linx_Le soluzioni della chimica

III

Indice Introduzione Prima di cominciare

pagina VIII

unità

unità

1

2

La misura delle grandezze

Materia, trasformazioni, energia

pagina 1

Che cosa sono le misure?

1.1 Grandezze fisiche e unità di misura

I prefissi del SI Grandezze intensive e grandezze estensive 1.2 Le grandezze fondamentali La massa Il tempo La temperatura 1.3 Le grandezze derivate Il volume La densità La pressione 1.4 La notazione scientifica Ordine di grandezza

Di che cosa è fatta la materia?

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1.6 Precisione e accuratezza di una misura 1.7 Sensibilità degli strumenti e cifre

significative Regole per determinare il numero di cifre significative delle misure Le cifre significative nei calcoli Errore assoluto ed errore relativo

2.1 Una lente di ingrandimento sulla materia 2.2 Atomi e molecole: non si vedono,

si rappresentano 2.3 Gli stati fisici della materia Un quarto stato della materia: il plasma

00 00 00 00 00 00

00 00 00 00

Come si trasforma la materia?

2.4 Trasformazioni fisiche e chimiche 2.5 Le proprietà della materia

00 00

Che cos’è il calore?

2.6 Non solo materia 2.7 Calore e temperatura: due facce

Come si ottiene una misura corretta?

1.5 Gli errori nelle misurazioni

pagina 00

della stessa medaglia Il calore nelle trasformazioni chimiche

00 00

Che cosa succede nei passaggi di stato?

2.8 I passaggi di stato e la temperatura

Evaporazione e condensazione Ebollizione: quando l’evaporazione interessa tutta la massa di un liquido 2.9 I passaggi di stato e il volume

00 00 00 00

area Competenze

area Competenze chimica&società Una questione di cifre significative Una questione di naso

00 00

chimica&società Se il gas è non convenzionale Chimica in cucina

00 00

chemzone

00

chemzone

00

Mettiti alla prova | Verifica le tue competenze

00

Mettiti alla prova | Verifica le tue competenze

00

00

chemlab Come far brillare i cristalli di iodio | L’acqua bolle senza fornello!

00

chemlab Una misura a prova di roccia | Un termometro... casalingo | Galleggia in acqua, affonda in alcol

IV Indice

unità

unità

3

4

Dalle miscele alle sostanze pure

Alla base della materia: gli atomi

pagina 00

Che cosa sono le miscele?

Quanti sono gli elementi chimici e come sono indicati?

3.1 Osserviamo e classifichiamo la materia

00 3.2 Le miscele: omogenee ed eterogenee 00 Le miscele eterogenee non sono tutte uguali 00 3.3 Le soluzioni sono costituite da una sola fase 00 Soluzioni: un po’ di terminologia 00

Che cos’è una sostanza pura?

3.4 Purifichiamo le sostanze

La carta d’identità delle sostanze pure 3.5 Le sostanze pure: elementi e composti

00

Come si separano i componenti di una miscela?

3.6 Perché separiamo i componenti

di una miscela 3.7 Metodi di separazione delle miscele eterogenee Miscela di solidi Miscela solido-liquido Miscela solido-gas Miscela eterogenea di liquidi 3.8 Metodi di separazione delle miscele omogenee Estrazione con solventi Cromatografia Cristallizzazione Distillazione

pagina 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

4.1 Gli elementi: l’alfabeto della natura

I simboli degli elementi

00 00

Come sono fatti gli atomi?

4.2 Le prime leggi della chimica

La legge di conservazione della massa La legge della composizione costante 4.3 La teoria atomica di Dalton La teoria atomica alla prova 4.4 Le particelle subatomiche Il numero atomico identifica gli elementi Gli ioni Gli atomi di un elemento non sono tutti uguali: gli isotopi La massa atomica

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

Secondo quale criterio sono stati ordinati gli elementi?

4.5 La tavola periodica di Mendeleev 4.6 L’organizzazione della tavola periodica

Metalli, non metalli, semimetalli Elementi... per la vita

00 00 00 00

Come sono state stabilite le formule chimiche?

4.7 Dagli atomi alle molecole: la legge di Avogadro 000

Le unità base di elementi e composti 4.8 La massa molecolare

00 00

Come si passa dalle masse alle particelle?

4.9 La mole: l’unità di misura dei chimici

La massa molare

area Competenze

00 00

area Competenze

chimica&società Aria alle polveri

00

storie Storia di un alfabeto

00

chemzone

00

chemzone

00

Mettiti alla prova | Verifica le tue competenze

00

Mettiti alla prova | Verifica le tue competenze

00

00

chemlab Iodio e zinco: un matrimonio quasi completo | Di che pasta è fatto?

00

chemlab Separare l’azzurro dal bianco | Che cosa si nasconde nel terriccio del giardino?

V Indice

unità

sostituire con soggetto definitivo

5

Scienze in connessione

Il linguaggio della chimica: formule, nomi, reazioni

Le miscele in natura: composizione e problemi ambientali

pagina 00

Come si rappresentano in modo sintetico i composti?

5.1 Le formule dei composti

Il concetto di valenza

00 00

Come si assegna il nome ai composti?

5.2 La nomenclatura dei composti

La nomenclatura tradizionale 5.3 Un po’ di nomenclatura IUPAC Composti binari con l’ossigeno Composti binari senza ossigeno Composti ternari

00 00 00 00 00 00

Come si scrivono le reazioni chimiche?

5.4 Le reazioni chimiche

Come si manifestano le reazioni chimiche Reazioni veloci e reazioni lente Le equazioni chimiche Le equazioni chimiche bilanciate Reazioni di equilibrio 5.5 Alcuni tipi di reazioni chimiche Reazioni di sintesi Reazioni di decomposizione Reazioni di semplice scambio Reazioni di doppio scambio

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

Che cosa ci dicono le equazioni chimiche in termini di particelle, di moli e di masse?

5.6 Le reazioni chimiche e la mole

pagina 00

Miscele solide: le rocce e il suolo

1.1 La chimica delle rocce

Rocce acide, basiche e neutre 1.2 Questione di granulometria 1.3 Terre inquinate I metalli 1.4 Il campionamento del terreno

00 00 00 00 00 00

Miscele liquide: le acque naturali e per uso umano 2.1 L’acqua in natura 2.2 L’acqua per uso umano

Acque di sorgente, minerali e termali 2.3 L’inquinamento delle acque L’inquinamento di origine antropica L’inquinamento di origine naturale La durezza delle acque per uso domestico La depurazione

00 00 00 00 00 00 00 00

Miscele gassose: l’aria 3.1 La composizione dell’atmosfera

I composti del carbonio Gli ossidi di zolfo e di azoto L’ozono 3.3 Il particolato atmosferico I particolati di origine antropica

00 00 00 00 00 00 00

Indice analitico

00

Fonti delle illustrazioni

00

3.2 L’aria che respiriamo

00

area Competenze chimica verde Metti il Sole nel motore

00

chemzone

00

Mettiti alla prova | Verifica le tue competenze

00

chemlab Reazione spumeggiante | Reazioni effervescenti

00

4

unitĂ

Alla base della materia: gli atomi

L’ATOMIUM Ăˆ UN MONUMENTO SIMBOLO DELLA CITTĂ€ DI BRUXELLES. RAPPRESENTA UN CRISTALLO DI FERRO INGRANDITO ��� MILIARDI DI VOLTE.

molecola gruppo

periodo Mendeleev tavola periodica

massa molare isotopo Dalton elemento chimico particelle subatomiche Cannizzaro

Gay-Lussac

massa atomica

massa molecolare

atomo

mole

numero di massa numero atomico Avogadro carica elettrica

liquido LIQUIDO

ĂŁ DVVXPH OD IRUPD

del recipiente

ã YROXPH GHħQLWR

ã GLIħFLOH GD FRPSULPHUH

e

QLWD

ħQLWR FRPSULPHUH e

A

aeriforme AERIFORME

a ĂŁ DVVXPH OD IRUPD

del recipiente

ĂŁ VL HVSDQGH LQ WXWWR

lo spazio disponibile

e ĂŁ IDFLOH GD FRPSULPHUH

B

C

��

Figura ďż˝.ďż˝ Un modello per solidi, liquidi, aeriformi Le sferette rafďŹ gurano le particelle. A] Nel solido vibrano attorno a posizioni ďŹ sse, in una disposizione ordinata. B] Nel liquido sono ravvicinate, ma possono scorrere liberamente le une sulle altre. C] Nell’aeriforme sono mediamente molto distanti e si muovono liberamente nello spazio del recipiente.

sostituire con pagina definitiva

to solido, le particelle (atomi o molecole) sono molto ravvicinate e dare luogo a disposizioni ordinate; le particelle non sono del tutto i, ma vibrano attorno alla propria posizione; to liquido, le particelle sono molto vicine tra loro – quasi come nelsolido –, ma possono scorrere liberamente, scambiandosi di posto; ato aeriforme, le particelle sono mediamente molto distanti l’una a e totalmente libere di muoversi. Dato che le particelle non sono in o fra loro, gli aeriformi sono facilmente comprimibili.

A R E A CHIMICA&SOCIETÀ COMPE Se il gas è non convenzionale TENZE

re le caratteristiche dei tre stati della materia abbiamo usato un modello particellare: sferette tutte uguali e tutte in movimento, quelle degli aeriformi, piĂš lente quelle di liquidi e solidi. Nel corso tudi incontrerete altri “modelliâ€?, che vi saranno utili per descrivere ateriale e ricavarne un’immagine mentale chiara ed essenziale.

Un quarto stato della materia: il plasma

rature e alle pressioni elevate dei nuclei stellari, la materia esiste to stato, poco conosciuto, quello di plasma. Un gas passa allo stato tramite un processo chiamato “ionizzazioneâ€? (il metodo piĂš semealizzare una ionizzazione consiste nel sottoporre il gas a scariche n determinate condizioni). Nell’atmosfera del nostro pianeta c’è un toâ€?, quello piĂš esterno (ionosfera), formato da plasma per effetto del mento delle radiazioni solari ultraviolette (UV). comuni lampade al neon, o alcuni monitor e schermi televisivi, conasma, ottenuto sottoponendo dei gas a intense scariche elettriche. alisi ambientali delle acque si usano apparecchiature al plasma, che do di rilevare velocemente e con grande precisione quantitĂ mini) di inquinanti pericolosi per la nostra salute. Attualmente sono in gettazione inceneritori al plasma, impianti in grado di risolvere il dei rifiuti bruciandoli a temperature molto elevate (la temperatura può arrivare fino a 13 000 °C), riducendo al minimo il problema delni e delle scorie derivanti dall’incenerimento (vedi ��������������� ,

BIO/GEO

A BASSA RISOLUZIONE La nebulosa di Andromeda

Segui il racconto della disciplina facendo tuoi, paragrafo dopo paragrafo, il lessico scientifico e il linguaggio simbolico che le sono propri

minimale OK

Identifica e riconosci i concetti fondamentali in maniera immediata ed efficace

>>>f>>>>>>>>>>>>f>>>>

Il termine “aeriformeâ€? comprende sia i gas sia i vapori (vedi paragrafo ďż˝.ďż˝); nel linguaggio comune, però, spesso si usa il termine “gasâ€? (e l’aggettivo “gassosoâ€?) al posto di “aeriformeâ€?.

>> >>>>>>>

> >>>>>>>>>>>>>>

Di che cosa è fatta la materia?

Al principio di ogni unitĂ , lasciati incuriosire da immagini di forte impatto e dai concetti in primo piano

>>>>>>f>>>>>>>f>>>>

nucleo

Lavoisier

alla scoperta della chimica f>>>>>>

minimale OK

Il tuo percorso

Guarda con attenzione le immagini per fissare i concetti espressi nel testo

Scopri i collegamenti con le altre discipline

>>>>f>>>>>>

>>>>>>>

��

Verifica i tuoi progressi mettendoti alla prova con esercizi di comprensione e applicazione dei concetti

E ORA RISPONDI

VI

����� � Materia, trasformazioni, energia

Completa con il termine corretto.

Applica i concetti.

� Tutto ciò che ha massa e possiede un volume

è

ďż˝ Assegna il nome a ciascuno dei seguenti modelli

.

della molecola di acqua.

a]

� Un campione di materia che si può osservare a occhio

nudo è un campione

.

ďż˝ I chimici chiamano

la porzione delimitata di materia su cui svolgono una indagine.

