2. Sostanze e miscele

2 Sostanze e miscele I vari tipi di sostanze che costituiscono la materia si aggregano fisicamente mescolandosi tra loro e formano le miscele . Il terreno ( 9 ) è una miscela di sostanze minerali e organiche solide; le varie sostanze di cui è formato sono visibili a occhio nudo o con una lente d’ingrandimento: una miscela di questo tipo è detta miscela eterogenea o miscuglio. Esistono anche miscele omogenee, nelle quali le sostanze componenti non sono distinguibili le une dalle altre neppure usando un microscopio; l’aria per esempio è una miscela omogenea di gas come l’azoto, l’ossigeno, l’anidride carbonica e altri. Quali caratteristiche ha un miscuglio? Come si possono separare le sostanze che lo compongono?Osserva l’esperimento in cui si fa un miscuglio tra due sostanze che si possono facilmente trovare in una ferramenta e in un negozio di giardinaggio: il ferro, sotto forma di limatura, e lo zolfo. Le due sostanze hanno caratteristiche tipiche ben definite: il ferro ha colore grigio metallico e se avvicinato a una calamita ne viene attratto ( 10 ); lo zolfo ha un colore giallo intenso e se immerso in acqua galleggia ( 11 ). Se mescoli attentamente il ferro e lo zolfo vedrai formarsi un miscuglio che conserva i colori delle due sostanze, granuli grigi e granuli gialli; se avvicini la calamita al miscuglio, vedi che solo il ferro ne viene attratto ( 12 ), mentre se immergi il miscuglio in acqua ( 13 ) vedi che lo zolfo sale in superficie e il ferro affonda. In tutti e due i casi il ferro e lo zolfo si separano dal miscuglio molto facilmente. Un miscuglio possiede quindi le caratteristiche delle sostanze componenti; queste infatti, anche se mescolate, mantengono le loro caratteristiche, sono riconoscibili e si possono separare usando procedimenti fisici. I metodi di separazione delle sostanze di un miscuglio sfruttano le caratteristiche delle sostanze stesse. Miscela Insieme di due o più sostanze, ciascuna delle quali conserva la propria struttura chimica. Mixture Combination of two or more substances. Each substance maintains its chemical structure unchanged. Analizza Quali sono le caratteristiche del ferro? E dello zolfo? Quali sono le caratteristiche del miscuglio? Come si può separare il ferro dallo zolfo? HAI CAPITO CHE... I miscugli possiedono le caratteristiche delle sostanze componenti. Oltre ai miscugli tra solidi, esistono altri tipi di miscuglio? Osserva le fotografie: - il fango non è altro che un miscuglio di terriccio e acqua, perciò di particelle di un solido con un liquido ( 14 ); - lo smog è un miscuglio di polveri sottili, cioè piccolissime, con l’aria, perciò di particelle di solido con un gas ( 15 ). L’acqua e l’olio sono due liquidi che si mescolano solo temporaneamente. Se provi a versarli nello stesso bicchiere e ad agitarli, vedrai che l’olio si “frantuma” in tante piccole goccioline e forma un miscuglio particolare, detto emulsione. Questo tipo di miscuglio tra due liquidi è instabile e, se si smette di mescolare, dopo poco tempo i due componenti si separano ( 16 ). Anche il latte è un’emulsione: se guardi a occhio nudo ti sembrerà un liquido omogeneo ma usando il microscopio potrai individuare delle goccioline di grasso immerse ( 17 ). Decantare, filtrare, centrifugare, setacciare Quali sono le caratteristiche di una miscela omogenea? Se provi a versare del sale in un bicchiere contenente acqua e a mescolare ( 18 ), ti accorgerai che dopo un po’ il sale sembra sparire, perché non si vede più ( 19 ). Anche osservando con una lente o con un microscopio è impossibile individuare il sale: acqua e sale formano una miscela omogenea chiamata soluzione. In una soluzione la sostanza presente in maggiore quantità è detta solvente, quella presente in quantità minore è detta soluto. Nel caso che hai osservato, l’acqua è il solvente e il sale è il soluto. L’acqua è un buon solvente per molte sostanze ma non per tutte: non è in grado, infatti, di sciogliere le sostanze grasse come l’olio oppure le vernici, per le quali occorre usare altri tipi di solvente. Analizza Che tipo di miscela si ottiene mescolando sale e acqua? Quale sostanza è il soluto? Qual è il