Appunti di Chimica - Anno scolastico 2018/2019 - Giuseppe Sciolla 01/10/2018 Creative Commons
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Anno scolastico 2018/2019
(Disegno di Mattia Obinu)
Appunti di Chimica
Giuseppe Sciolla
01/10/2018
Creative Commons
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Indice generale
1. La materia e i passaggi di stato.........................................................................................................3
Gli stati di aggregazione della materia.............................................................................................3
Stati di aggregazione e tipi di materia (materiali)............................................................................4
La temperatura durante i cambiamenti di stato................................................................................4
2. La materia e le sue proprietà.............................................................................................................5
La materia........................................................................................................................................5
Caratteristiche della materia e “tipi di materia”...............................................................................5
I “tipi di materia”.............................................................................................................................5
3. I miscugli e le sostanze.....................................................................................................................6
Sistemi e loro caratteristiche............................................................................................................6
Fase..................................................................................................................................................6
Metodi meccanici di separazione.....................................................................................................6
Metodi fisici di separazione (metodi di purificazione)....................................................................7
I miscugli e le sostanze....................................................................................................................9
Distillazione di soluzioni solide e gassose.....................................................................................10
4. Le reazioni......................................................................................................................................12
Gli oggetti fondamentali della chimica..........................................................................................12
La trasformazione delle sostanze...................................................................................................12
Gli indizi di reazione......................................................................................................................13
Importanza delle reazioni per lo sviluppo delle civiltà..................................................................13
La pericolosità delle trasformazioni chimiche...............................................................................15
Reazioni e quantità di materia........................................................................................................16
Sostanze semplici e sostanze composte.........................................................................................17
5. La teoria chimica............................................................................................................................19
Leggi e teorie della chimica...........................................................................................................19
Teoria chimica elementare.............................................................................................................19
6. Periodicità e classificazione degli elementi....................................................................................23
7. Approfondimenti sulle reazioni......................................................................................................27
Approfondimento – Rapporti di combinazione e reagente limitante.............................................27
Approfondimento – Le sostanze e l'industria chimica...................................................................28
8. Schede di esercizi...........................................................................................................................29
Stati aggregazione..........................................................................................................................30
Miscugli e sostanze........................................................................................................................31
Sistemi, miscugli e sostanze..........................................................................................................33
Miscugli e sostanze........................................................................................................................34
Gli indizi di reazione e le trasformazioni chimiche.......................................................................35
Le trasformazioni chimiche...........................................................................................................36
Pericolosità delle sostanze.............................................................................................................37
>Indice 2
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
1. La materia e i passaggi di stato
La chimica è una branca della nostra conoscenza, più precisamente una delle scienze,
che studia la materia.
La materia è ciò di cui sono fatti gli oggetti, cioè uno dei costituenti fondamentali
dell'universo1 che ci circonda.
Gli stati di aggregazione della materia
Una caratteristica importante della materia è il suo stato di aggregazione. Gli stati di
aggregazione fondamentali sono tre:
• stato solido – in esso la materia è caratterizzata da una forma e da un volume
propri;
• stato liquido – in esso la materia è caratterizzata da un volume ma non da una
forma propria (assume infatti la forma del recipiente che la contiene);
• stato gassoso – in esso la materia è caratterizzata dall'assenza sia di un volume
che di una forma propria (tende ad occupare tutto lo spazio a disposizione).
Lo stato di aggregazione in cui si trova una porzione particolare di materia, dipende
principalmente dalla sua temperatura.
Alle basse temperature la materia esiste allo stato solido; a temperatura più alte passa allo
stato liquido e a temperature ancora più alte passa allo stato gassoso.
Nello schema seguente sono riportati gli stati della materia e i rispettivi cambiamenti di
stato.
1 Ricordiamo che l'universo è costituito da oggetti (porzioni di materia) e da eventi (cose che succedono a uno o più
oggetti).
>Indice 3
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Stati di aggregazione e tipi di materia (materiali)
La materia non è tutta uguale, ma può essere suddivisa in tipi diversi (che chiameremo per
il momento materiali), caratterizzati da valori diversi di temperatura a cui possono esistere
nei tre diversi stati di aggregazione.