ďż˝ Solido, liquido e aeriforme sono

tre

ďż˝ Gli

spazio che hanno a disposizione.

della materia. occupano tutto lo

ďż˝.

b]

ďż˝. a]

ďż˝ ClassiďŹ ca ognuno dei seguenti campioni

di materia come macroscopico, microscopico

minimale OKoďż˝.particellare. una foglia

ďż˝ Collega correttamente ogni termine della prima

colonna (lettere) con il corrispondente della seconda (numeri). ďż˝ stato solido

ďż˝ occupa tutto lo spazio del

ďż˝ stato liquido

ďż˝ ha un volume e una forma

ďż˝ stato aeriforme

� è formato da particelle che

ďż˝. un atomo di alluminio

ďż˝. una molecola di azoto ďż˝. una formica b] ďż˝. un globulo rosso del sangue

recipiente che lo contiene deďŹ niti

scorrono le une sulle altre

� Il volume occupato da un certo campione di materia è piÚ grande quando il campione si trova allo stato aeriforme o allo stato liquido? In quale dei due stati la materia è piÚ facile da comprimere? PerchÊ?

Come si trasforma la materia?

>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> ďż˝.ďż˝ Trasformazioni ďŹ siche e chimiche

Se si riscalda un pezzo di ferro a una temperatura sufficientemente elevata, il ferro fonde e si liquefa; via via che il liquido ottenuto si raffredda, il ferro ritorna solido.

Un gas come l’azoto – un importante componente dell’atmosfera terrestre – può essere portato allo stato liquido per compressione, cioè aumentando la pressione a cui è sottoposto; quando si diminuisce la pressione, l’azoto ritorna gas.

Quelli che abbiamo descritto sono due esempi di passaggi di stato, trasformazioni in cui la materia passa da uno stato fisico all’altro. La Figura �.� riporta alcuni passaggi di stato con il loro nome.

��� VERIFICA LE TUE COMPETENZE ���� �����������

VII

AREA COMPETENZE

Verifica le tue competenze � Indica la risposta errata.

La notazione 3 H2CO3 indica:

� 7 atomi per ogni molecola. � 3 atomi di O.

� silicato di ferro.

��

�� I coefficienti che bilanciano la

reazione: KI + Br2 → KBr + I2 sono, nell’ordine:

� tetraossosilicato di diferro.

� I composti: CaH2 | KOH | N2O4 | KCl |

� Le valenze degli elementi in un

composto sono, nell'ordine: 1, 2 e 5.

Il composto è:

� H3PO3 � H3PO4

� idruro | idrossido | ossido | sale | ossiacido | sale

� sale | idruro | ossido | sale | ossiacido | sale � idrossido | idruro | ossiacido | sale | ossiacido | sale

� Al(OH)3 � HNO2

� idruro | idrossido | perossido | sale | ossiacido | sale

� Sono tutti composti ternari:

� È una reazione chimica:

� HClO | HClO2 | HClO3

� il ghiaccio che fonde.

� H2O | Al(OH)3 | HClO

� lo iodio che sublima.

� HNO3 | SO2 | CO2

� l’azoto che liquefa.

� CO2 | SiO2 | K2O

� la formazione dell’acqua dai suoi elementi.

� Il manganese forma cinque

ossidi, tra cui Mn2O3 e MnO3.

La nomenclatura IUPAC corretta è, nell'ordine:

� ossido manganico | anidride manganica � ossido manganoso | ossido manganico

� per entrambi triossido di manganese � Indica l’affermazione corretta

tra le seguent:

� idruri e idrossidi sono rispettivamente il nome tradizionale e IUPAC per la stessa categoria di composti. � ossidi e perossidi sono rispettivamente il nome tradizionale e IUPAC per la stessa categoria di composti. � ossiacidi e idracidi sono rispettivamente il nome tradizionale e IUPAC per la stessa categoria di composti. � ossidi e perossidi sono composti binari.

� solo quando si nota un cambiamento di colore. � solo quando, mescolando due soluzioni, si nota la formazione di un solido. � solo quando si nota lo sviluppo di bollicine di gas. � se si nota un cambiamento di colore e/o la formazione di un solido e/o lo sviluppo di gas. �� Il carbonato di calcio, CaCO3,

scaldato a 900 °C si decompone in calce viva, CaO, e diossido di carbonio. La calce viva, fredda, viene trattata con acqua e la temperatura aumenta, superando i 100 °C. Si può affermare che:

� la prima reazione è endotermica, la seconda esotermica. � la prima reazione è esotermica, la seconda endotermica. � entrambe le reazioni sono esotermiche. � entrambe le reazioni sono endotermiche.

Keywords, glossary and explanations

� 1, 2, 1, 2

� 1, 2, 2, 1

�� La reazione:

CaCO3(s) + calore → CaO(s) + CO2(g), usata per produrre calce viva, deve avvenire:

� in appositi forni aperti in modo che il CO2 si allontani dall’ambiente e la resa sia massima. � in forni chiusi perché è una reazione di equilibrio. � indifferentemente in forni aperti o chiusi. � in forni chiusi perché l'ambiente di reazione si scalda prima. �� Scegli il corretto completamento tra

i seguenti. Una reazione di doppio scambio può avvenire:

� tra due sali. � tra un sale e un acido. � tra un sale e un idrossido. � i tre completamenti precedenti sono tutti corretti. �� La notazione: 2 NO2(g)

indica che la reazione:

Physical System Any limited portion of matter on

which observation is made.

Al termine di ogni unità, esercitati sfruttando le competenze che hai acquisito

>>>>>>>>>

>>>>f>>>>>>

� triossido di dimanganese | triossido di manganese

minimale OK

� Un processo è una reazione chimica:

chemZONE

� 1, 1, 1, 1

� 2, 1, 2, 1

>>>>f>>>>>

HNO3 | KNO3 sono, nell’ordine:

����� 2 Materia, trasformazioni ed energia

N2O4(g)

Impara a confrontarti con l’inglese, la lingua della comunità scientifica internazionale

� diretta è una decomposizione. � inversa è una sintesi. � diretta è una sintesi, inversa è una decomposizione. � diretta è una decomposizione, inversa è una sintesi. �� Nella reazione (da bilanciare):

P + Cl2 → PCl3 il rapporto di combinazione tra le moli dei reagenti e dei prodotti è:

� 2:3:2 � 1:1:1 � 3:2:3 � 1:3:1

Homogeneous System The matter has uniform

properties throughout a system. A glass of water is a homogeneous system.

Heterogeneous System Parts of system are composed of different substances and the properties of system are not uniform throughout the system.

Phase Homogeneous part of a system, separated

from the rest of the system by a boundary. Ice cubes in a glass of water make a heterogeneous system composed of two phases.

Solution Any homogeneous mixture which can be in gas, liquid or solid state. Any solution is composed of a solvent and at least one solute.

In a glass of sea water, salt is a solute. Being homogeneous mixtures, solutions are composed of one phase only.

Pure substance Any single component of a mixture, either homogeneous or heterogeneous, is a pure substance. Separation of a mixture in pure substances is carried out by physical means.

Element A substance containing only one kind of atoms. Can not be decomposed into a simpler substance.

minimale OK

Mixture Any mixture is a system composed of more than one substance. The amount of each substance can vary. When the components of a mixture can’t be distinguished, a mixture is homogeneous, such as sea water. When the components can be distinguished, a mixture is heterogeneous, such as milk, and contains at least two phases.

Compound A pure substance that can be

decomposed by chemical means into simpler compounds or elements. Compounds contain two or more different types of atoms held together by chemical bonds.

SEPARATION OF MIXTURES INTO COMPONENTS Mixtures can be separated into their constituents by applying physical methods only. The nature of all substances does not change during separation.

The method of choice will depend on the nature of mixture: number of phases and their physical state.

A Separating homogeneous mixtures These mixtures are composed of one phase only – they are homogeneous. Distillation is used to separate a solvent from a solution, for instance water from sea water. Fractional distillation can be used to separate two or more liquids, such as alcohol and water.

Crystallisation or evaporation is used to separate a soluble solid from its solution, for instance salt from water. Another useful method is chromatography, used to separate different substances from a common solvent.

B Separating heterogeneous mixtures Common methods of separation are based on different density of two phases of a heterogeneous mixture.

Sedimentation is used to separate heterogeneous mixtures composed of one solid and one liquid or gas phase. When the difference of density is slight, centrifugation can be used instead of gravity.

A mixture consisting of two liquid phases such as oil and water, can be separated by using separatory funnel.

Another useful method is filtering. This method needs a porous medium, such as filter paper. The size of pores is smaller than the size of the solid phase particles. Liquid homogeneous phase passes through the filtering medium.

>>>>>>>>>>>>>>

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Per passare dai concetti all’azione puoi cimentarti con esperimenti semplici e intuitivi…

minimale OK

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� silicato di diferro.

� tetraossosilicato ferroso.

� 21 atomi in totale.

>>>

� Il nome IUPAC del composto Fe2SiO4 è:

>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> � 3 molecole di H2CO3.

sostituire con pagina definitiva

... oppure costruire esperienze più complesse, proprio come in un laboratorio vero

Segui la chimica nelle frontiere della ricerca e nelle sfide imposte dalle questioni ambientali

sostituire con pagina definitiva

>>>>>>>>>>>>>>inizia!>>>>

VIII Introduzione

Prima di cominciare Di che cosa si occupano i chimici?

Nel suo romanzo La chiave a stella Primo Levi, chimico e scrittore, immaginando di dialogare con un montatore di gru e ponteggi, scriveva: «Il mio mestiere vero, quello che ho studiato a scuola e che mi ha dato da vivere fino ad oggi, è il mestiere del chimico. Non so se lei ha un’dea chiara, ma assomiglia un poco al suo: solo che noi montiamo e smontiamo delle costruzioni molto piccole. Ci dividiamo in due rami principali, quelli che montano e quelli che smontano. […] Le cose che noi manipoliamo sono troppo piccole per essere viste, anche coi microscopi più potenti; e allora abbiamo inventato diversi trucchi intelligenti per riconoscerle senza vederle».

Gli oggetti così piccoli a cui si riferisce Primo Levi sono le particelle che costituiscono la materia. Sono tanto minuscole che Levi paragona i chimici a «degli elefanti ciechi davanti al banchetto di un orologiaio, perché le nostre dita sono troppo grossolane di fronte a quei cosetti che dobbiamo attaccare o staccare. Quelli che smontano, cioè i chimici analisti, devono essere capaci di smontare una struttura pezzo per pezzo senza danneggiarla troppo. […] Io però ho sempre fatto il chimico montatore, uno di quelli che fanno le sintesi, ossia che costruiscono delle strutture su misura.»

ist2_10171600-scientist-working-in-biomedical-laboratory.jpg

Pur nella loro semplicità, queste suggestive righe descrivono in maniera efficace la natura della chimica, la scienza che studia le proprietà e le trasformazioni della materia.

I chimici che “smontano” sono quelli che conducono le analisi, rilevando eventuali componenti estranei nei cibi o valori anomali nella composizione del terreno, o determinando le quantità delle sostanze riportate sull’etichetta di una bottiglia d’acqua. I chimici che “montano” sono quelli che sintetizzano nuove sostanze: farmaci come l’aspirina, materiali come la plastica, soluzioni come le vernici. Oggi le conoscenze chimiche sono così vaste che chiunque si occupi di questa disciplina deve necessariamente specializzarsi: i chimici sono impiegati, per esempio, in campo medico, elettronico, o alimentare. Ma il cuore della chimica è sempre racchiuso nelle attività descritte da Primo Levi: l’analisi e la sintesi.

L’industria chimica: luci e ombre L’importanza della sintesi di nuove sostanze è testimoniata dal fatto che nei paesi con un’industria chimica avanzata la qualità e l’aspettativa di vita sono aumentate enormemente: i farmaci consentono di curare malattie prima mortali, la disinfezione dell’acqua ha debellato gravi epidemie, materiali artificiali sostituiscono parti del corpo umano deteriorate. La stragrande maggioranza dei prodotti che usiamo è frutto dell’industria chimica: dalle batterie di lunga durata del laptop al touchscreen del palmare di ultima generazione, alle lenti infrangibili degli occhiali, agli integratori alimentari per gli sportivi; l’elenco potrebbe continuare a lungo. Immaginiamo, come in un film di fantascienza, di ricevere la visita di qualcuno vissuto agli inizi del secolo scorso. Che cosa penserebbe, osservando come il mondo è cambiato nell’arco di appena cent’anni, anche grazie alla chimica? Sicuramente griderebbe al prodigio.

