separare i
componenti di un miscuglio per mezzo di un
solvente.
I principali metodi di separazione di miscugli
e sostanze
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 sostanze
La distillazione si basa sulla diversa volatilità dei
componenti di miscele liquide. Minore è la
temperatura di evaporazione, maggiore è la
volatilità.
I principali metodi di separazione di miscugli
e sostanze
Perché le sostanze si sciolgono?
• Le soluzioni sono miscugli omogenei i cui
costituenti conservano le loro proprietà.
• Nelle soluzioni il solvente è il componente in
maggiore quantità.
• Il soluto è il componente delle soluzioni che si
trova in minore misura.
Perché le sostanze si sciolgono?
La formazione di una
soluzione presenta
sempre una variazione
del contenuto
energetico dovuto alla
rottura (energia
acquisita) e alla
formazione (energia
liberata) di legami: il
sistema tende alla
minor energia
potenziale possibile.
Soluzioni acquose ed elettroliti
I composti molecolari formano soluzioni per
dispersione nell’acqua delle molecole
elettricamente neutre; l’acqua rompe i deboli
legami intermolecolari.
Queste soluzioni non conducono elettricità.
Soluzioni acquose ed elettroliti
I composti polari (come gli acidi) in acqua si
ionizzano: le molecole dipolari dell’acqua
spezzano i legami covalenti polari della molecola
con conseguente formazione di ioni:
HCl(g) ⇄ H+(aq) + Cl–(aq)
Queste soluzioni conducono elettricità.
Soluzioni acquose ed elettroliti
I composti ionici in acqua si dissociano, ovvero
liberano ioni: le molecole d’acqua separano gli ioni
di carica opposta già presenti nel composto
NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl-(aq)
Queste soluzioni conducono elettricità.
Soluzioni acquose ed elettroliti
Nella dissociazione e nella ionizzazione gli ioni
vengono circondati dalle molecole d’acqua
orientate in modo che il polo positivo sia rivolto
verso lo ione negativo, e il polo negativo verso lo
ione positivo.
Soluzioni acquose ed elettroliti
Si formano ioni idratati.
Soluzioni acquose ed elettroliti
Tutti i composti che in soluzione producono ioni
per dissociazione o per ionizzazione prendono il
nome di elettroliti.
Un elettrolita è una sostanza che rende
elettricamente conduttrice la soluzione acquosa in
cui è disciolto.
Soluzioni acquose ed elettroliti
Soluzioni con alta conducibilità elettrica
contengono soluti detti elettroliti forti.
Soluzioni con modesta conducibilità elettrica
contengono soluti detti elettroliti deboli.
Soluzioni che non presentano conducibilità
elettrica contengono soluti detti non elettroliti.
Soluzioni acquose ed elettroliti
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione di una soluzione è il rapporto
tra la quantità di soluto e la quantità di solvente in
cui il soluto è disciolto.
È possibile
esprimere
questo rapporto
in funzione di
diverse
grandezze.
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione percentuale in massa
(% m/m) indica la quantità in grammi di soluto
sciolta in 100 grammi di soluzione.
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione percentuale massa su
volume (% m/V) indica la quantità in grammi di
soluto sciolta in 100 mL di soluzione.
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione percentuale in volume
(% V/V) indica il volume in millilitri di soluto
sciolto in 100 mL di soluzione.
Questo è il metodo usato anche per calcolare
il grado alcolico di una bevanda.
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione in parti per milione (ppm)
indica il numero di parti di soluto presenti in un
milione di parti di soluzione.
oppure
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione molare (M) o molarità
indica il rapporto fra le moli di soluto e il volume
in litri della soluzione.
La concentrazione delle soluzioni
La concentrazione molale (m) o molalità è il
rapporto tra le moli di soluto e la massa del
solvente espressa in kilogrammi.
La concentrazione delle soluzioni
La frazione molare (X) di un componente di una
soluzione è il rapporto fra il suo numero di moli di
quel componente e il numero totale di moli di tutti
i componenti.
La concentrazione delle soluzioni
La solubilità e le soluzioni sature
Quando un
soluto non si
scioglie più
in un
solvente, la
soluzione si
dice satura
e il soluto in
eccesso
corpo di
fondo.
La solubilità e le soluzioni sature
La solubilità di una sostanza in un certo solvente
è la sua concentrazione nella soluzione satura.
La solubilità e le soluzioni sature
La solubilità varia da sostanza a sostanza e
dipende dalla temperatura e dalla natura del
solvente.
Spesso viene espressa in grammi di soluto
presenti in 100 g di solvente.
La solubilità e le soluzioni sature
Tra il soluto disciolto e quello indisciolto si
instaura un equilibrio detto equilibrio dinamico
dovuto al persistente movimento delle particelle.
Solubilità, temperatura e pressione
Per la maggior parte delle sostanze solide, la
solubilità cresce all’aumentare della temperatura.
Per tutti i soluti gassosi la solubilità diminuisce
all’aumentare della temperatura.
Solubilità, temperatura e pressione
Solubilità, temperatura e pressione
Per i gas la solubilità dipende anche dalla
pressione.
Elementi e composti
Sappiamo che è possibile isolare da un miscuglio
una o più sostanze pure.
La maggior parte di queste sostanze può subire
una trasformazione chimica e produrre sostanze
più semplici.
Altre sostanze resistono a qualsiasi tipo di
trasformazione in sostanze più elementari.
Elementi e composti
Le sostanze pure formate da componenti più
semplici si chiamano composti.
Elementi e composti
Le sostanze che non possono essere trasformate
in sostanze più semplici si chiamano elementi.
Elementi e composti
Gli elementi
Gli elementi a oggi conosciuti sono 118:
• 92 sono presenti in natura*
• 26 sono stati scoperti**
*più che altro sotto forma di composti e
raramente nella forma elementare
** nel corso di ricerche sull’energia atomica
oppure con reazioni nucleari
Gli elementi
La quantità e la distribuzione degli elementi
presenti in natura sono molto diverse.
La classificazione degli elementi
La classificazione degli elementi oggi utilizzata
è stata proposta dal russo Dmitrij Mendeleev
nel 1869.
Mendeleev classificò gli elementi in base alle loro
proprietà chimiche e fisiche, ordinandoli in una
struttura detta tavola periodica.
La classificazione degli elementi
La classificazione degli elementi
Nella tavola periodica gli elementi possono essere
suddivisi in quattro classi:
• metalli
• non metalli
• semimetalli
• gas nobili
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Le idee della chimica
La classificazione degli elementi
La classe più numerosa è quella dei metalli, che
sono:
• lucenti;
• buoni conduttori di calore;
• buoni conduttori di elettricità;
• duttili;
• malleabili.
La classificazione degli elementi
I non metalli occupano la parte destra della
tavola periodica e sono:
• variamente colorati;
• gassosi, ma anche liquidi e solidi;
• cattivi conduttori di calore ed elettricità;
• buoni conduttori di elettricità;
• né duttili, né malleabili.
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Le idee della chimica
La classificazione degli elementi
I semimetalli presentano proprietà intermedie fra
i metalli e i non metalli:
• a temperatura ambiente sono solidi;
• sono semiconduttori (né conduttori né isolanti).