solvente? Se continui ad aggiungere sale alla soluzione (20) e a mescolare, ti accorgerai a un certo punto che il sale non viene più sciolto e si deposita sul fondo del bicchiere ( 21 ). Si dice che la soluzione è satura, cioè contiene disciolta la massima quantità di soluto possibile e non se ne può aggiungere altro. Per ottenere una soluzione satura di sale in acqua devi utilizzare 350 g di sale in 1000 g di acqua, cioè una concentrazione di sale del 35%. Questo valore indica la solubilità del sale in acqua (22). La solubilità di una sostanza è la quantità in grammi di soluto che bisogna sciogliere in 100 grammi di solvente per ottenere la soluzione satura. La solubilità dipende dalla temperatura: se metti la soluzione satura di sale e acqua sul fuoco (23), vedrai che a mano a mano che la temperatura dell’acqua aumenta, il sale depositato nel fondo scompare, sciogliendosi, ed è possibile aggiungerne altro (24). Nell’acqua calda si scioglie più sale che nell’acqua fredda. La solubilità di una sostanza aumenta quindi all’aumentare della temperatura. Analizza Quando la soluzione diventa “satura”? HAI CAPITO CHE... In tutte le soluzioni troviamo un solvente (la sostanza presente in maggiore quantità) e un soluto. La solubilità aumenta con l’aumentare della temperatura del solvente. Perché l’acqua scioglie il sale? Perché la solubilità aumenta con la temperatura? Ogni granello di sale è costituito da molecole tenute insieme da intense forze attrattive. Le molecole dell’acqua, nel loro moto disordinato e continuo, urtano contro le molecole del sale e ne indeboliscono e spezzano le forze di coesione; in tale modo i granelli di sale diventano sempre più piccoli, sino a sparire. Quando le molecole di sale sono troppe, l’acqua non riesce a separarle tutte e un po’ di sale precipita sul fondo del recipiente. Se l’acqua viene riscaldata, aumenta la velocità delle sue molecole che riusciranno così a separare altre molecole di sale. Come si possono separare le sostanze di una soluzione?Per separare il sale dall’acqua dovrai mettere la soluzione a scaldare sul fuoco, accertandoti che il bicchiere sia di vetro pyrex, resistente al calore (25). L’acqua un po’ per volta evaporerà e, raggiunti i 100 °C, comincerà a bollire; quando tutta l’acqua sarà passata allo stato aeriforme, rimarrà sul fondo il sale (26). In questo modo però l’acqua tende a disperdersi nell’ambiente; se vuoi recuperare anche dell’acqua, la dovrai far condensare su un coperchio freddo e poi raccoglierla. Per separare i componenti di una soluzione devi dunque usare i passaggi di stato. Il processo che viene usato per separare un solido disciolto in un liquido è la distillazione: si esegue con un apposito apparecchio ( 27 , 28) nel quale la soluzione viene portata a ebollizione in un’ampolla, il vapore acqueo è fatto passare in un tubo raffreddato ad acqua; qui si condensa e scende in un altro recipiente. La distillazione può anche essere usata per separare una soluzione costituita da due liquidi, per esempio acqua e alcol: l’acqua bolle a 100 °C e l’alcol a 78 °C, perciò la prima sostanza a passare allo stato di vapore è l’alcol. Ci sono altri tipi di miscele omogenee?Esistono anche soluzioni di sostanze allo stato solido, per esempio le leghe metalliche, che si ottengono fondendo più metalli insieme e lasciandoli solidificare: l’ottone (29) è una lega tra rame e zinco, il bronzo (30) è una lega tra rame e stagno. I gas formano sempre miscele omogenee tra loro e con l’acqua: nel mare, nei fiumi, nei laghi ma anche nell’acqua che esce dal rubinetto sono disciolti gli stessi gas presenti nell’aria. Analizza Come puoi separare il sale dall’acqua? HAI CAPITO CHE... Con la distillazione si possono separare i componenti di una soluzione costituita da un solido e da un liquido o da due liquidi. 