IX Introduzione

Purtroppo il prodigio chimico ha avuto qualche effetto collaterale: il malfunzionamento di alcuni impianti chimici ha causato esplosioni, incendi, versamenti di sostanze nocive che hanno inquinato l’atmosfera, i corsi d’acqua e i terreni.

Sono stati gli stessi chimici, con le loro analisi, a quantificare i danni subiti dall’ambiente: attrezzature sempre più sofisticate consentono, infatti, di monitorare gli inquinanti e adottare misure preventive per limitarne il più possibile la presenza.

La chimica verde Ormai non possiamo pensare di arrestare l’industria chimica e tornare indietro di cento anni per riparare i danni prodotti sull’ambiente: cultura, medicina ed economia non possono assolutamente rinunciare ai benefici indiscussi della chimica. Occorre però ripensare questa scienza in modo nuovo. Dalla necessità di coniugare il progresso con il rispetto dell’ambiente è nata la chimica verde.

La sua missione è chiara: chi progetta un qualsiasi prodotto chimico deve considerare gli effetti che il suo uso potrebbe comportare per l’ambiente e la salute umana. Per esempio, devono essere progettati metodi di sintesi meno rischiosi e che riducano al minimo gli scarti di produzione; questi, poi, devono essere obbligatoriamente smaltiti e degradati senza accumuli nell’ambiente. Inoltre, si deve preferire la produzione di manufatti che possano essere riciclati. Tutto questo rientra nella cosiddetta valutazione del ciclo di vita di un prodotto. Il chimico che valuta il ciclo di vita di una scarpa da ginnastica deve chiedersi: le materie prime per produrla sono state ricavate nel rispetto dell’ambiente? Come è stata fabbricata? I metodi e i reagenti usati hanno presentato rischi per la salute e la sicurezza dei lavoratori? I materiali utilizzati per l’imballaggio sono biodegradabili? Quanto inquinano i mezzi usati per il trasporto e la distribuzione? Quali componenti della scarpa possono essere riciclati una volta che questa diventa inutilizzabile? Nella valutazione del ciclo di vita rientrano anche considerazioni non strettamente scientifiche: molte industrie producono per i paesi industrializzati sfruttando le risorse naturali e la manodopera dei paesi in via di sviluppo, senza alcun rispetto per la dignità dei lavoratori.

Ormai la chimica, come altre scienze, non può più sottrarsi al confronto con l’etica, intesa come tutto ciò che riguarda il bene comune e l’adozione di comportamenti responsabili. Il tema non riguarda solo l’industria: noi stessi dobbiamo diventare più attenti e consapevoli. Studiare chimica serve anche a capire perché dobbiamo limitare gli sprechi, produrre meno rifiuti, praticare la raccolta differenziata, tutelare la nostra salute in maniera intelligente e lungimirante. Oggi più che mai viviamo in un mondo globalizzato, dove ogni nostra azione non è più circoscritta al ristretto ambito di un’abitazione o di una città: l’intera biosfera è coinvolta. La semplice scelta di acquistare un prodotto al posto di un altro è destinata a influire sul futuro in maniera sempre più rilevante e imprevedibile.

Le scienze in connessione e il linguaggio chimico È chiaro che chi si occupa di chimica deve avere una visione di largo respiro, che spazia dalle valutazioni di carattere economico a quelle sul rispetto della natura e sui diritti umani; il chimico dell’ambiente, soprattutto, deve saper effettuare collegamenti con le altre discipline, in primo luogo la geologia e la biologia. L’ambiente naturale è, infatti, un sistema integrato le cui parti interagiscono continuamente: per comprenderlo gli specialisti delle varie scienze della natura devono saper dialogare tra loro. Ecco perché una parte considerevole di

stock-photo-chimneyin-an-industrial-aerea62598934.jpg

X Introduzione

questo testo è dedicata non solo alla chimica verde, alle nuove tecnologie e al rapporto tra chimica e società, ma anche alle “scienze in connessione”.

Immaginiamo di dover avviare la costruzione di una grande serra: di quanti professionisti avremmo bisogno? Sicuramente di un geologo che ci indichi il sito adatto, magari in prossimità di una falda da cui prelevare l’acqua, di un vivaista che ci dia consigli sulle coltivazioni, di un agronomo che ci suggerisca i concimi adatti e i rimedi in caso di malattie delle piante; ma non prima di aver valutato la qualità del terreno e dell’acqua tramite le analisi condotte da un chimico. È per questo che la chimica spesso è indicata come la scienza centrale: nessuna scienza può dialogare meglio con le altre. La sua posizione centrale è evidenziata nello schema seguente, che mostra solo alcune delle connessioni con le altre discipline scientifiche:

FISICA astronomia

medicina

chimica geologia

agronomia

biologia

ecologia

Vista la posizione strategica della chimica, non stupisce che il suo linguaggio abbia permeato tutte le scienze. Discipline come la biologia e la fisica hanno mutuato dalla chimica molti termini e concetti, senza i quali campi innovativi come le biotecnologie, le nanotecnologie o la scienza dei materiali non esisterebbero. Termini come “pH”, “acidità”, “basicità”, “salinità” ecc. sono di uso comune anche per le scienze agrarie. Il botanico sa che con “linfa” s’intende una soluzione liquida che circola nei vasi delle piante costituita da acqua, sali minerali o composti, come il saccarosio. È evidente, però, come questa singola nozione di botanica racchiuda molte nozioni di chimica: soluzione, acqua, sale, composto, saccarosio.

Perché studiare chimica?

Questo testo fornisce molte occasioni per riflettere sull’ambiente e sui temi sociali, collegando la chimica alle altre discipline. Ti accorgerai che la chimica è ovunque, nell’esperienza quotidiana; imparerai alcuni “trucchi intelligenti”, come li chiamava Primo Levi, per penetrare nei segreti della materia, osservandola e manipolandola. Apprenderai anche i rudimenti della sintesi di una sostanza, realizzando semplici esperienze di laboratorio; sarai in grado di spiegare alcune caratteristiche dei materiali a partire dalle particelle invisibili che li compongono.

In ogni caso, il motivo principale per studiare questa disciplina, alla tua età, è uno solo: la chimica è divertente, e non solo perché alcuni esperimenti sono particolarmente piacevoli da realizzare. Il divertimento sta nella bellezza delle idee, nel guardare oltre l’apparenza, nell’indagare. Capire come funzionano le cose ci gratifica e ci rende più liberi.

3

unità

Atomi e molecole

L’Atomium è un monumento simbolo della città di Bruxelles.

Rappresenta un cristallo di Ferro ingrandito 165 miliardi di volte.

isotopo

elettrone

massa atomica numero atomico tavola periodica nucleo orbitale

atomopeso molecolare proprietà periodica

modello nucleare

mole

livello energetico

4

unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

Di che cosa è fatta la materia?

2.1 | Una lente di ingrandimento sulla materia Il libro che state leggendo, il banco e i muri dell’aula, il vostro corpo e la pianta in cortile sono fatti di materia. Anche se non la potete vedere, l’aria che respirate è materia.

materia

Figura 2.2 Macroscopico, microscopico, particellare Gli oggetti molto piccoli si possono osservare con vari tipi di microscopio. In particolare, il microscopio a effetto tunnel (in sigla STM, da Scanning Tunneling Microscopy) ricostruisce immagini di singoli atomi effettuando la scansione di una superficie mediante una punta di dimensioni atomiche. m A quale livello della scala si possono osservare i pollini?

macroscopico

Materia è tutto ciò che ha massa e occupa spazio.

La materia si presenta in una enorme varietà di forme e di colori eppure, se la indaghiamo fino in fondo, scopriamo che è fatta di un numero relativamente piccolo di componenti di base: gli elementi chimici. Carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto sono alcuni esempi di elementi chimici molto diffusi sulla superficie del nostro pianeta; entrano nella composizione del nostro corpo, ma anche in quella dei minerali che formano le rocce. Questi ingredienti basilari della materia sono stati dati in dotazione al nostro pianeta nel momento della sua formazione, circa 4,5 miliardi di anni fa.

Nello studio della materia, possiamo procedere su tre livelli, che indichiamo genericamente come “grande”, “piccolo” e “minuscolo”; in modo più formale questi livelli sono definiti come macroscopico, microscopico e particellare (Figura 2.2).

Un campione macroscopico di materia è visibile a occhio nudo. Le montagne, le scogliere, i frammenti di roccia di ogni dimensione, dai massi alla ghiaia fino alla sabbia delle spiagge, sono esempi di campioni macroscopici; i geologi spesso studiano la materia a questo livello (Figura 2.3A). I biologi, invece, nelle loro indagini utilizzano il microscopio per osservare i campioni di materia troppo piccoli per essere visibili a occhio nudo. Con il microscopio possono osservare, per esempio, animali e vegetali molto piccoli, e le cellule che li costituiscono (Figura 2.3b).

E i chimici? Quando un chimico lavora in laboratorio manipola campioni di materia osservabili a occhio nudo, ma per spiegare i risultati degli esperimenti deve ragionare immaginando il comportamento delle piccolissime particelle che compongono la materia, così piccole da non essere direttamente visibili (Figura 2.3C). Studiando la chimica imparerete a “vedere” la realtà su due livelli: quello macroscopico, dell’osservazione diretta, e quello delle particelle. Svilupmicroscopico

particellare

1 × 100 m 1 × 10–1 m 1 × 10–2 m 1 × 10–3 m 1 × 10–4 m 1 × 10–5 m 1 × 10–6 m 1 × 10–7 m 1 × 10–8 m 1 × 10–9 m 1 × 10–10 m 1 × 10–11 m 1 × 10–12 m 1m 1 dm 1 cm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 100 pm 10 pm 1 pm

statura dimensioni diametro spessore cellula cellula cellula di un di un foglio di un di un CD vegetale animale batterica uomo di carta anello

virus molecola molecola molecola atomo proteica dell’aspirina d’acqua

microscopio ottico microscopio elettronico occhio umano

microscopio a scansione tunnel

chimica animata tutorial La legge di conservazione della massa

a I geologi, nel lavoro sul campo, si muovono al livello macroscopico: osservano le strutture terrestri e prelevano campioni di dimensioni macroscopiche da studiare in laboratorio.

5

Di che cosa è fatta la materia?

b I biologi, in laboratorio, lavorano a livello microscopico: osservano campioni di organismi, vivi o morti, a diversi ingrandimenti e con varie tecniche.

pare questa capacità è una sfida continua… ma è anche molto divertente! Sin da questa Unità potrete cominciare ad allenarvi in tal senso: prenderemo in esame alcuni fenomeni macroscopici e li spiegheremo con il comportamento di particelle, grazie a un vero e proprio “zoom” nel cuore della materia.

C I chimici osservano campioni macroscopici e cercano di spiegarne il comportamento con modelli particellari, più o meno sofisticati; il microscopio a effetto tunnel consente di ricostruire immagini di singoli atomi, come questa.

Figura 2.3 A ogni scienziato, il suo livello Ogni disciplina scientifica predilige un dato livello di osservazione, che però non esclude gli altri.

2.2 | Atomi e molecole: non si vedono,

| si rappresentano La materia in genere ci appare come qualcosa di continuo, ma in realtà è discontinua. Infatti è composta di atomi, particelle che per il momento possiamo immaginare come piccole sfere omogenee di dimensioni variabili (Figura 2.3A). Spesso, gli atomi sono legati assieme a formare molecole, cioè gruppi ben definiti di due o più atomi (Figura 2.3B).

modello per zoom (vedi anche file .ai allegato)

a

Per rappresentare le molecole, i chimici utilizzano i modelli molecolari, particolari rappresentazioni tridimensionali con cui possono mettere in evidenza diverse caratteristiche delle molecole: ■■ nei modelli “a stecche e sfere” gli atomi che formano le molecole sono rappresentati da sfere di vario colore, unite tramite bastoncini che rappresentano i legami chimici tra un atomo e l’altro; ■■ i modelli “compatti”, invece, non mostrano chiaramente i legami, ma danno un’idea della forma e dei confini di una molecola.

Molecola di acqua

b

Figura 2.3 Atomi e molecole Tutta la materia, in ultima analisi, è composta di atomi. A] Nel rame, gli atomi sono presenti come particelle indipendenti.