Per chiarire questo aspetto, prendiamo in considerazione due materiali molto comuni:
l'acqua e il ferro. Questi due materiali possono esistere entrambi allo stato solido, liquido e
gassoso. Tuttavia, l'acqua è solida a temperature al di sotto di 0°C, liquida tra 0°C e
100°C, gassosa al di sopra dei 100°C.
Il ferro invece è solido fino alla temperatura di 1536°C, liquido tra 1536°C e 3000°C e
completamente gassoso al di sopra dei 3000°C.
La temperatura durante i cambiamenti di stato
I materiali si differenziano non solo per i diversi valori di temperatura a cui possono
esistere nei diversi stati di aggregazione, ma anche in base a ciò che succede alla
temperatura stessa durante questi cambiamenti di stato.
Materiali con temperatura di fusione e di ebollizione costanti
Alcuni materiali (ad esempio l'acqua e metalli puri), hanno una temperatura che non
cambia mentre fondono e mentre bollono. L'acqua, ad esempio, fonde a 0°C e questa
temperatura non cambia finché sono presenti sia acqua allo stato solido, sia acqua allo
stato liquido. Analogamente, mentre bolle la sua temperatura resta fissa a 100°C: solo
dopo che è passata completamente allo stato di vapore la temperatura può aumentare al
di sopra di questo valore.
Materiali con intervallo di fusione e di ebollizione
Altri materiali, come le leghe, sono caratterizzati da un intervallo di fusione. Essi iniziano a
fondere ad una certa temperatura (temperatura di inizio fusione), ma questa non resta
costante, aumenta molto lentamente fino ad un valore finale (temperatura di fine fusione)
in corrispondenza del quale sono completamente allo stato liquido.
Durante l'ebollizione si comportano in modo analogo: sono caratterizzati da un intervallo di
ebollizione, cioè da una temperatura di inizio ebollizione e da una di fine ebollizione.
Materiali con intervallo di rammollimento
Una terza classe di materiali, amorfi allo stato solido (cioè non cristallini), come i vetri , le
resine, le cere …, non passano in modo netto dallo stato solido a quello liquido.
Per riscaldamento rammolliscono gradualmente, diventando pastosi e via via più fluidi
(meno viscosi). Passano poi gradualmente allo stato liquido senza manifestare una
temperatura di fusione ben definita. Per questi materiali si indica un intervallo di
rammollimento, cioè l'intervallo approssimativo di temperature entro cui si verifica questo
fenomeno.
>Indice
>Indice 4
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
2. La materia e le sue proprietà
La materia
L’universo che ci circonda è costituito da oggetti e da eventi (cose che accadono agli
oggetti). Gli oggetti sono porzioni di materia, ma che cos'è la materia?
La materia è tutto ciò che possiede una massa e che occupa un volume.
La massa di un oggetto è la quantità di materia che lo costituisce. Lo strumento
per la misura diretta della massa è la bilancia a due piatti. La sua unità di misura nel
Sistema internazionale è il chilogrammo (kg). Esso viene definito nel seguente modo: il
chilogrammo è una massa uguale a quella del chilogrammo campione.
Il volume è la porzione di spazio occupata da un oggetto. L’unità di misura
fondamentale del volume nel Sistema internazionale è il metro cubo. Il metro cubo è il
volume del cubo che ha lo spigolo lungo un metro.
Il volume dei liquidi e dei gas sono spesso espressi mediante le unità di misura di
capacità. La sua unità fondamentale è il litro. Il litro attualmente è definito uguale ad
un decimetro cubo. Esso non fa parte del Sistema Internazionale, ma è tollerato
come sinonimo di un sottomultiplo del metro cubo: il decimetro cubo, appunto.
Caratteristiche della materia e “tipi di materia”.
La materia, oltre alle due caratteristiche fondamentali che la definiscono (massa e
volume), possiede molte altre caratteristiche. Tra queste particolare importanza
rivestono le grandezze intensive. Le caratteristiche intensive sono caratteristiche
che non dipendono dalla quantità di materia presa in esame.