28 Un impianto industriale per la distillazione del whisky. >> VERSO LE COMPETENZERisolvi una situazione problematicaAnna desidera bere del succo di ananas senza polpa; cerca nei mobiletti della cucina, ma trova solo succo di ananas con polpa. Si procura un bicchiere, un imbuto e un pezzo di carta filtro.a. Come farà Anna a preparare succo di ananas senza polpa, usando gli strumenti che ha trovato?b. Il succo di ananas con polpa è un miscuglio omogeneo o eterogeneo?Ragiona su un esperimentoGiulia mescola 10 g di zucchero con 50 ml di acqua ( 1 ) e 10 g di zucchero con 50 ml di alcol ( 2 ).Dopo aver mescolato a lungo ottiene ciò che si può osservare nell’illustrazione.a. Descrivi l’aspetto del liquido contenuto in ciascun becher.b. Puoi affermare che l’acqua è un solvente per lo zucchero? Puoi dire lo stesso per l’alcol?c. Sei sicuro che il becher 1 contenga acqua e zucchero e non solo acqua? Perché?Smacchiando... si imparaSai già che l’acqua non è l’unico solvente che esiste e che non è capace di sciogliere tutte le sostanze. Per togliere una macchia di grasso, per esempio, non è utile passarci sopra dell’acqua, ma occorre usare un solvente adatto, uno smacchiatore alla trielina; analogamente, per togliere dello smalto per le unghie servirà l’acetone e per sciogliere una macchia di vernice l’acqua ragia. Ogni tipo di solvente quindi sarà adatto a sciogliere solo determinati tipi di sostanze. Prova se è vero, utilizzando un pezzo di stoffa bianca e delle macchie. (Proteggi le mani con dei guanti di gomma e indossa la mascherina per evitare di inalare vapori nocivi.)MACCHIA DI...SMACCHIATORERISULTATOOLIOTRIELINA............................BIROALCOL DENATURATO............................VINOSALE, POI ACQUA CALDA............................ERBAMISCELA DI ALCOL, AMMONIACA E ACQUA CALDA............................FRUTTAACQUA OSSIGENATA, POI AMMONIACA............................>> LABORATORIOOmogenei o eterogenei?MaterialiAcqua - aceto - olio - alcol colorato - petrolio - 4 provette e un sostegno per provetteEsecuzionea. Metti un po’ d’acqua in ciascuna provetta.b. Versa alcune gocce delle sostanze da testare nell’acqua (ogni sostanza in una diversa provetta) ( 1 ).c. Agita ciascuna provetta e poi lascia riposare per qualche minuto ( 2 ).RisultatiDopo l’agitazione delle provette, osserva i miscugli.- Hanno tutti lo stesso aspetto?- Quali sono miscugli eterogenei? Quali omogenei?- Quali sostanze non sono solubili in acqua?
2 Sostanze e miscele I vari tipi di sostanze che costituiscono la materia si aggregano fisicamente mescolandosi tra loro e formano le miscele . Il terreno ( 9 ) è una miscela di sostanze minerali e organiche solide; le varie sostanze di cui è formato sono visibili a occhio nudo o con una lente d’ingrandimento: una miscela di questo tipo è detta miscela eterogenea o miscuglio. Esistono anche miscele omogenee, nelle quali le sostanze componenti non sono distinguibili le une dalle altre neppure usando un microscopio; l’aria per esempio è una miscela omogenea di gas come l’azoto, l’ossigeno, l’anidride carbonica e altri. Quali caratteristiche ha un miscuglio? Come si possono separare le sostanze che lo compongono?Osserva l’esperimento in cui si fa un miscuglio tra due sostanze che si possono facilmente trovare in una ferramenta e in un negozio di giardinaggio: il ferro, sotto forma di limatura, e lo zolfo. Le due sostanze hanno caratteristiche tipiche ben definite: il ferro ha colore grigio metallico e se avvicinato a una calamita ne viene attratto ( 10 ); lo zolfo ha un colore giallo intenso e se immerso in acqua galleggia ( 11 ). Se mescoli attentamente il ferro e lo zolfo vedrai formarsi un miscuglio che conserva i colori delle due sostanze, granuli grigi e granuli gialli; se avvicini la calamita al miscuglio, vedi che solo il ferro ne viene attratto ( 12 ), mentre se immergi il miscuglio in acqua ( 13 ) vedi che lo zolfo sale in superficie e il ferro affonda. In tutti e due i casi il ferro e lo zolfo si separano dal miscuglio molto facilmente. Un miscuglio possiede quindi le caratteristiche delle sostanze componenti; queste infatti, anche se mescolate, mantengono le loro caratteristiche, sono riconoscibili e si possono separare usando procedimenti fisici. I metodi di separazione delle sostanze di un miscuglio sfruttano le caratteristiche delle sostanze stesse. Miscela Insieme di due o più sostanze, ciascuna delle quali conserva la propria struttura chimica. Mixture Combination of two or more substances. Each substance maintains its chemical