B] Nell’acqua, un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno sono legati assieme a formare raggruppamenti di composizione definita, le molecole di acqua.

]a

atomo di idrogeno atomo di ossigeno

]a modello “a stecche e sfere”

]b modello “compatto”

È importante osservare che queste raffigurazioni non sono affatto una riproduzione fedele di atomi e molecole; piuttosto sono “modelli”, cioè rappresentazioni semplificate e schematiche della realtà.

8

unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

due atomi di idrogeno

chimica animata tutorial La legge di conservazione della massa

un atomo di ossigeno

H2O

Il colore scelto per rappresentare gli atomi nei modelli molecolari è puramente convenzionale; in questo libro, per esempio, gli atomi di ossigeno sono colorati in rosso, quelli di idrogeno in grigio tenue, quelli di carbonio in nero.

I chimici, come forse saprete, hanno a loro disposizione un ricco repertorio di simboli con cui possono rappresentare atomi e molecole in modo semplice e universale – valido cioè per gli scienziati di tutto il mondo. La molecola di acqua, che abbiamo rappresentato con i modelli molecolari (vedi sopra), è formata da un atomo di ossigeno (in rosso, nella figura) e da due atomi di idrogeno (in grigio chiaro). La formula chimica H2O (si legge “acca-due-o”) ci dice che un atomo di ossigeno (simbolo, O) è legato a due atomi di idrogeno (simbolo, H). Il numero “2”, al piede della lettera H, rappresenta il numero di atomi di idrogeno presenti nella molecola; il numero “1”, al piede della lettera O, è sottinteso.

Allo stesso modo, possiamo rappresentare il diossido di carbonio – noto comunemente come anidride carbonica – come CO2 (un atomo di carbonio e due di ossigeno; si legge “ci-o-due”), il metano come CH4 (un atomo di carbonio e quattro di idrogeno, “ci-acca-quattro”), l’ammoniaca come NH3 (un atomo di azoto e tre di idrogeno), e così via.

2.3 | Gli stati fisici della materia

per APICI e PEDICI usare foglio stile di carattere

Le porzioni di materia su cui i chimici effettuano le loro indagini sono dette sistemi.

sistema

▶ Il termine “aeriforme” comprende

sia i gas sia i vapori (vedi paragrafo 2.9); nel linguaggio comune, però, spesso si usa il termine “gas” (e l’aggettivo “gassoso”) al posto di “aeriforme”.

Un sistema è una porzione delimitata di materia.

Consideriamo un semplice sistema costituito da un bicchiere pieno d’acqua.

Evidentemente, l’acqua e il vetro sono tipi diversi di materia. L’acqua, in particolare, è un liquido incolore e inodore. Queste proprietà ci consentono di distinguere l’acqua dal vetro e da molte altri materiali.

Supponiamo ora di mettere il bicchiere nel freezer; l’acqua, dopo un po’ di tempo, si congela e diventa ghiaccio. Il ghiaccio è un solido incolore e inodore; ha proprietà diverse dal liquido da cui siamo partiti, ma è sempre acqua. Se invece poniamo lo stesso bicchiere sul davanzale della finestra, al Sole, dopo un po’ di tempo l’acqua è evaporata (e magari ha formato una condensa su vetro della finestra). Il vapor d’acqua, invisibile ai nostri occhi, è ancora acqua, ma allo stato ▶ aeriforme.

Questi semplici esempi ci mostrano che la materia (non solo l’acqua) può esistere in tre diversi stati fisici, detti anche stati di aggregazione della materia: solido, liquido, aeriforme.

Da un punto di vista macroscopico (Figura 2.4): ■■ un corpo allo stato solido ha una forma e un volume definiti. Un cubetto di ghiaccio, un pezzo di legno, un anello di platino sono solidi: la loro forma è ben definita e il loro volume può essere misurato; ■■ un corpo allo stato liquido ha un volume proprio, ma assume la forma del recipiente che lo contiene. La benzina, il latte, l’olio e il mercurio sono liquidi: possiamo misurare il volume di un dato campione, ma la sua forma dipende dal recipiente che lo contiene; ■■ un corpo allo stato aeriforme non ha né forma né volume proprio e tende a espandersi riempiendo completamente lo spazio disponibile. L’aria che emettiamo con un respiro, l’elio in un palloncino, il neon delle lampade sono esempi di gas, un tipo di aeriforme.

Esercitiamoci ora a vedere la realtà a livello particellare, come farebbe un chimico, con l’aiuto della Figura 2.4:

Di che cosa è fatta la materia? liquido liquido la forma • assume • assume la forma del recipiente del recipiente • volume definito • volume definito •• difficile difficile da comprimere da comprimere

solido solidodefinita • forma definita •• forma volume definito •• volume difficiledefinito • difficile da comprimere da comprimere a

aeriforme • aeriforme assume la forma • assume la forma del recipiente recipiente • sidelespande in tutto • si espande in tutto disponibile lo lo spazio spazio disponibile •• facile facile da dacomprimere comprimere b

C

9

Figura 2.4 Un modello per solidi, liquidi, aeriformi Le sferette raffigurano le particelle. A] Nel solido vibrano attorno a posizioni fisse, in una disposizione ordinata. B] Nel liquido sono ravvicinate, ma possono scorrere liberamente le une sulle altre. C] Nell’aeriforme sono mediamente molto distanti e si muovono liberamente nello spazio del contenitore.

Perché gli iceberg galleggiano sull’acqua?

■■ nello stato solido, le particelle (atomi o molecole) sono molto ravvicinate e possono dare luogo a disposizioni ordinate; le particelle non sono del tutto immobili, ma vibrano attorno alla propria posizione; ■■ nello stato liquido, le particelle sono molto vicine tra loro – quasi come nello stato solido –, ma possono scorrere liberamente, scambiandosi di posto; ■■ nello stato aeriforme, le particelle sono mediamente molto distanti l’una dall’altra e totalmente libere di muoversi. Dato che le particelle non sono in contatto fra loro, gli aeriformi sono facilmente comprimibili.

Per spiegare le caratteristiche dei tre stati della materia abbiamo usato un semplice modello particellare: sferette tutte uguali e tutte in movimento, più veloci quelle degli aeriformi, più lente quelle di liquidi e solidi. Nel corso dei vostri studi incontrerete altri modelli, che vi saranno utili per descrivere la realtà materiale e ricavarne un’immagine mentale chiara ed essenziale.

Per rispondere, devi sapere che l’acqua si comporta diversamente da quanto descritto in generale per lo stato solido e liquido della materia. Nel liquido, infatti, le particelle sono più ravvicinate che nel solido; che cosa può significare in termini di densità dell’acqua e del ghiaccio? Come può influire sul galleggiamento?

| Un quarto stato della materia: il plasma

Alle temperature e alle pressioni elevate dei nuclei stellari, la materia esiste in un quarto stato, poco conosciuto: quello di plasma. Un gas passa allo stato di plasma tramite un processo chiamato “ionizzazione” (il metodo più semplice per realizzare una ionizzazione consiste nel sottoporre il gas a scariche elettriche in determinate condizioni). Nell’atmosfera del nostro pianeta c’è un intero “strato”, quello più esterno (ionosfera), formato da plasma, per effetto del bombardamento delle radiazioni solari ultraviolette (UV).

Anche le comuni lampade al neon, o alcuni monitor e schermi televisivi, contengono plasma, ottenuto sottoponendo dei gas a intense scariche elettriche.

Nelle analisi ambientali delle acque si usano apparecchiature al plasma, che sono in grado di rilevare velocemente e con grande precisione quantità minime (tracce) di inquinanti pericolosi per la nostra salute. Attualmente sono in fase di progettazione inceneritori al plasma, impianti in grado di risolvere il problema dei rifiuti bruciandoli a temperature molto elevate (la temperatura del plasma può arrivare fino a 13000 °C), riducendo al minimo il problema delle emissioni e delle scorie derivanti dall’incenerimento (vedi Unità 3).

BIO/geo

La nebulosa di Andromeda

e ora rispondi

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unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

Completa con il termine corretto.

Applica i concetti.

1 Tutto ciò che ha massa e ha un volume è

7 Assegna il nome a ciascuno dei seguenti modelli

.

della molecola di acqua.

a]

2 Solido, liquido e aeriforme sono tre

della materia che si possono osservare.

3 Un campione di materia che si può osservare a occhio

nudo è un campione

.

4 Normalmente i chimici restringono la loro osserva-

zione a un porzione delimitata di materia.

5 Gli

occupano tutto lo

spazio disponibile.

a stato solido

1 occupa tutto lo spazio del

b stato liquido

2 ha un volume e una forma

c stato aeriforme

a.

b.

a]

8 Classifica ognuno dei seguenti campioni

Collega ogni termine con la corretta definizione.

6

b]

, cioè a una

recipiente che lo contiene definiti

3 è formato da particelle che

di materia come macroscopico, microscopico o particellare. b] a. una foglia

b. una molecola di azoto

c. un globulo rosso del sangue

d. un atomo di alluminio

e. una formica

scorrono le une sulle altre

Come si trasforma la materia?

2.4 | Trasformazioni fisiche e chimiche Se si riscalda un pezzo di ferro a una temperatura sufficientemente elevata, il ferro fonde e si liquefa; via via che il liquido ottenuto si raffredda, il ferro ritorna solido. Un gas come l’azoto – un importante componente dell’atmosfera terrestre – può essere portato allo stato liquido per compressione, cioè aumentando la pressione a cui è sottoposto; quando si diminuisce la pressione, l’azoto ritorna gas.

Quelli che abbiamo descritto sono due esempi di passaggio di stato, trasformazioni in cui la materia passa da uno stato fisico all’altro. La Figura 2.5 riporta i possibili passaggi di stato con il loro nome.

I passaggi di stato sono un particolare tipo di trasformazione fisica (Figura 2.6A).

trasformazione fisica

Figura 2.5 I passaggi di stato Lo schema illustra i sei passaggi di stato che avvengono tra lo stato solido, liquido e aeriforme nel caso dell’acqua. m Perché i passaggi di stato sono raggruppati a coppie?

In una trasformazione fisica, cambia l’aspetto fisico della materia, ma la sua composizione rimane la stessa.

fusione

evaporazione

solidificazione ghiaccio (stato solido)

condensazione acqua (stato liquido)

vapore d’acqua (stato aeriforme)

Come si trasforma la materia? trasformazione fisica

Figura 2.6 Trasformazioni fisiche e chimiche della materia A] L’acqua in ebollizione e lo zucchero che si scioglie nell’acqua sono comuni esempi di trasformazioni fisiche. B] La cottura di un uovo, il gas che brucia nel fornello in cucina sono esempi di reazioni chimiche.

trasformazione chimica

a

b

Quando il ghiaccio fonde, cioè diventa liquido, il suo aspetto cambia ma la composizione resta la stessa: è sempre acqua! Anche la rottura di un vetro in frantumi è una trasformazione fisica; ogni frammento è fatto di vetro. Lo stesso vale per la compressione di una molla: quando la lasciamo andare, ritorna alla sua forma originaria. L’erosione del suolo e delle rocce a opera del vento è una trasformazione fisica: il vento, infatti, si limita a trasportare dei frammenti senza modificarne la natura.

Altre trasformazioni della materia, invece, determinano cambiamenti ben diversi e più profondi: un chiodo di ferro che arrugginisce, per esempio, o il gas domestico che brucia sotto una pentola sono esempi di trasformazioni o reazioni chimiche (Figura 2.6B).

In una reazione chimica, la composizione della materia cambia e si formano nuove sostanze.

Il chiodo di ferro arrugginisce perché in corrispondenza della sua superficie il ferro reagisce con l’ossigeno – un gas presente nell’aria – e, in presenza di umidità, forma una nuova sostanza. Questa reazione chimica modifica profondamente la materia: il ferro dà origine a una sostanza di composizione diversa. Il gas metano, quando brucia nei fornelli in cucina, reagisce con l’ossigeno dell’aria e si trasforma in diossido di carbonio e vapor d’acqua.

In cucina assistiamo abitualmente a molte reazioni chimiche; quando l’uovo si rassoda nell’acqua bollente, per esempio, avvengono delle reazioni chimiche che cambiano la sua composizione. Poi, quando mangiamo e digeriamo l’uovo, altre reazioni chimiche (che avvengono nel nostro corpo) lo demoliscono in sostanze più semplici e facili da assorbire.