Un esempio di grandezza intensiva è la densità. Qualsiasi pezzo di ferro, ad esempio,
ha la stessa densità, a prescindere dalla sua grandezza. Altri esempi di caratteristiche
intensive sono la temperatura di fusione, la temperatura di ebollizione, il colore, la
combustibilità.
I “tipi di materia”.
Abbiamo visto che non tutte le porzioni di materia sono identiche: esistono tipi di
materia diversi che possono essere distinti tra loro in base alle grandezze intensive.
Questi tipi diversi di materia li chiameremo, per il momento, materiali.
>Indice
>Indice 5
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
3. I miscugli e le sostanze
Sistemi materiali e loro caratteristiche
Noi siamo immersi nell'universo che ci circonda, ma è impossibile osservare e prendere in
considerazione tutti gli oggetti e tutti gli eventi di cui esso è costituito. Noi riusciamo a
coglierne solo una piccola parte, ad esempio un certo ambiente (la stanza in cui ci
troviamo, …) o un certo oggetto. La parte dell'universo che in un certo momento
prendiamo in considerazione, costituisce un sistema.
Sistema materiale – una quantità di materia finita, su cui concentriamo la nostra
attenzione, prende il nome di sistema.
I sistemi possono essere studiati e classificati in base alle loro caratteristiche intensive, ad
esempio, possono essere prese in considerazione: la temperatura di fusione, la
temperatura di ebollizione, la densità, il colore, l'odore, il sapore, la durezza, la
combustibilità, l'acidità,… Alcune di queste caratteristiche sono di tipo fisico, altre di tipo
chimico: impareremo in seguito a distinguerle.
In alcuni sistemi (come ad esempio un pennarello) le caratteristiche non sono uguali
dappertutto (ad esempio il tappo del pennarello ha colore, durezza, temperatura di fusione
diverse rispetto a quelle dell'involucro metallico): questi sistemi sono chiamati sistemi
eterogenei.
Sistema eterogeneo – un sistema materiale è detto eterogeneo se non ha caratteristiche
chimiche e fisiche identiche in ogni suo punto
Altri sistemi (come ad esempio l'acqua contenuta in una bottiglietta), presentano invece
caratteristiche identiche in ogni loro punto: questi sistemi sono chiamati sistemi
omogenei.
Sistema omogeneo – un sistema materiale è detto omogeneo se ha caratteristiche
chimiche e fisiche identiche in ogni suo punto.
Fase
Un sistema omogeneo è costituito da una sola fase. Pertanto:
Fase è una porzione di materia con caratteristiche chimiche e fisiche identiche in
ogni suo punto.
Un campione eterogeneo è costituito da due o più fasi.
Metodi meccanici di separazione
I sistemi eterogenei sono costituiti da due o più fasi. Se si separano, con opportuni metodi,
queste fasi, si ottengono un certo numero di sistemi omogenei: uno per ogni fase.
Ad esempio, un po' di acqua e olio in un bicchiere costituiscono un sistema eterogeneo
costituito da due fasi (la fase olio e la fase acqua, con la prima che galleggia sulla
seconda).
