Concetti Fondamentali di Chimica: Materia, Stati Fisici e Soluzioni

Concetti Fondamentali di Chimica e Fisica

Definizioni di Base

Chimica

È la scienza che studia i fenomeni chimici e la struttura interna della materia.

Fisica

È la scienza che studia i fenomeni fisici.

Fenomeni Fisici e Chimici

I fenomeni fisici modificano alcune proprietà delle sostanze senza trasformarle in nuove. I fenomeni chimici, invece, producono nuove sostanze e ne fanno scomparire altre.

La Materia e le Sue Proprietà

Definizione di Materia

Possiamo definire la materia come tutto ciò che ha una massa e occupa un volume.

Massa e Volume

La massa è la quantità di materia che possiede un corpo. La sua unità di misura nel Sistema Internazionale (SI) è il chilogrammo (kg).

Il volume è la porzione di spazio occupata da un corpo. La sua unità di misura nel SI è il metro cubo (m³).

Proprietà Generali e Specifiche della Materia

Le proprietà generali sono quelle comuni a tutti i corpi e quindi non servono a caratterizzarli. Esempi: massa, volume.

Le proprietà specifiche (o caratteristiche) sono quelle utilizzate per determinare o identificare una sostanza. Esempi: densità, punto di fusione.

Densità

Si definisce densità (d) la quantità di massa corrispondente all'unità di volume:

d =

L'unità di misura nel SI è il kg/m³. Altre unità di misura comuni sono g/cm³ e kg/l.

La densità è una proprietà specifica di ogni sostanza. Esistono tabelle che riportano la densità delle diverse sostanze.

Stati di Aggregazione e Cambiamenti di Stato

I Tre Stati della Materia

Osservando il mondo che ci circonda, possiamo notare che la materia si presenta in tre diversi stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso.

Cambiamenti di Stato

Cambiamenti di Stato Progressivi (che assorbono calore)

• Fusione: Il passaggio dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione è una proprietà caratteristica delle sostanze e può essere utilizzato per identificarle. La temperatura di fusione varia con la pressione; generalmente, abbassando la pressione, anche la temperatura di fusione diminuisce.
• Vaporizzazione: Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso. Può avvenire a qualsiasi temperatura sulla superficie libera del liquido (evaporazione). Tuttavia, aumentando la temperatura, si raggiunge un punto in cui la vaporizzazione avviene in tutta la massa del liquido, con la formazione di bolle di vapore che salgono in superficie. Questo processo è chiamato ebollizione, e la temperatura alla quale avviene è il punto di ebollizione. Anche questo varia con la pressione: diminuendo la pressione, diminuisce anche la temperatura di ebollizione.
• Sublimazione: La trasformazione diretta dallo stato solido a quello gassoso, senza passare per lo stato liquido. Come l'evaporazione, avviene a qualsiasi temperatura (è per questo che possiamo percepire l'odore dei solidi: piccole porzioni sublimano e raggiungono il nostro naso come vapore). Per la maggior parte delle sostanze, la sublimazione è significativa solo a pressioni molto basse.

Cambiamenti di Stato Regressivi (che cedono calore)

• Solidificazione: Il passaggio dallo stato liquido a quello solido. Avviene alla stessa temperatura della fusione e varia con la pressione.
• Condensazione: Il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido.
• Sublimazione inversa (o Brinamento): Il passaggio diretto dallo stato gassoso a quello solido, senza attraversare lo stato liquido.

Forme di Vaporizzazione: Evaporazione ed Ebollizione

Evaporazione: È il passaggio di una porzione superficiale di un liquido allo stato di vapore, che avviene a qualsiasi temperatura. L'evaporazione è tanto più rapida quanto maggiori sono la superficie di contatto con l'aria e la temperatura.

Ebollizione: Avviene quando a un liquido viene fornito calore sufficiente per raggiungere il suo punto di ebollizione. In questo caso, il passaggio allo stato di vapore avviene in tutta la massa del liquido e non solo in superficie.

Differenza tra Punto e Temperatura di Cambiamento di Stato

Il punto di cambiamento di stato di una sostanza è la temperatura specifica alla quale avviene il cambiamento di stato alla pressione di 1 atmosfera. È una proprietà caratteristica e costante per ogni sostanza pura.

La temperatura di cambiamento di stato è la temperatura generica alla quale una sostanza cambia stato. Questa può variare con la pressione e, pertanto, non è una proprietà caratteristica intrinseca della sostanza.