2.5 | Le proprietà della materia Se vi chiedessero di descrivere i banchi della vostra aula o il panino che avete mangiato a merenda, è probabile che nella risposta fareste riferimento alla forma, al colore, alla dimensione o, magari, all’odore e alla consistenza (duro, morbido). Colore, forma, odore, consistenza sono proprietà fisiche della materia che possiamo cogliere con i nostri sensi. Ci servono a descrivere un oggetto e non lo modificano mentre lo osserviamo.

Altre proprietà fisiche possono essere misurate in laboratorio, e perciò sono anche dette grandezze fisiche. Per esempio, si può determinare la temperatura a cui una sostanza fonde (cioè da solida diventa liquida) oppure la temperatura a cui bolle (cioè da liquida diventa aeriforme); queste due temperature sono chiamate, rispettivamente, punto di fusione e punto di ebollizione (Figura 2.7AB). Oppure possiamo misurare la viscosità di un fluido, cioè la resistenza che oppone allo scorrimento, o la sua densità (vedi Unità 1).

BIO/geo

reazione chimica

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unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

chimica animata tutorial Trasformazioni fisiche e chimiche

Problema assistito tutorial Trasformazioni fisiche e chimiche

Figura 2.7 Alcune proprietà dell’acqua Proprietà fisiche: A] il ghiaccio fonde a 0°C (a temperatura e pressione ambiente); B] l’acqua bolle a 100°C. Una proprietà chimica: c] l’acqua reagisce con il sodio e forma idrogeno e idrossido di sodio.

a

c

b

Le proprietà chimiche sono quelle che caratterizzano e descrivono la reattività di una sostanza, ovvero la maggiore o minore tendenza a partecipare a una data reazione chimica.

In una reazione chimica, le sostanze di partenza sono dette reagenti, quelle che si formano al termine della reazione sono dette prodotti.

La Figura 2.7C mostra la violenta reazione chimica dell’acqua con il sodio; questa capacità di reagire con l’acqua è una proprietà chimica del sodio. L’infiammabilità, cioè la tendenza alla combustione in presenza di ossigeno, la tossicità, la tendenza alla corrosione, la resistenza al calore sono altri esempi di proprietà chimiche.

La Tabella 2.1 riassume quanto abbiamo detto sulle proprietà e sulle trasformazioni fisiche e chimiche della materia.

e ora rispondi

Tabella 2.1

Proprietà e trasformazioni della materia: una sintesi fisiche

chimiche

Trasformazioni

cambia l’aspetto, ma non si formano nuove sostanze (esempio: i passaggi di stato)

si formano nuove sostanze (i prodotti) a partire da quelle iniziali (i reagenti) (esempio: la combustione)

Proprietà

odore, colore, sensazione al tatto (proprietà che possiamo rilevare con i nostri sensi); densità, punto di fusione e di ebollizione, viscosità (grandezze fisiche)

caratterizzano e descrivono la reattività di una sostanza (esempio: l’infiammabilità)

Completa con il termine corretto.

Applica i concetti.

1 Tutto ciò che ha massa e ha un volume è

7 Assegna il nome a ciascuno dei seguenti modelli

.

della molecola di acqua.

2 Solido, liquido e aeriforme sono tre

della materia che si possono osservare.

Collega ogni termine con la corretta definizione.

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8 Classifica ognuno dei seguenti campioni

di materia come macroscopico, microscopico o particellare.

a. una foglia

b. una molecola di azoto

a stato solido

1 occupa tutto lo spazio del recipiente che lo contiene

c. un globulo rosso del sangue

b stato liquido

2 ha un volume e una forma

d. un atomo di alluminio

c stato aeriforme

3 è formato da particelle che

e. una formica

definiti

scorrono le une sulle altre

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Che cos’è il calore?

2.6 | Non solo materia La materia, di cui abbiamo parlato finora, è uno dei componenti fondamentali del nostro Universo, ma esiste un altro componente altrettanto importante: l’energia. Avere chiaro il concetto di energia è molto utile in chimica perché, come vedremo più avanti in questo corso, le reazioni chimiche sono determinate in larga misura dal flusso dell’energia.

Anche se il termine “energia” è molto familiare, non è facile dare una definizione semplice e intuitiva. A differenza della materia, l’energia non può essere osservata direttamente; possiamo solo osservare i suoi effetti.

Per quanto ci riguarda, possiamo considerare l’energia nel seguente modo: l’energia è la capacità di compiere lavoro o di fornire calore.

Per esempio, grazie all’energia ricavata dagli alimenti il nostro corpo si mantiene caldo e i nostri muscoli sono in grado di compiere il lavoro necessario per sollevare un peso o per arrampicarsi in montagna.

Esistono molte forme di energia, ma tutte possono essere ricondotte a due forme principali: l’energia cinetica, correlata al movimento dei corpi, e l’energia potenziale, immagazzinata in un corpo o in un sistema più complesso per effetto della sua posizione, forma o stato fisico (pensiamo a un corpo elastico compresso, come una molla).

L’energia può essere convertita da una forma all’altra o trasferita da un corpo all’altro. Perciò si usa la stessa unità di misura per tutte le forme di energia; nel SI, l’unità di misura è il joule ( J). Il joule corrisponde a una quantità di energia molto piccola, per cui al suo posto si usa spesso il kilojoule (kJ), che equivale a 1000 J.

2.7 | Calore e temperatura:

| due facce della stessa medaglia Abbiamo visto che, in molti casi, le trasformazioni chimiche e fisiche si verificano quando scaldiamo o raffreddiamo la materia, cioè quando somministriamo o sottraiamo calore. Fornendo calore si cuociono i cibi, si fa evaporare l’acqua, si fondono i metalli; sottraendo calore si trasforma l’acqua in ghiaccio, si surgela la carne, si riesce persino a liquefare un gas. Ma che cos’è il calore?

Nonostante sia un concetto basilare, la natura del calore non è intuitivamente evidente; soprattutto, spesso si confonde il calore con la temperatura. Per chiarire la differenza, faremo riferimento ad alcuni esempi derivati dall’esperienza comune. Anzitutto è importante ricordare che il termometro è lo strumento che usiamo per misurare la temperatura di un corpo, non certo il suo calore; quando abbiamo la febbre diciamo infatti “misurare la temperatura”.

Per progredire nel nostro studio del calore, supponiamo di fare due distinti esperimenti: A. riscaldiamo nelle identiche condizioni due diverse quantità di acqua. Dopo un certo tempo la quantità più piccola di acqua avrà raggiunto una temperatura più alta.

B. riscaldiamo allo stesso modo masse uguali di acqua e di ferro (limatura). Ci si accorge facilmente che la temperatura del ferro aumenta più velocemente di quella dell’acqua.

energia

Perché gli iceberg galleggiano sull’acqua?

Per rispondere, devi sapere che l’acqua si comporta diversamente da quanto descritto in generale per lo stato solido e liquido della materia. Nel liquido, infatti, le particelle sono più ravvicinate che nel solido; che cosa può significare in termini di densità dell’acqua e del ghiaccio? Come può influire sul galleggiamento?

unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

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Tabella 2.2

Titolo tabella titolo tabella

Sostanza

Calore specifico (J /Kg· K)

oro

rame

Calore specifico (cal /g· °C)*

128

0,032

Materiali

Calore specifico (J /Kg· K)

sabbia quarzosa

Calore specifico (cal /g· °C)*

836 932,14

0,200

385

0,093

asfalto

alluminio

903

0,215

sughero

2048,2

0,490

0,223

acqua

4186

1,000

legno di abete

2717

0,650

* Per esprimere il calore si usa comunemente la caloria (cal), una unità non ammessa dal SI. Una caloria corrisponde alla quantità di energia richiesta per innalzare di 1°C la temperatura di 1 g di acqua.

Esercizio guidato 2.1

Determinare il calore specifico

Per determinare se un roccia di colore lucente è proprio oro, uno studente di chimica decide di misurare la capacità termica della roccia. Con una bilancia, trova che il campione di roccia ha massa 4,7 g. Poi determina sperimentalmente che l’assorbimento di 57,2 J fa aumentare la temperatura della roccia da 25 °C a 57 °C. La roccia è di oro puro?

Soluzione La temperatura del campione è aumentata di:

ΔT = 57 °C – 25°C = 32°C

Utilizziamo l’equazione (2) per calcolare il calore specifico della roccia:

c = Q / m × ΔT = 57,2 J / 4,7 g × 32 °C = 0,38

Il calore specifico è troppo alto perché la roccia sia di oro puro (vedi tabella 2.2).

Applica la relazione Quanto calore occorre fornire a 15 g di alluminio, che si trova alla temperatura di 4 °C, per portarlo a 27 °C?

La Tabella 2.2 riporta il calore specifico per diverse sostanze e materiali. Il calore specifico dei metalli (come il rame e l’alluminio) è minore di quello di materiali come il legno di abete o il sughero. Questo spiega perché il legno viene usato come materiale da costruzione: a differenza dei metalli, è un buon isolante termico.

Come si può vedere dalla tabella, l’acqua ha un calore specifico più alto di ogni altra sostanza; occorre una grande quantità di calore, per ottenere piccoli incrementi di temperatura.

| Il calore nelle trasformazioni chimiche

reazioni esotermiche = liberano calore reazioni endotermiche = assorbono calore

Le reazioni chimiche possono essere esotermiche, se liberano calore durante il loro svolgimento (eso-, in greco, significa “fuori”), o endotermiche, se lo assorbono (endo- significa “dentro”).

La quantità di calore emesso o assorbito da una reazione chimica può essere misurata sperimentalmente facendo avvenire la reazione in un particolare tipo di apparecchio, chiamato bomba calorimetria; in questo apparecchio la reazione chimica, innescata da una scarica elettrica, avviene in un contenitore sigillato e immerso in una quantità nota di acqua, con la quale può scambiare calore.

Dalla relazione (2) possiamo ricavare la seguente equazione fondamentale della calorimetria: Q = m · c · ΔT L’equazione ci permette di calcolare il calore assorbito (o ceduto) in una reazione chimica conoscendo il calore specifico dell’acqua, la sua massa e misurando la variazione di temperatura che si determina.

Completa con il termine corretto.

Applica i concetti.

1 Tutto ciò che ha massa e ha un volume è

7 Assegna il nome a ciascuno dei seguenti modelli

.

della molecola di acqua.

2 Solido, liquido e aeriforme sono tre

della materia che si possono osservare.

3 Un campione di materia che si può osservare a occhio

nudo è un campione

.

4 Normalmente i chimici restringono la loro osserva-

zione a un porzione delimitata di materia.

, cioè a una

a.

b.

a]

e ora rispondi

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Collega ogni termine con la corretta definizione.

6

a stato solido

1 occupa tutto lo spazio

b stato liquido

2 ha un volume e una forma

c stato aeriforme

3 è formato da particelle

b]

Che cosa succede nei passaggi di stato?

2.9 | I passaggi di stato e la temperatura

| Evaporazione e condensazione

Se lasciamo dell’acqua in un bicchiere, l’acqua a poco a poco diminuisce. Come si spiega questo fatto a livello particellare? A ogni temperatura, le particelle di un liquido sono caratterizzate da una particolare distribuzione dell’energia, per cui a ogni istante nel liquido ci sono particelle con velocità superiore e particelle con velocità inferiore rispetto alla velocità media (Figura 2.8).

Figura 2.8 La distribuzione dell’energia A una data temperatura, un campione di materia presenta una distribuzione dell’energia cinetica simile a quella di queste due curve (che si riferiscono a due temperature diverse). In un liquido, solo una piccola percentuale di molecole ha sufficiente energia cinetica per abbandonare la superficie del liquido e passare ad aeriforme. La percentuale di molecole che hanno energia cinetica sufficiente per lasciare il liquido aumenta al crescere della temperatura.

Quando si trovano in superficie, le particelle più veloci possono avere energia cinetica sufficiente per sfuggire al liquido e passare nella fase aeriforme. Il passaggio da liquido ad aeriforme in corrispondenza della superficie di un liquido è detto evaporazione.

Si chiama evaporazione il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme che interessa solo le particelle che si trovano sulla superficie di un liquido.

evaporazione

a]

b]

22

unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

2.11 | I passaggi di stato e il volume/la densità Quando un liquido passa allo stato aeriforme, le sue particelle tendono a occupare tutto lo spazio disponibile; il volume dunque aumenta. Di conseguenza, la densità dell’aeriforme è minore di quella del liquido corrispondente. Infatti, dato che (vedi Unità 1): d=m/V se aumenta V – e il denominatore m della frazione non cambia –, diminuisce d. Se lo stesso liquido passa allo stato solido, si verifica in genere una piccola diminuzione di volume, e la densità aumenta.