>Indice 6
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica Se si separa l'olio (ad esempio aspirandolo con un contagocce) e lo si mette in un secondo bicchiere, si ottengono due sistemi omogenei: uno costituito dalla fase olio e l'altro costituito dalla fase acqua. I metodi di separazione, che consentono di separare le fasi senza modificarle prendono il nome di metodi meccanici di separazione. Metodi meccanici di separazione – I metodi meccanici separano le fasi senza modificarle, sfruttando le loro diverse caratteristiche fisiche (stato di aggregazione, densità, …). Sono esempi di metodi meccanici di separazione: la filtrazione, la sedimentazione, la centrifugazione, la separazione con imbuto separatore, separazione con ciclone. Se un sistema eterogeneo è costituito da una fase solida (ad esempio sabbia) e da una fase liquida (ad esempio acqua), può essere separato mediante una semplice filtrazione: il solido resta nel filtro, mentre il liquido lo attraversa. Anche un sistema eterogeneo costituito da un gas e da un solido può essere separato mediante una filtrazione: i filtri dell'aria delle automobili separano la polvere (solido) dall'aria. Anche le mascherine anti – polvere sono filtri che separano un gas (l'aria) da un solido (la polvere). I metodi meccanici di separazione lasciano invece inalterati i sistemi omogenei: ad esempio, se si filtra un bicchiere di acqua zuccherata, ciò che si ottiene è ancora acqua zuccherata. É possibile definire nuovamente i sistemi eterogenei e i sistemi omogenei in base al loro comportamento quando sono sottoposti a metodi di separazione meccanici. I sistemi eterogenei sono sistemi separabili con metodi meccanici nelle due o più fasi che li costituiscono. I sistemi omogenei sono sistemi che rimangono inalterati se sono sottoposti a metodi di separazione meccanici. Queste ultime due definizioni sono forse le migliori tra quelle che abbiamo dato, perché ci consentono di classificare i sistemi in omogenei o eterogenei, anche quando l'osservazione non ci consente di decidere con semplicità se le caratteristiche sono o meno identiche in ogni punto. Così, la maggior parte delle persone trova difficoltà nel classificare correttamente il latte: è un sistema omogeneo o eterogeneo? Sottoponendolo a centrifugazione (metodo di separazione meccanico), si ha la separazione della parte grassa (panna) dal resto del latte 2. Quindi il latte, essendo separabile in due fasi con un metodo meccanico è un sistema eterogeneo. Metodi fisici di separazione (metodi di purificazione) Immaginiamo di prendere tre bicchieri, contenenti rispettivamente acqua di rubinetto (o acqua minerale naturale), acqua di mare limpida e acqua distillata: possiamo dire che sono tutti e tre dei sistemi omogenei, in quanto hanno hanno aspetto identico in ogni loro punto e passano inalterati se sottoposti a metodi meccanici di separazione, come ad 2 Questo è proprio il metodo che si usa per ottenere il latte parzialmente o totalmente scremato. La panna separata può essere venduta come tale oppure dopo la sua trasformazione in burro. >Indice 7
Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
esempio una filtrazione.
Se ci si limita all'osservazione con lo sguardo, il contenuto dei tre bicchieri appare identico,
tuttavia, se li riscaldiamo e facciamo evaporare completamente l'acqua, essi si
comportano in modo diverso.
Nel primo bicchiere resterà un piccolo residuo incrostante (dovuto ai sali minerali sciolti
nell'acqua), nel secondo un residuo abbondante di sale, mentre nel terzo non si formerà
alcun residuo.
Se modifichiamo il procedimento precedente, in modo da raccogliere e condensare in un
altro recipiente i vapori che si formano, otteniamo un processo di separazione (fisico), noto
con il nome di distillazione3.
Con il primo campione otterremo un residuo di sali minerali nel recipiente originario e un
campione di acqua distillata, nel secondo un residuo di sale marino e un campione di
acqua distillata, nel terzo nessun residuo e un campione di acqua distillata identico al
campione di partenza.
Quindi i sistemi omogenei possono mostrare differenze di comportamento quando sono
sottoposti a cambiamenti di stato e a metodi di separazione che si basano sui
cambiamenti di stato.
3 Principio su cui si basa la separazione mediante distillazione – La distillazione sfrutta la differenza tra le temperature di
ebollizione della sostanze che costituiscono la soluzione (ogni sostanza ha una sua temperatura di ebollizione caratteristica). Se
la differenza tra le temperature di ebollizione è molto alta (ad esempio: miscela acqua e sale), quando la soluzione bolle passa
allo stato di vapore solo il componente più volatile, che può essere recuperato puro mediante condensazione in un refrigerante.
Se le temperature di ebollizione sono vicine, una distillazione semplice non è sufficiente: sono necessarie più distillazioni
successive per ottenere uno dei componenti sufficientemente puro.
>Indice 8Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Metodi fisici di separazione (metodi di purificazione) – I metodi fisici di separazione
(metodi di purificazione) separano le sostanze presenti in una soluzione mediante
cambiamenti di fase (operano con cambiamenti di fase)
Sono esempi di metodi fisici di separazione la distillazione, la cromatografia 4, l'estrazione
con solvente.