structure unchanged. Analizza Quali sono le caratteristiche del ferro? E dello zolfo? Quali sono le caratteristiche del miscuglio? Come si può separare il ferro dallo zolfo? HAI CAPITO CHE... I miscugli possiedono le caratteristiche delle sostanze componenti. Oltre ai miscugli tra solidi, esistono altri tipi di miscuglio? Osserva le fotografie: - il fango non è altro che un miscuglio di terriccio e acqua, perciò di particelle di un solido con un liquido ( 14 ); - lo smog è un miscuglio di polveri sottili, cioè piccolissime, con l’aria, perciò di particelle di solido con un gas ( 15 ). L’acqua e l’olio sono due liquidi che si mescolano solo temporaneamente. Se provi a versarli nello stesso bicchiere e ad agitarli, vedrai che l’olio si “frantuma” in tante piccole goccioline e forma un miscuglio particolare, detto emulsione. Questo tipo di miscuglio tra due liquidi è instabile e, se si smette di mescolare, dopo poco tempo i due componenti si separano ( 16 ). Anche il latte è un’emulsione: se guardi a occhio nudo ti sembrerà un liquido omogeneo ma usando il microscopio potrai individuare delle goccioline di grasso immerse ( 17 ). Decantare, filtrare, centrifugare, setacciare Quali sono le caratteristiche di una miscela omogenea? Se provi a versare del sale in un bicchiere contenente acqua e a mescolare ( 18 ), ti accorgerai che dopo un po’ il sale sembra sparire, perché non si vede più ( 19 ). Anche osservando con una lente o con un microscopio è impossibile individuare il sale: acqua e sale formano una miscela omogenea chiamata soluzione. In una soluzione la sostanza presente in maggiore quantità è detta solvente, quella presente in quantità minore è detta soluto. Nel caso che hai osservato, l’acqua è il solvente e il sale è il soluto. L’acqua è un buon solvente per molte sostanze ma non per tutte: non è in grado, infatti, di sciogliere le sostanze grasse come l’olio oppure le vernici, per le quali occorre usare altri tipi di solvente. Analizza Che tipo di miscela si ottiene mescolando sale e acqua? Quale sostanza è il soluto? Qual è il solvente? Se continui ad aggiungere sale alla soluzione (20) e a mescolare, ti accorgerai a un certo punto che il sale non viene più sciolto e si deposita sul fondo del bicchiere ( 21 ). Si dice che la soluzione è satura, cioè contiene disciolta la massima quantità di soluto possibile e non se ne può aggiungere altro. Per ottenere una soluzione satura di sale in acqua devi utilizzare 350 g di sale in 1000 g di acqua, cioè una concentrazione di sale del 35%. Questo valore indica la solubilità del sale in acqua (22). La solubilità di una sostanza è la quantità in grammi di soluto che bisogna sciogliere in 100 grammi di solvente per ottenere la soluzione satura. La solubilità dipende dalla temperatura: se metti la soluzione satura di sale e acqua sul fuoco (23), vedrai che a mano a mano che la temperatura dell’acqua aumenta, il sale depositato nel fondo scompare, sciogliendosi, ed è possibile aggiungerne altro (24). Nell’acqua calda si scioglie più sale che nell’acqua fredda. La solubilità di una sostanza aumenta quindi all’aumentare della temperatura. Analizza Quando la soluzione diventa “satura”? HAI CAPITO CHE... In tutte le soluzioni troviamo un solvente (la sostanza presente in maggiore quantità) e un soluto. La solubilità aumenta con l’aumentare della temperatura del solvente. Perché l’acqua scioglie il sale? Perché la solubilità aumenta con la temperatura? Ogni granello di sale è costituito da molecole tenute insieme da intense forze attrattive. Le molecole dell’acqua, nel loro moto disordinato e continuo, urtano contro le molecole del sale e ne indeboliscono e spezzano le forze di coesione; in tale modo i granelli di sale diventano sempre più piccoli, sino a sparire. Quando le molecole di sale sono troppe, l’acqua non riesce a separarle tutte e un po’ di sale precipita sul fondo del recipiente. Se l’acqua viene riscaldata, aumenta la velocità delle sue molecole che riusciranno così a separare altre molecole di sale. Come si possono separare le sostanze di una soluzione?Per separare il sale dall’acqua dovrai mettere la soluzione a scaldare sul fuoco, accertandoti