L’acqua costituisce un’eccezione a questo comportamento generale: quando solidifica, il suo volume aumenta. Ciò ha importanti conseguenze. Per esempio, il ghiaccio è meno denso dell’acqua e pertanto galleggia sul liquido, invece di affondare come le altre sostanze. L’espansione che l’acqua subisce quando solidifica, d’altra parte, è uno dei motivi per cui la maggior parte degli organismi non sopravvive al congelamento. Infatti, quando l’acqua presente nelle cellule solidifica, ne provoca in genere la lacerazione, così come l’acqua che gela nelle tubature durante l’inverno può farle scoppiare.

e ora rispondi

BIO/geo

Completa con il termine corretto.

Applica i concetti.

1 Tutto ciò che ha massa e ha un volume è

7 Assegna il nome a ciascuno dei seguenti modelli

.

della molecola di acqua.

a]

2 Solido, liquido e aeriforme sono tre

della materia che si possono osservare.

3 Un campione di materia che si può osservare a occhio

nudo è un campione

.

4 Normalmente i chimici restringono la loro osserva-

zione a un porzione delimitata di materia.

5 Gli

spazio disponibile.

occupano tutto lo

a.

b.

8 Classifica ognuno dei seguenti campioni

Collega ogni termine con la corretta definizione.

6

b]

, cioè a una

di materia come macroscopico, microscopico o particellare. b] a. una foglia

a stato solido

1 occupa tutto lo spazio del

b. una molecola di azoto

recipiente che lo contiene

c. un globulo rosso del sangue

b stato liquido

2 ha un volume e una forma

d. un atomo di alluminio

c stato aeriforme

3 è formato da particelle che

e. una formica

definiti

scorrono le une sulle altre

a]

Come si chiamano i protagonisti delle reazioni chimiche?

Come si chiamano i protagonisti delle reazioni chimiche? domanda guida su 2 righe

chimica&società A R E A Il grande freddo COMPE Un gas non convenzionale TENZE

A R E A chimica&società COMPE Il grande freddo TENZE Un gas non convenzionale

A R E A

A R E A chimica verde COMPE La fotosintesi in provetta TENZE

chimica verde COMPE La fotosintesi in provetta

TENZE

A R E A

storie COMPE Il Congresso di Vienna

TENZE

chemlab A R E A Separare l’azzurro COMPE dal bianco TENZE

BIO/geo

La nebulosa di Andromeda

A R E A storie COMPE Il Congresso di Vienna TENZE

A R E A chemlab COMPE Separare l’azzurro TENZE dal bianco

La nebulosa di Andromeda

BIO/geo

23

24

unità 2 Materia, trasformazioni ed energia

chimica&società

Aria alle polveri Una questione tutt’altro che sottile

Invisibili, leggere, difficili da contenere: le polveri sottili sono un problema (molto italiano) che stenta a trovare una soluzione efficace concentrazioni (espresse normalmente in microgrammi per metro cubo, µg/ m3) delle particelle inalabili (PM10), di quelle respirabili (PM2,5) e degli aerosol (PM1,0 ÷ PM0,1).

Sono particolati di origine naturale per esempio i pollini, le ceneri dovute alle eruzioni vulcaniche oppure le minuscole gocce d’acqua sospese in atmosfera. Sono invece particolati di origine antropica, ossia conseguenza delle attività umane le polveri che provengono dagli impianti frenanti o dai residui della combustione dei carburanti, nonché quelle provenienti dagli inceneritori, dall’usura degli edifici e dell’asfalto. Industria e trasporti incidono in maniera significativa sulla quantità di particolato presente nella bassa atmosfera: le sole industrie siderurgiche e petrolchimiche rilasciano il 28,8% del PM10 che rintracciamo in atmosfera, mentre i trasporti su strada contribuiscono per il 34,7% (dati del 2010).

Ogni giorno, decine di città italiane sono “fuorilegge”, ossia nella loro aria si riscontrano concentrazioni di polveri sottili superiori ai limiti consentiti.

La qualità dell’aria dei centri urbani italiani è fra le peggiori d’Europa: secondo i dati 2010 ben 17 delle 30 città europee più inquinate appartengono al nostro territorio. I cittadini torinesi, ad esempio, hanno respirato un’aria pesantemente inquinata un giorno ogni tre: Torino ha superato i limiti giornalieri per le polveri sottili ben 134 volte in un solo anno, Asti 98, Lucca 97.

Dati che si dimostrano allarmanti, se consideriamo che anche esposizioni di breve durata a elevate concentrazioni di polveri sottili possono causare gravi danni alla salute.

Nell’aria delle nostre città

Quando pensiamo all’aria che respiriamo, è piuttosto comune immaginarla come una miscela di gas.

In realtà, in sospensione, possiamo trovare diversi tipi di particelle, generalmente invisibili a occhio nudo.

Il modo più comune per esprimere la concentrazione delle particelle sospese fa uso dell’acronimo PM (Particulate Matter), che corrisponde alla quantità di materia rintracciabile in un determinato volume di aria, accompagnato da un numero al pedice, che invece rappresenta il limite superiore del diametro delle particelle che stiamo considerando.

Possiamo così distinguere fra

Entro i limiti, per la salute

La scarsa qualità dell’aria è un problema sanitario prima ancora che ambientale. Le barriere naturali di cui disponiamo riescono a proteggere bronchi e polmoni solo dalle particelle più grossolane: quelle più fini possono penetrare a fondo all’interno dell’albero respiratorio. L’elevato rapporto fra la superficie di queste particelle e la loro massa permette che queste, una volta all’interno del nostro organismo, promuovano e accelerino reazioni chimiche potenzialmente dannose

per la salute. La pericolosità del PM10 viene amplificata dalla sua capacità di assorbire sostanze gassose come gli IPA (idrocarburi policiclici aromatici) e i metalli pesanti, alcuni dei quali sono riconosciuti come potenti agenti

25

area Competenze

Ricerca e rispondi L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha stabilito una serie di valori limite di riferimento per i diversi tipi di particolato atmosferico e segue costantemente i progressi della ricerca su questo argomento. Cerca di capire, visitando il portale dell’OMS quali sono le evidenze scientifiche più recenti in materia di PM. Per farlo, è sufficiente che tu visiti il sito http://euro. who.int e effettui una ricerca per il termine “PM”.

cancerogeni. La Commissione Europea è incaricata di far rispettare la Direttiva Europea sulla qualità dell’aria, per imporre ai paesi membri il rispetto di limiti di concentrazione stabiliti per legge e periodicamente revisionati dall’European Center for Environment and Health. Attualmente tali limiti sono fissati, per quanto riguarda i PM10, a valori di riferimento per il breve e lungo termine rispettivamente di 20 µg/m3 e di 50 µg/m3. I paesi non in regola ( fra i quali l’Italia) possono essere deferiti e sanzionati economicamente. A livello nazionale, i Comuni italiani sono perciò chiamati a prevedere piani anti-smog, con restrizioni alla circolazione e eventualmente attenuazione dell’uso degli impianti di riscaldamento, da applicare prontamente (anche se spesso con scarso successo) in caso di superamento dei limiti.

Una questione di diametro

Ma perché le particelle molto piccole, anziché sedimentare e depositarsi al suolo, restano sospese nell’aria? La precipitazione di una particella solida immersa in un fluido (nel nostro caso un gas, l’aria) è regolata dalla Legge di Stokes, secondo la quale la velocità di sedimentazione dipende da vari parametri, fra i quali la densità delle particelle stesse, quella dell’aria e il raggio delle particelle (considerandole idealmente sferiche). Poiché la velocità di sedimentazione aumenta con il quadrato del raggio, le particelle più fini possono restare sospese in aria per un tempo indefinito. Dopo molte giornate senza precipitazioni, il livello dei PM10 è solitamente più alto: la pioggia, infatti, ha la capacità di “lavare” l’aria in prossimità del suolo, poiché le polveri vengono assorbite sulla superficie delle gocce d’acqua.

Un problema nel problema

Al problema dei particolati sottili dispersi nell’aria si lega il problema del trattamento dei rifiuti, che in molti paesi avviene attraverso la combustione, i cui residui vengono poi avviati alle discariche. Oltre a ridurre la massa e il volume del rifiuto, la pratica dell’incenerimento offre la possibilità di ricavare energia da materiali che viceversa sarebbero semplicemente di scarto. Parte del calore liberato può infatti essere sfruttato per ottenere acqua calda o vapore, utilizzato come tale o destinato alla produzione di energia elettrica. Tuttavia, la combustione produce gas nocivi e polveri non facilmente contenibili, che tendono perciò a liberarsi nell’atmosfera.

Le nanopolveri, in particolare, non possono essere trattenute dai filtri e attualmente, nonostante gli esperti abbiano forti sospetti sulla loro pericolosità, la legislazione non ne regola le emissioni, per mancanza di studi epidemiologici definitivi. Dubbi esistono anche a riguardo dell’effettiva economicità dell’incenerimento: oltre ai costi di costruzione, di realizzazione di discariche speciali, di gestione e manutenzione, va infatti considerato il grande investimento comunque necessario per la neutralizzazione dei fumi e degli inquinanti. E distruggere plastica, carta e legno ne preclude il riciclo.

Quale soluzione?

Domeniche ecologiche, sospensione del traffico, limitazione nell’uso dei combustibili: le risposte al problema dell’inquinamento da polveri sottili per ora assomigliano più a soluzioni tampone che a vere e proprie azioni risolutive. Ma il problema dell’inquinamento da polveri sottili ha il carattere dell’urgenza, dato che le indagini più recenti, soltanto nelle 15 aree urbane più popolose del nostro paese, registrano circa 6000 decessi ogni anno per patologie legate all’esposizione ai particolati sottili.

L’unica strada praticabile è quella dell’azione sulle fonti, ossia la profonda ristrutturazione a medio e lungo termine del sistema dei trasporti, con il potenziamento del servizio pubblico e la progressiva diminuzione del traffico privato. Una risposta che può essere efficace solo se i cittadini saranno capaci di adottare comportamenti virtuosi, sostituire i mezzi più vecchi, scegliere – quando possibile – di usare la bicicletta o andare a piedi, mantenere i riscaldamenti domestici a un regime adeguato e, più in generale, risparmiare energia.

Non è sempre possibile, o economicamente sostenibile, bloccare completamente le particelle disperse nei fumi emessi dagli impianti di incenerimento. quali benefici e quali rischi porta con sé un impianto di incenerimento?

32

unitĂ 2 Materia, trasformazioni ed energia

chemzone

Keywords, glossary and explanations Physical System Any limited portion of matter on

which observation is made.

Homogeneous System The matter has uniform

properties throughout a system. A glass of water is a homogeneous system.

Heterogeneous System Parts of system are

composed of different substances and the properties of system are not uniform throughout the system.

Phase Homogeneous part of a system, separated

from the rest of the system by a boundary. Ice cubes in a glass of water make a heterogeneous system composed of two phases.

Mixture Any mixture is a system composed of

more than one substance. The amount of each substance can vary. When the components of a mixture can’t be distinguished, a mixture is homogeneous, such as sea water. When the components can be distinguished, a mixture is heterogeneous, such as milk, and contains at least two phases.

Separation of mixtures into components Mixtures can be separated into their constituents by applying physical methods only. The nature of all substances does not change during separation.

The method of choice will depend on the nature of mixture: number of phases and their physical state.

A Separating homogeneous mixtures These mixtures are composed of one phase only – they are homogeneous. Distillation is used to separate a solvent from a solution, for instance water from sea water. Fractional distillation can be used to separate two or more liquids, such as alcohol and water.

Crystallisation or evaporation is used to separate a soluble solid from its solution, for instance salt from water. Another useful method is chromatography, used to separate different substances from a common solvent.

Solution Any homogeneous mixture which can be in gas, liquid or solid state. Any solution is composed of a solvent and at least one solute.

In a glass of sea water, salt is a solute. Being homogeneous mixtures, solutions are composed of one phase only.

Pure substance Any single component of a

mixture, either homogeneous or heterogeneous, is a pure substance. Separation of a mixture in pure substances is carried out by physical means.

Element A substance containing only one kind of atoms. Can not be decomposed into a simpler substance.