I sistemi omogenei come l'acqua distillata, che sottoposti a metodi fisici di separazione
mantengono inalterate le loro caratteristiche chimiche e fisiche, sono chiamati sostanze.
I sistemi omogenei come l'acqua del mare, che sottoposti a metodi fisici di separazione
tendono a separarsi in due o più sostanze, sono detti soluzioni (o miscugli omogenei)
Sostanze – Le sostanze sono sistemi omogenei che, sottoposte a metodi fisici di
separazione (ad esempio la distillazione), mantengono inalterate le loro
caratteristiche chimiche e fisiche.
Soluzioni (miscugli omogenei)– Le soluzioni sono sistemi omogenei che, sottoposti a
processi fisici di separazione (ad esempio la distillazione), tendono a separarsi nelle
due o più sostanze che li costituiscono.
I miscugli e le sostanze
I sistemi costituiti da due o più sostanze prendono il nome di miscugli o miscele. I
miscugli possono essere o miscugli eterogenei (come un campione di acqua e olio) o
miscugli omogenei (detti anche soluzioni), come l'acqua del rubinetto e l'acqua del
mare.
La maggior parte dei sistemi presenti nell'universo che ci circonda è costituito da sistemi
eterogenei. Questi sistemi possono essere suddivisi mediante metodi meccanici in tanti
sistemi omogenei. Questi a loro volta sono quasi sempre soluzioni, che con metodi di
purificazione (metodi fisici di separazione) possono essere separati nelle singole sostanze
che li costituiscono.
Possiamo dire quindi che tutti i sistemi sono costituiti da sostanze: questo è il punto di
vista della chimica.
La chimica cioè, studia gli oggetti dell'universo circostante in quanto costituiti da sostanze.
Oggi noi conosciamo decine di milioni di sostanze chimiche diverse e ogni giorno se ne
scoprono di nuove nei materiali di origine naturale (soprattutto piante e animali) e nei
laboratori ne vengono preparate altre non presenti in natura (sostanze artificiali).
4 La cromatografia. Un altro metodo di purificazione molto potente è la cromatografia. Mediante la cromatografia su carta,
usando alcol come fase mobile, è possibile separare i componenti di un inchiostro nero per penna biro. Le varie sostanze si
muovono con velocità diversa, in quanto le loro caratteristiche chimiche e fisiche sono diverse. In particolare sono diverse la
velocità con cui sono trascinate dalla fase mobile e la forza con cui sono trattenute dalla fase fissa (in questo esempio la carta).
Gli inchiostri neri sono generalmente diversi tra loro, cambia la miscela di componenti con cui sono preparati.
Cromatografia (principio su cui di basa): la velocità con cui una sostanza viene trascinata da un dato solvente (fase mobile),
su un dato supporto (fase fissa), è caratteristica di ogni sostanza. Cambiando fase mobile, fase fissa o entrambe,
cambiano le velocità (anche relative) di trascinamento delle sostanze.
Pregi e difetti della cromatografia. Pregi: la separazione cromatografica è molto potente, è equivalente a ~10000 distillazioni
semplici a catena (piatti di colonna di rettifica), consente di operare su piccolissime quantità di miscela. Difetti: le quantità di
sostanze pure separate con le tecniche cromatografiche sono piccolissime ed è, pertanto, poco adatta per
separazioni/purificazioni su larga scala.
>Indice 9Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Distillazione di soluzioni solide e gassose
Anche le soluzioni solide e gassose possono essere separate con la distillazione, dopo averle
portate ad una temperatura a cui esistono allo stato liquido. Esempi:
l’azoto (bolle a -196°C) e l’ossigeno (bolle a -183°C) vengono separati mediante
distillazione dell’aria liquida.
lo zinco (fonde a 413 °C e bolle a 906°C) viene purificato dalle piccole quantità di cadmio
(fonde a 321°C e bolle a 767°C) che quasi sempre lo accompagnano, mediante
distillazione frazionata in colonne realizzate con materiale refrattario.
>Indice 10Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Attività di laboratorio
Attività di laboratorio: I miscugli e la loro classificazione
Attività di laboratorio
I miscugli
Materiali necessari: acqua, olio, zucchero, sale, aceto, bicarbonato di sodio, caffè in polvere (già
utilizzando e essiccato), sabbia, provette, spatole, imbuti, carta da filtro.