che il bicchiere sia di vetro pyrex, resistente al calore (25). L’acqua un po’ per volta evaporerà e, raggiunti i 100 °C, comincerà a bollire; quando tutta l’acqua sarà passata allo stato aeriforme, rimarrà sul fondo il sale (26). In questo modo però l’acqua tende a disperdersi nell’ambiente; se vuoi recuperare anche dell’acqua, la dovrai far condensare su un coperchio freddo e poi raccoglierla. Per separare i componenti di una soluzione devi dunque usare i passaggi di stato. Il processo che viene usato per separare un solido disciolto in un liquido è la distillazione: si esegue con un apposito apparecchio ( 27 , 28) nel quale la soluzione viene portata a ebollizione in un’ampolla, il vapore acqueo è fatto passare in un tubo raffreddato ad acqua; qui si condensa e scende in un altro recipiente. La distillazione può anche essere usata per separare una soluzione costituita da due liquidi, per esempio acqua e alcol: l’acqua bolle a 100 °C e l’alcol a 78 °C, perciò la prima sostanza a passare allo stato di vapore è l’alcol. Ci sono altri tipi di miscele omogenee?Esistono anche soluzioni di sostanze allo stato solido, per esempio le leghe metalliche, che si ottengono fondendo più metalli insieme e lasciandoli solidificare: l’ottone (29) è una lega tra rame e zinco, il bronzo (30) è una lega tra rame e stagno. I gas formano sempre miscele omogenee tra loro e con l’acqua: nel mare, nei fiumi, nei laghi ma anche nell’acqua che esce dal rubinetto sono disciolti gli stessi gas presenti nell’aria. Analizza Come puoi separare il sale dall’acqua? HAI CAPITO CHE... Con la distillazione si possono separare i componenti di una soluzione costituita da un solido e da un liquido o da due liquidi. 28 Un impianto industriale per la distillazione del whisky. >> VERSO LE COMPETENZERisolvi una situazione problematicaAnna desidera bere del succo di ananas senza polpa; cerca nei mobiletti della cucina, ma trova solo succo di ananas con polpa. Si procura un bicchiere, un imbuto e un pezzo di carta filtro.a. Come farà Anna a preparare succo di ananas senza polpa, usando gli strumenti che ha trovato?b. Il succo di ananas con polpa è un miscuglio omogeneo o eterogeneo?Ragiona su un esperimentoGiulia mescola 10 g di zucchero con 50 ml di acqua ( 1 ) e 10 g di zucchero con 50 ml di alcol ( 2 ).Dopo aver mescolato a lungo ottiene ciò che si può osservare nell’illustrazione.a. Descrivi l’aspetto del liquido contenuto in ciascun becher.b. Puoi affermare che l’acqua è un solvente per lo zucchero? Puoi dire lo stesso per l’alcol?c. Sei sicuro che il becher 1 contenga acqua e zucchero e non solo acqua? Perché?Smacchiando... si imparaSai già che l’acqua non è l’unico solvente che esiste e che non è capace di sciogliere tutte le sostanze. Per togliere una macchia di grasso, per esempio, non è utile passarci sopra dell’acqua, ma occorre usare un solvente adatto, uno smacchiatore alla trielina; analogamente, per togliere dello smalto per le unghie servirà l’acetone e per sciogliere una macchia di vernice l’acqua ragia. Ogni tipo di solvente quindi sarà adatto a sciogliere solo determinati tipi di sostanze. Prova se è vero, utilizzando un pezzo di stoffa bianca e delle macchie. (Proteggi le mani con dei guanti di gomma e indossa la mascherina per evitare di inalare vapori nocivi.)MACCHIA DI...SMACCHIATORERISULTATOOLIOTRIELINA............................BIROALCOL DENATURATO............................VINOSALE, POI ACQUA CALDA............................ERBAMISCELA DI ALCOL, AMMONIACA E ACQUA CALDA............................FRUTTAACQUA OSSIGENATA, POI AMMONIACA............................>> LABORATORIOOmogenei o eterogenei?MaterialiAcqua - aceto - olio - alcol colorato - petrolio - 4 provette e un sostegno per provetteEsecuzionea. Metti un po’ d’acqua in ciascuna provetta.b. Versa alcune gocce delle sostanze da testare nell’acqua (ogni sostanza in una diversa provetta) ( 1 ).c. Agita ciascuna provetta e poi lascia riposare per qualche minuto ( 2 ).RisultatiDopo l’agitazione delle provette, osserva i miscugli.- Hanno tutti lo stesso aspetto?- Quali sono miscugli eterogenei? Quali omogenei?- Quali sostanze non sono solubili in acqua?