Compound A pure substance that can be

decomposed by chemical means into simpler compounds or elements. Compounds contain two or more different types of atoms held together by chemical bonds.

B Separating heterogeneous mixtures Common methods of separation are based on different density of two phases of a heterogeneous mixture.

Sedimentation is used to separate heterogeneous mixtures composed of one solid and one liquid or gas phase. When the difference of density is slight, centrifugation can be used instead of gravity.

A mixture consisting of two liquid phases such as oil and water, can be separated by using separatory funnel.

Another useful method is filtering. This method needs a porous medium, such as filter paper. The size of pores is smaller than the size of the solid phase particles. Liquid homogeneous phase passes through the filtering medium.

33

chemzone mp3  live lecture

area Competenze

Exercises 4 Complete the diagram.

1 State an example for each of the following:

a System consisting of one phase only

System

b System consisting of one liquid and one solid phase a

c A homogeneous liquid mixture

one phase only

b

one phase only

d A heterogeneous mixture of two solids e A pure substance

c

one component

d

two or more components

e

two or more components

2 Examine the boxes below and connect them with

correct definitions:

5 Help Francesco separate a mixture into its components.

a First he has to separate the mixture of sea water and sand.

In order to separate sea water from sand he will carry out a . b Since there were still some fine solids left in the water, he used . a

b

c Then he will take the water and separate water from salt by .

6 Describe how you would separate the following mixtures:

a Sand from salt c

b Sugar and sand

d

c Water from sugar d Alcohol from water

a Mixture of elements b Pure element

Improve your explanation with some diagrams.

c Mixture of element and compound d Mixture of compounds

3 Give correct definition for each of the following:

a Air is

.

b Sea water is

.

c Kitchen salt is

.

d Milk is e Fog is f Gold is

. . .

g Fruit juice is h Smoke is

. .

. . . .

34

unità 1 La misura delle grandezze

Mettiti alla prova

Che cosa sono le misure?

Grandezze fisiche e unità di misura

14 Sono tutte grandezze fondamentali: a massa, volume, temperatura.

Scrivi una risposta breve e sintetica.

b densità, volume, massa.

1 Che cosa significa misurare una grandezza?

c temperatura, massa, lunghezza.

2 Quali sono le unità di misura della massa, della lunghezza e del volume nel SI? Quali sono i loro multipli e sottomultipli più usati?

d volume, temperatura, densità.

3 Scrivi un breve testo per spiegare qual è la relazione tra i seguenti termini. a. unità di misura, SI, unità fondamentali, unità derivate b. massa, peso, kilogrammo, grammo

15 Una grandezza estensiva è: a un oggetto di grandi dimensioni. b una proprietà relativa a un oggetto esteso. c una proprietà che dipende dalla sostanza di cui è fatto l’oggetto. d una proprietà che dipende dalla quantità di materia che costituisce il corpo.

Spiega la differenza tra i termini di ogni gruppo.

16 Quale delle seguenti affermazioni non è corretta?

4 massa | peso

a Le distanze si misurano in metri.

5 metro | kilometro | centimetro | micron

b La lunghezza è una grandezza fondamentale del SI.

6 Per ogni affermazione indica se è vera (V) o falsa (F).

d 1 angstrom corrisponde a 10–15 m.

c Le dimensioni degli atomi si misurano in angstrom. a. La lunghezza è una grandezza fondamentale del SI.

V f

b. L’unità di misura della massa nel SI è il grammo.

V f

c. La massa di un oggetto non dipende dalla posizione che l’oggetto occupa.

V f

Calcola.

11 Scrivi le seguenti misure usando i prefissi opportuni. a. 3 ∙ 10 –9 s

9 ns

b. 5 ∙ 10 –1 m d. 2 ∙ 10 –12 farad

B

lunghezza fondamentale

superficie

d Una forza per unità di area.

18 La forza di attrazione gravitazionale sulla Luna è 1/6 di quella sulla Terra. Quale massa avrà sulla Luna un oggetto che sulla Terra ha una massa di 12 kg? a 2 kg

c 12 kg

b 72 kg

d 6 kg

b 0,08 g c 0,008 g d 0,0008 g 20 Quale grandezza misura la bilancia? a Il peso. b Il peso specifico.

tempo volume

c Una misura della quantità di materia.

a 0,00008 g

12 Collega con una freccia ogni grandezza nella colonna A con la corrispondente caratteristica nella colonna B.

densità

a Una misura della distanza di un corpo dalla Terra. b Una misura della forza di attrazione gravitazionale.

19 Un granello di sabbia ha una massa di 0,8 mg. La sua massa espressa in grammi vale:

c. 2 ∙ 10 watt 6

A

17 Quale delle seguenti è la migliore definizione di massa?

derivata

temperatura

Barra con una crocetta il completamento o la risposta corretti.

13 L’unità di misura di una grandezza è: a un oggetto dello stesso tipo della grandezza da misurare.

c La massa. d La massa specifica.

21 32,7 equivalgono a: a 0,0327 km | 3270 cm | 32 700 mm b 3270 km | 32 700 cm | 0,0327 mm c 32700 km | 0,0327 cm | 3270 mm d 32700 km | 0,327 cm | 0,0327 mm

b una grandezza dello stesso tipo.

Rispondi.

c un numero.

22 La lunghezza d’onda della luce blu è di circa 0,000000600 m. Quale sottomultiplo del metro conviene utilizzare per esprimere questa lunghezza?

E come si esprimerebbe questo valore con quel sottomultiplo?

d un numero che ha valore 1.

35

usa il linguaggio scientifico, rivedi e applica i concetti chiave, rielabora e collega i concetti, analizza e interpreta 23 Quanto sei alto/a? Esprimi la tua statura in metri, decimetri, centimetri e millimetri. Quale delle quattro unità di misura ti sembra più adatta per esprimere la statura delle persone, senza utilizzare numeri con la virgola?

23 Quanto pesi? Esprimi il tuo peso in milligrammi, grammi e kilogrammi. Quale delle tre unità di misura ti sembra più adatta per esprimere il peso delle persone? Perché?

24 Una lattina di bibita ha una capacità di 33 cl. Esprimi la capacità della lattina in litri, millilitri e centimetri cubi.

La temperatura

area Competenze 33 L’acetone bolle a 56 °C, che corrisponde a: a –329 K

c 217 K

b –217 K

d 329 K

34 La temperatura di fusione del ferro è 1535 °C, che corrisponde a: a 821 °F

c 2795 °F

b 2731°F

d 885 °F

Risolvi i seguenti problemi.

35 La normale temperatura corporea è di 37 °C. Quanto vale questa temperatura espressa in gradi Fahrenheit?

36 Sei a Londra e la giornata è fredda e piovosa; sui termometri, per strada, leggi 37,4 °F. A quale temperatura corrisponde, in Italia?

Scrivi una risposta breve e sintetica.

25 Nelle scale Celsius e Fahrenheit, quali valori vengono assegnati alla temperatura di congelamento e a quella di ebollizione dell’acqua? E nella scala Kelvin?

26 Qual è l’equazione che consente di passare dai gradi Celsius ai kelvin e viceversa?

37 I condizionatori d’aria comportano un grande consumo di energia elettrica. Per evitare sprechi eccessivi è consigliabile non impostare gli apparecchi a temperature minori di 78 °F. A quanti gradi Celsius corrisponde questa temperatura?

27 Qual è l’equazione che consente di passare dai gradi Celsius ai gradi Fahrenheit e viceversa?

38 La temperatura di fusione di un solido è 49,0 °C. Quanto vale questa temperatura in kelvin?

Spiega la differenza tra i seguenti termini.

Grandezze derivate: la densità e la pressione

28 gradi Celsius | gradi Fahrenheit | kelvin

Scrivi una risposta breve e sintetica.

29 Per ogni affermazione indica se è vera (V) o falsa (F). a. La scala Celsius è suddivisa in 180 gradi (variazione unitaria di tempertura).

V f

b. Lo zero della scala Kelvin coincide con lo zero della scala Celsius.

V f

Calcola.

30 Converti le seguenti temperature espresse in kelvin in gradi Celsius. a. 240 K b. 125 K

39 Che cos’è la densità di una sostanza? Da che cosa dipende?

40 Per ogni affermazione indica se è vera (V) o falsa (F). a. Quando la massa di una sostanza raddoppia, il suo volume diventa la metà.

V f b. g/ml è l’unità di misura della densità nel SI.

V f

c. L’acqua (densità, 1,00 g/ml) galleggia sull’esano (densità, 0,95 g/ml).

V f

d. La massa di 10,0 ml di acqua vale approssimativamente 10,0 kg.

V f

c. 312 K

Calcola.

d. 2 K

41 Determina la densità di ciascuno dei seguenti oggetti, ed esprimila in g/ml.

31 Converti le seguenti temperature espresse in gradi Celsius nell’unità del SI. a. 240 °C

......................

b. –125 °C

......................

c. 45 °C

......................

d. 0 °C

......................

Barra con una crocetta il completamento corretto.

32 Il kelvin e il grado Celsius: a hanno la stessa ampiezza. b misurano la stessa temperatura. c hanno la stessa definizione. d sono l’uno il doppio dell’altro.

a. Un campione di liquido di 20,0 ml di volume e massa di 24,0 g. b. Un panetto di burro di 125 g con un volume di 144 ml. c. Una pietra preziosa di massa 45,0 g che, immersa in un cilindro graduato riempito con 20,0 ml di acqua, ne fa aumentare il livello fino a 34,5 ml. d. Un solido di volume pari a 114 cm3 e massa di 485,6 g.

42 Utilizza la Tabella 2.4 per rispondere alle seguenti domande. a. Quanti grammi di mercurio sono presenti in un barometro che ne contiene 6,5 ml? b. Qual è la massa in grammi di un cubo di rame con un volume di 74,1 cm3?

42

unità 1 La misura delle grandezze

chemlab

Una misura a prova di roccia obiettivo misurare la densità di una roccia con due differenti metodi

materiale occorrente ■ cilindro graduato da 100 ml ■ picnometro ■ bilancia analitica ■ piccolo frammento di roccia ■ acqua distillata

Un termometro... casalingo obiettivo costruzione di un termometro ad alcol

procedimento A Misurazione per spostamento di un volume d’acqua 1. Misura con la bilancia il peso del frammento

roccioso.

2. Riempi con acqua fino a 30 ml un cilindro graduato da 100 ml.

3. Immergi il frammento di roccia nel cilindro; annota il nuovo livello dell’acqua.

4. Sottrai il volume iniziale da quello finale e converti il volume in cm3 (ricorda! 1 ml = 1 cm3); ottieni così il volume del frammento di roccia.

5. Dividi il peso del campione per il suo volume; ottieni così la densità della roccia in g/cm3.

B Misurazione con il picnometro 1. Osserva il picnometro: si tratta di uno strumento

a forma di boccetta chiuso da un tappo dotato di capillare e un riferimento per definire il livello di liquido costante.

2. Misura il peso del picnometro pieno di acqua distillata fino al riferimento (p1).

3. Misura il peso del picnometro pieno come al punto 3 con accanto il frammento roccioso (p2).

4. Introduci il frammento nel picnometro vuoto e poi riempi con acqua fino al riferimento.

Pesa il tutto (p3).

5. Calcola la densità della roccia usando la formula: p2 – p1 p2 – p3 analisi e conclusioni a. I valori che hai ottenuto con i due procedimenti

sono diversi? b. Secondo te quale procedimento consente di ottenere il risultato più preciso? Motiva la risposta con l’aiuto dell’insegnante. [suggerimento rifletti sulle possibili cause di errore nei due procedimenti.]

chemLAB pdf schede di lavoro

materiale occorrente ■ bicchiere con coperchio forato e cannuccia del tipo usato per le bevande (meglio se trasparente) ■ etanolo (più noto come alcol etilico) ■ recipiente (1) con acqua a temperatura ambiente ■ recipiente (2) con acqua calda

procedimento 1. Riempi il bicchiere con etanolo in modo che il

livello del liquido si trovi nel tubicino della cannuccia appena al di sopra del coperchio.

2. Immergi il bicchiere prima nel recipiente (1) e poi nel recipiente (2); osserva la variazione del livello dell’alcol. analisi e conclusioni a. Il termometro così costruito può dare solo

indicazioni qualitative e non quantitative. Perché? b. La qualità del termometro migliora diminuendo il diametro della cannuccia (non a caso nei termometri il mercurio è inserito all’interno di un capillare).