Preparate sette campioni ponendo in altrettante provette acqua con ciascuno degli altri materiali
(nella prima provetta acqua con olio, nella seconda acqua con zucchero, e così via).
Preparate altri due campioni in modo analogo ai precedenti, ma utilizzando l’olio con zucchero e sale
rispettivamente..
Descrivete brevemente ciò che avete ottenuto in ciascuna provetta ed eventuali considerazioni o fatti
per voi inattesi.
Che cosa sono i campioni che avete ottenuto?
Suddividete i campioni in due gruppi, in base alla caratteristica che vi sembra più
significativa.
È possibile separare i campioni in modo da riottenere i materiali di partenza? Se si, come?
Metodi di separazione
Filtrate dapprima il campione costituito da acqua e caffè e successivamente quello costituito da acqua
e sale. Notate delle differenze?
I metodi di separazione che, come la filtrazione, separano i materiali senza modificarne l’aspetto,
prendono il nome di metodi meccanici di separazione.
I miscugli possono essere classificati in base al loro comportamento con i metodi meccanici:
Sono miscugli omogenei i miscugli non separabili con metodi meccanici
Sono miscugli eterogenei i miscugli separabili con metodi meccanici.
Escogitate un metodo meccanico in grado di separare acqua e olio.
Esistono dei miscugli come l’acqua salata che possono essere separati con una distillazione. La
distillazione cambia l’aspetto del campione originario (lo trasforma in parte in vapore e poi lo
ricondensa). I metodi di separazione come la distillazione prendono il nome di metodi di
purificazione.
Esistono dei materiali di aspetto omogeneo che restano inalterati se sottoposti a distillazione o altri
metodi di purificazione. Questi materiali non sono miscugli e prendono il nome di sostanze.
Un esempio di sostanza è l’acqua distillata. Distillandola si riottiene un “materiale” identico a quello di
partenza.
>Indice
>Indice 11Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
4. Le reazioni
Gli oggetti fondamentali della chimica
Abbiamo visto che esistono decine di milioni di sostanze diverse. Ogni sostanza differisce
dalle altre per le sue caratteristiche chimiche e fisiche. Sono esempi di queste
caratteristiche:
infiammabilità (essere combustibili, comburenti o inerti)
acidità (essere acidi, essere basi, essere neutri)
solubilità in un dato solvente
colore, odore e sapore
densità
temperatura di fusione
temperatura di ebollizione
Le sostanze sono gli oggetti fondamentali della chimica: questa scienza studia infatti la
materia in quanto formata da sostanze. I chimici studiano le sostanze e compilano per
ognuna di esse una sorta di carta di identità in cui sono riportate le caratteristiche chimiche
e fisiche, che consentono di distinguerla dalle altre e di identificarla.
La trasformazione delle sostanze
Nella nostra abitazione sono quasi sicuramente presenti dell'aceto di vino, del sale da
cucina e del bicarbonato di sodio, oltre naturalmente all'acqua, che useremo in questa
prova. In ogni caso, questi materiali possono essere facilmente acquistati in un qualsiasi
supermercato.
Prendiamo tre bicchieri, in ognuno di essi mettiamo rispettivamente un cucchiaino di
aceto, sale e bicarbonato e poi aggiungiamo acqua fino a metà del contenitore: che cosa
abbiamo ottenuto?
Se non abbiamo esagerato con il sale e il bicarbonato, avremo ottenuto tre sistemi
omogenei. Se li assaggiamo riconosciamo in essi ancora i materiali di partenza (aceto,
sale, bicarbonato), solo che ora essi sono mescolati con acqua. Abbiamo cioè ottenuto tre
soluzioni, mescolando rispettivamente i tre materiali con acqua, ma le sostanze non sono
cambiate, sono sempre quelle di partenza.
Ora versiamo un po' della soluzione di acqua e di acqua e sale in un bicchiere pulito: che
cosa otteniamo? Otteniamo ancora una volta una soluzione, che conterrà acqua, sale e
aceto contemporaneamente (possiamo verificarlo con un piccolo assaggio).