Ad esempio, l'acqua ha un punto di ebollizione di 100°C (a una pressione di 1 atmosfera), tuttavia la sua temperatura di ebollizione varia con la pressione. Può bollire, ad esempio, a una temperatura inferiore se ci troviamo in alta montagna, dove la pressione atmosferica è più bassa.

Teoria Cinetico-Molecolare

Perché, a temperatura ambiente e a 1 atm di pressione, l'acqua è liquida, il ferro è solido e l'ossigeno è gassoso? La risposta si trova nella struttura interna della materia.

Tutta la materia è costituita da particelle minuscole chiamate atomi, i quali si legano tra loro per formare molecole o ioni. Esistono sostanze composte da atomi (come i metalli), altre da molecole (come l'acqua o l'ossigeno) e altre ancora da ioni (come il sale comune).

Le forze di attrazione tra le particelle, chiamate forze di coesione, tengono unite le particelle che costituiscono una sostanza e ne determinano lo stato di aggregazione, conferendole le sue caratteristiche.

La teoria cinetico-molecolare, sviluppata da Clausius nel 1857, spiega il comportamento della materia nei suoi diversi stati e si basa sui seguenti punti:

Gas

• I gas sono costituiti da particelle molto piccole e distanti tra loro. Il volume delle singole particelle è trascurabile rispetto al volume totale occupato dal gas.
• Le particelle si muovono in linea retta e in modo casuale, collidendo tra loro e con le pareti del contenitore. La velocità del loro movimento dipende dalla temperatura del gas.
• Le forze di attrazione e repulsione tra le particelle sono trascurabili, consentendo loro una grande libertà di movimento.

Solidi

• I solidi sono composti da particelle tra le quali agiscono forze di attrazione molto intense. Per questo motivo, le particelle non possono muoversi liberamente, ma possono solo vibrare attorno alle loro posizioni fisse. Se forniamo energia a un solido, le particelle vibreranno con maggiore velocità.

Liquidi

• Nei liquidi, le forze di attrazione tra le particelle sono più deboli che nei solidi. Le particelle possono muoversi e scorrere le une sulle altre, ma non possono allontanarsi o avvicinarsi significativamente, mantenendo una distanza relativa quasi fissa.

Sostanze Pure, Miscele e Soluzioni

Differenze tra Sostanze Pure e Miscele

• Le sostanze pure hanno proprietà caratteristiche costanti, mentre le miscele no.
• Nelle sostanze pure, durante la fusione o l'ebollizione, la temperatura rimane costante. Nelle miscele, invece, varia.
• I componenti di una sostanza pura (composto) sono separabili solo tramite processi chimici. I componenti di una miscela sono separabili tramite processi fisici o meccanici.
• Le proporzioni dei componenti in una miscela non sono fisse. I composti (sostanze pure) sono formati da elementi in proporzioni fisse e definite.
• Le sostanze in una miscela conservano le loro proprietà individuali. Le sostanze che formano un composto perdono le loro proprietà originarie per acquisirne di nuove.

Metodi di Separazione delle Miscele

Le procedure più comuni per separare i componenti di una miscela sono:

• Centrifugazione: Separa solidi da liquidi (o liquidi immiscibili) sfruttando la differenza di densità.
• Filtrazione: Separa solidi da liquidi utilizzando un filtro che trattiene le particelle più grandi.
• Decantazione: Permette di separare un solido sedimentato da un liquido o due liquidi immiscibili con densità diversa tramite un imbuto separatore.
• Cromatografia: Separa i componenti di una miscela basandosi sulla loro diversa affinità per una fase stazionaria (un materiale solido) mentre vengono trasportati da una fase mobile (un solvente).
• Cristallizzazione: Utilizzata per separare un soluto solido da un solvente liquido, sfruttando la tendenza del soluto a formare cristalli quando la soluzione viene raffreddata o il solvente evaporato. Si usa anche per purificare un solido.
• Distillazione: Separa liquidi miscibili, o un solido disciolto in un liquido, basandosi sulla differenza tra i loro punti di ebollizione.

Le Soluzioni e la Loro Concentrazione

Classificazione delle Soluzioni in base alla Concentrazione

Una soluzione può essere:

• Diluita: Se la quantità di soluto è molto inferiore alla massima quantità che può essere disciolta.
• Concentrata: Se la quantità di soluto è considerevole rispetto alla massima quantità che può essere disciolta.
• Satura: Se è stata disciolta la massima quantità possibile di soluto a una data temperatura.

Calcolo della Concentrazione di una Soluzione

Alcuni modi per esprimere la concentrazione di una soluzione sono:

Concentrazione =

Altri metodi includono: molarità, molalità, normalità, ecc.