Prova a spiegare perché.

Galleggia in acqua, affonda in alcol obiettivo effettuare una stima grossolana della densità del ghiaccio

materiale occorrente ■ 100 ml di etanolo (alcol etilico) ■ 100 ml di acqua distillata ■ 2 becher da 250 ml ■ 2 cubetti di ghiaccio

procedimento 1. Versa nel primo becher 100 ml di acqua.

2. Versa nel secondo becher 100 ml di etanolo.

3. Aggiungi contemporaneamente due cubetti di

ghiaccio (uno per ogni becher).

4. Osserva che nel bicchiere contenente acqua il cubetto galleggia, mentre in quello contenente etanolo il cubetto affonda. analisi e conclusioni

Dal comportamento del cubetto di ghiaccio si deduce che la sua densità ha un valore intermedio tra i valori di densità dell’acqua distillata (1,0 g/cm3) e quello dell’etanolo (0,8 g/cm3), entrambi approssimati alla prima cifra decimale. Come esprimeresti il valore numerico della densità del cubetto a partire dalle densità dell’acqua e dell’etanolo tenendo conto dell’errore commesso?

scienze in connessione

Le miscele in natura: composizione e problemi ambientali

Le analisi colorimetriche sono in grado di rilevare la quantità di inquinanti presenti in un campione, valutando il cambiamento di colore di reagenti specifici.

inquinamento depurazione effetto serra bonifica

CO� particolato

acque potabili aria smog buco nell’ozono miscele campionamento contaminazione tossicità metalli pesanti terreno analisi NOx

eutrofizzazione

piogge acide

CFC

granulometrica

44

scienze in connessione Le miscele in natura: composizione e problemi ambientali

Miscele solide: le rocce e il terreno A Chamarel, sull’isola vulcanica di Mauritius, il rapido raffreddamento della lava ha colorato il terreno con colori diversi a seconda del grado di ossidazione dei metalli in esso contenuti.

1 La chimica delle rocce

Gli elementi più abbondanti della crosta terrestre, dopo l’ossigeno, sono il silicio, l’alluminio e il ferro. Per convenzione, la loro percentuale in massa è espressa tramite i corrispondenti ossidi: il diossido di silicio (SiO2), detto comunemente anche silice o anidride silicica è il più abbondante, con il 59,4%; segue il triossido di alluminio (Al2O3), o allumina, con il 15,3% e infine il triossido ferrico (Fe2O3), il principale componente della ruggine, con una percentuale del 3,1%.

I nomi IUPAC corrispondenti alle formule SiO2, Al2O3 e Fe2O3 sono, nell’ordine, diossido di silicio, triossido di dialluminio e triossido di diferro. Tra gli elementi presenti nelle rocce troviamo anche sodio, potassio, calcio, magnesio, fosforo e altri; anche di questi sono fornite le percentuali dei relativi ossidi (Na2O, K2O, CaO, MgO, P2O5).

Rocce acide, basiche e neutre Nell’Unità 5 abbiamo classificato gli ossidi come acidi e basici. In pedologia, la scienza che studia la composizione del suolo e le sue trasformazioni in relazione a fattori biotici e abiotici, un ossido acido, la silice, funge da riferimento per classificare le rocce come acide, basiche e neutre: sono considerate acide le rocce con oltre il 65% di silice, neutre quelle il cui contenuto in silice è compreso tra il 52% e il 65%, basiche quelle il cui contenuto è inferiore al 52%. Le rocce basiche sono dette anche “mafiche” o “ultramafiche” per l’alto contenuto in magnesio e ferro. La ricchezza in silice rende le rocce acide particolarmente stabili, mentre le rocce basiche presentano una reattività più elevata, specialmente nei confronti dell’ossigeno atmosferico.

Tra le rocce acide, solitamente di colore chiaro, troviamo la pomice e il granito; le rocce basiche, invece, che comprendono i basalti, sono per la maggior parte scure. Le rocce neutre come l’andesite e la trachite hanno una colorazione intermedia.

45 Miscele solide: le rocce e il terreno

area Competenze

2 Questione di granulometria

10

100

0

Nell’Unità 3 abbiamo visto che il terreno è un sistema complesso derivante dall’alterazione delle rocce provocata da agenti chimici, fisici e biologici. Abbiamo anche definito il terreno come un sistema eterogeneo, composto di solidi, liquidi e gas. Le interazioni chimico-fisiche tra questi componenti sono fortemente influenzate da una particolare caratteristica del terreno chiamata tessitura. Con questo termine si indica la composizione granulometrica del terreno, cioè le percentuali delle particelle solide presenti distinte in classi granulometriche secondo le loro dimensioni. Per valutare la composizione granulometrica di un terreno si opera una semplificazione: si suppone, infatti, che tutte le particelle siano di forma sferica; in questo modo è sufficiente il diametro per indicarne le dimensioni. Esistono diversi sistemi di classificazione: in genere, alle principali classi granulometriche della terra a grana fine (esclusi, cioè, i ciottoli e la ghiaia grossolana) si attribuiscono i nomi comuni di sabbia, limo e argilla, in ordine decrescente di dimensioni del diametro d (rispettivamente: 0,05 mm < d < 2,00 mm; 0,02 mm < d < 0,05 mm; d < 0,02 mm).

Per classificare un terreno si può utilizzare un diagramma di classificazione costituito da un triangolo equilatero. Ogni vertice corrisponde al 100% di una delle tre frazioni (sabbia, limo o argilla); i punti che ricadono sui lati indicano l’assenza di una delle frazioni, quella che presenta il 100% sul vertice opposto.

Il punto A della Figura 1, per esempio, corrisponde a un terreno così composto: 25% di limo, 45% di sabbia, 30% di argilla; la classe granulometrica di questo terreno è definita, secondo le convenzioni di questo schema, come argilloso sabbiosa.

Determinare la classe granulometrica del terreno è importante per valutare la sua capacità di supportare la vita delle piante e, più in generale, la portata dei fattori chimico-fisici che agiscono su di esso, compresi gli effetti dell’inquinamento. Per esempio, le reazioni chimiche sono generalmente favorite nei terreni a granulometria fine, poiché è maggiore la superficie di contatto con l’aria e i fluidi eventualmente presenti.

Molte analisi chimiche sui terreni e sulle polveri devono essere condotte in seguito a macinazione, per ottenere campioni il più possibile omogenei; in questo modo si hanno maggiori informazioni sulla composizione della miscela solida e sull’eventuale presenza di inquinanti.

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Sandy clay loam

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Figura 1 Diagramma triangolare per la determinazione della tessitura di un terreno I suoli franchi, in generale, sono i più adatti per la crescita delle piante.

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scienze in connessione Le miscele in natura: composizione e problemi ambientali

3 Terre inquinate

L’inquinamento del terreno è potenzialmente più nocivo rispetto a quello dell’aria o dell’acqua, perché particolarmente persistente. Il terreno, infatti, è il ricettacolo di moltissime sostanze, tra cui quelle tossiche, che non sempre possono essere neutralizzate in modo naturale: tali sostanze sono facilmente trasferite alle piante, entrando così nella catena alimentare.

Tra gli inquinanti del terreno più comuni troviamo i pesticidi e i metalli pesanti; questi ultimi sono particolarmente dannosi. Mentre, infatti, molti inquinanti solubili sono rimossi tramite il dilavamento, e quelli assimilabili dai microrganismi sono sottoposti a biodegradazione, contro i metalli pesanti non sono efficaci né l’uno né l’altra.

I metalli Figura 2 Bioaccumulo nella catena alimentare dell’ambiente acquatico Mano a mano che si procede verso il vertice della piramide alimentare, aumenta la concentrazione delle sostanze dannose che si accumulano nei tessuti degli organismi.

Abbiamo visto che la crosta terrestre (e il terreno che ne deriva) sono costituiti in prevalenza di elementi leggeri, con un numero atomico, cioè, non superiore a 20 (a eccezione del ferro, il cui numero atomico è 26) e massa atomica fino a 40 u circa. Elementi più pesanti sono generalmente presenti in concentrazioni molto basse, dell’ordine di poche parti per milione (ppm). Quando tali valori di concentrazione aumentano per cause di varia natura e raggiungono livelli piuttosto elevati, elementi essenziali per la vita come il cobalto o il nichel diventano tossici.

La IUPAC non ha fornito una definizione di metallo pesante: generalmente, i metalli indicati come “pesanti”, potenzialmente tossici e bioaccumulabili nella catena alimentare sono mercurio, cromo, cadmio, piombo e uranio (Figura 2). Anche il nichel e lo zinco costituiscono spesso degli inquinanti nel terreno.

Particolarmente nocivo è l’arsenico, che però non è un metallo, bensì un semimetallo.

I metalli pesanti hanno una scarsissima mobilità nel terreno; da un lato, questo è un vantaggio, perché ostacola il diffondersi dell’inquinamento, dall’altro rende difficile l’evolversi della situazione. Per bonificare il terreno contaminato si usano sistemi assorbenti come le torbe e le zeoliti, oppure si ricorre all’aggiunta di sostanze come calcare o gesso per impedire l’azione tossica dei metalli sulla vegetazione. Molto promettenti sono le tecniche di “bonifica verde” o fitobonifica, che consistono nel far crescere sui terreni inquinati piante che non solo hanno sviluppato una notevole resistenza agli effetti nocivi dei metalli pesanti, ma sono anche in grado di assorbirli in quantità massicce, fungendo da iperaccumulatori (Figura 3). Vi sono piante, per esempio, in grado di accumulare fino a 23 600 ppm di zinco, 1100 ppm di cadmio o 6100 ppm di rame.

Figura 3 La senape indiana (Brassica juncea) Come molte altre piante della famiglia Brassicaceae, ha una buona capacità di assorbire metalli pesanti.

Essendo anche una pianta di interesse agronomico, è in fase di studio la possibilità di impiegarla per bonificare i siti inquinati.

4 Il campionamento del terreno

I terreni sono miscele eterogenee, in cui le proprietà (come la composizione chimica) variano da punto a punto. Data l’impossibilità di analizzare tutto il materiale a disposizione, si esegue l’analisi su un campione rappresentativo della composizione del terreno circostante (Figura 4). Bisogna quindi predisporre un “piano di campionamento”, cioè progettare determinate modalità di prelievo del campione su cui il tecnico incaricato dovrà eseguire l’analisi. Affinché i risultati siano affidabili, è importante tener conto di vari fattori: ■■ lo stato fisico del terreno (solido compatto, granulare, pulverulento, pastoso ecc.); ■■ la zona di prelievo (secca, umida, con o senza vegetazione ecc.); ■■ la quantità di materiale da campionare; ■■ il tipo di analisi da eseguire.

47 Miscele solide: le rocce e il terreno

area Competenze

Figura 4 La raccolta di un campione di terreno

Le norme internazionali indicano specifiche procedure di campionamento per minimizzare i fattori che possono portare a prelevare campioni non rappresentativi. Una di queste procedure prevede di ricavare da un campione primario un “sottocampione” con il metodo della quartatura: il campione è fatto cadere dall’alto su un piano liscio e pulito, in modo da formare un cumulo conico, poi appiattito in uno strato sottile. Servendosi di una spatola, si divide lo strato in quattro parti (aliquote) e si prelevano e si mescolano le parti opposte, scartando le altre due. Si ripete quindi la procedura con questo materiale e si sottopone all’analisi il sottocampione così ottenuto.

e ora rispondi 1 Quali sono gli elementi più diffusi nella crosta

terrestre? Perché la loro quantità si esprime come percentuale di ossido?

2 Spiega perché è importante individuare la classe

granulometrica di un terreno.

3 L’inquinamento del suolo è particolarmente nocivo

per varie ragioni: elencane alcune.

Applica i concetti 4 Immagina di dover effettuare un piano di campio-

namento del terreno di un giardino. Compila un documento contenente la descrizione della zona da campionare, l’elenco dei fattori critici e le modalità del prelievo.

Ricerca e condividi Le bonifiche dei siti contaminati restituiscono valore al territorio, rendendo disponibili aree per nuove iniziative industriali, commerciali e culturali. La bonifica può essere considerata, quindi, uno dei volani della ripresa economica.

Effettua una ricerca sui siti italiani inquinati da attività storiche, individuando le bonifiche in corso ed eventuali progetti realizzati o da realizzare (un esempio di riconversione riuscita è la Città della Scienza di Bagnoli).