In modo analogo, se mischiamo un po' della soluzione di acqua e sale con quella di acqua
e bicarbonato, otteniamo una soluzione di acqua, sale e bicarbonato.
Invece se mischiamo un po' della soluzione di acqua e aceto con quella di acqua e
bicarbonato, ciò che otteniamo non possiamo spiegarlo semplicemente con il risultato di
un mescolamento.
>Indice 12Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Notiamo infatti che otteniamo un sistema eterogeneo, in cui sono presenti delle bollicine.
Questo significa che nel nostro sistema è presente una sostanza allo stato gassoso.
Poiché tutte le sostanze che noi abbiamo adoperato (acqua, aceto, bicarbonato) non sono
gassose, da dove provengono queste bollicine?
Nel nostro bicchiere si è verificato un evento particolare: si è formata una sostanza nuova
che prima non c'era, questa sostanza gassosa è l'anidride carbonica. Benché non sia
facile stabilirlo con un semplice assaggio, nel nostro bicchiere è successo anche
qualcos'altro: è scomparso un po' di aceto e un po' di bicarbonato.
Riassumendo: se mischiamo una soluzione di acqua e aceto con una soluzione di
bicarbonato, si verifica un evento in cui si formano sostanze nuove (in questo caso
l'anidride carbonica sotto forma di bollicine) e se ne consumano altre (nel nostro caso
aceto e bicarbonato). In questo evento alcune sostanze si sono trasformate in altre: eventi
come questi prendono il nome di trasformazioni chimiche o reazioni.
Le reazioni – le reazioni sono eventi in cui da una o più sostanze iniziali che
scompaiono (dette reagenti), si formano una o più sostanze finali diverse (dette
prodotti).
Le reazioni sono gli eventi fondamentali della chimica.
I reagenti sono quindi le sostanze che si consumano durante una reazione, i
prodotti sono invece le sostanze che si formano.
Le sostanze che reagiscono sono diverse dalle sostanze che si formano durante una
reazione: le loro “carte di identità” sono diverse.
Gli indizi di reazione
Poiché i prodotti hanno caratteristiche diverse dai reagenti, possiamo individuare alcune
trasformazioni chimiche dai seguenti indizi di reazione:
Formazione di un precipitato.
Cambiamento di colore, odore, sapore
Sviluppo di un gas (effervescenza).
Liberazione o assorbimento di forti quantità di calore.
Tutte le reazioni comportano dei cambiamenti, tuttavia, spesso, i nostri sensi non sono in
grado di coglierli. Ad esempio molti prodotti sono gassosi, inodori e incolori e sfuggono ai
nostri sensi. Questo fatto è alla base della nostra difficoltà di cogliere la maggior parte dei
fenomeni chimici che avvengono attorno a noi e alla conseguente scarsa familiarità con la
chimica che aumenta le difficoltà di apprendimento. Tuttavia questi eventi possono essere
colti utilizzando gli opportuni prolungamenti dei nostri sensi.
Importanza delle reazioni per lo sviluppo delle civiltà
Le reazioni chimiche hanno avuto un ruolo fondamentale nella evoluzione dell'uomo e
nello sviluppo della civiltà. La prima importante reazione controllata dall’uomo è stata la
combustione. La scoperta del fuoco ha consentito all'uomo di difendersi dal freddo nel
periodo invernale e di difendersi dai predatori. Inoltre, le forti quantità di energia liberate da
essa hanno consentito altre trasformazioni di importanza primaria nello sviluppo della
civiltà. Infatti, sicuramente in seguito a scoperte accidentali ha usato progressivamente il
>Indice 13Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
fuoco per:
la cottura dei cibi – che ha reso i cibi, soprattutto la carne, più facilmente
masticabile e digeribile. Questo ha consentito mutazioni che riducono la
mascella e la dentizione e, liberando la scatola cranica di una parte dei suoi
compiti meccanici, permettono l'accrescimento del volume del cervello;
la produzione di metalli e leghe per riduzione dei loro minerali (piombo,
rame, bronzo, ferro, ...) - i primi metalli utilizzati dall'uomo sono stati i metalli
poco reattivi, che è possibile trovare come tali in natura (oro, argento, rame);
tuttavia essi sono poco utili in quanto poco resistenti. Casualmente, nel corso
dei secoli, si è notato che da alcune pietre (minerali) caduti nel fuoco si
ottenevano dei metalli e delle leghe, come il bronzo, molto più resistenti e quindi
adatti alla realizzazione di armi e altri utensili. In seguito, con il perfezionamento
della costruzione del focolare, l'uso del mantice per soffiare e del carbone di
legna come combustibile è stato possibile ottenere il ferro dal suo minerale,
dando inizio alla età del ferro.
la produzione di materiali ceramici – si ottengono cuocendo a temperature
superiori ai 400°C certi “tipi” di terre (argille). I materiali in terracotta possono
essere usati per la realizzazione di contenitori e per la realizzazione di abitazioni
più durature. Sicuramente la scoperta si è avuta osservando che certi tipi di
terra, su cui era realizzato il fuoco, o che era presente in mezzo a pezzi di legna
e radici buttati nel fuoco, diventavano consistenti e non si ammorbidivano più a
contatto con l'acqua
la produzione di vetri – sempre per cottura, ma di sabbia , soda e calcare si
ottengono i vetri.
la cottura della pietra da calce (il calcare si trasforma in calce viva) –
cuocendo la pietra da calce (calcare) a temperature superiori agli 800°C, si
ottiene una pietra più leggera, la calce viva, che impastata con acqua, ha la
caratteristica di indurire e fare presa.
>Indice 14Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
La pericolosità delle trasformazioni chimiche.
Simbolo Tipo di pericolo Precauzioni
Esplosivo – sostanza che può reagire Evitare riscaldamento, colpi,
istantaneamente e violentemente, provocando sfregamenti, fiamme, scintille,
esplosioni. urti.
Infiammabile – sostanza che prende fuoco Tenere lontano da fonti di
facilmente provocando incendi. calore, in particolare scintille e
fiamme.
Comburente – sostanza che alimenta la Tenere lontano da sostanze
combustione. Consente ai combustibili di infiammabili.
bruciare, provocando incendi che non si
possono spegnere.
Gas compresso – sostanza in bombole che Tenere lontano da fonti di
può esplodere a causa di aumenti di calore. Non esporre al sole.
pressione. Non sottoporre a urti.
Corrosivo – sostanza che può provocare Evitare il contatto con occhi,
gravi ustioni al corpo e distruzione di molti pelle e indumenti. Evitare di
materiali. ingerire ed inalare.
Tossico acuto – sostanza che può Evitare l’inalazione, l’ingestione
provocare la morte anche se assunta a piccole e il contatto con la pelle.
dosi, una sola volta.
Tossico lungo termine – sostanza che, se Evitare l’inalazione, l’ingestione
assunta a piccole dosi per periodi prolungati di e il contatto con la pelle.
tempo, può portare a gravi danni alla salute,
compresa la morte.
Irritante – sostanze chè può provocare Evitare l’inalazione, l’ingestione
irritazioni agli occhi, alla pelle e alle vie e il contatto con la pelle.
respiratorie.
Nocivo – sostanza che può provocare danni Evitare l’inalazione, l’ingestione
alla salute non mortali, come allergie. e il contatto con la pelle.
Pericoloso per l’ambiente – sostanza Non disperdere nel suolo e
tossica o nociva per piante e animali, che può nell’acqua. Eliminare i
contaminare le acque e il suolo. contenitori e i residui negli
appositi punti di raccolta.
>Indice 15Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
Le trasformazioni chimiche possono essere fonte di pericolo per più motivi. In primo luogo,
esse in alcuni casi portano alla liberazione di forti quantità di energia, in modo anche
esplosivo (è il caso di tutti i combustibili e degli esplosivi)
Poiché i prodotti hanno caratteristiche chimiche e fisiche diverse rispetto a quelle dei
reagenti, anche da sostanze innocue, in alcuni casi, si ottengono sostanze molto
velenose. Ad esempio, la gomma piuma è una sostanza praticamente innocua, ma
bruciando e quindi si trasforma dando origine a sostanze molto velenose, mortali in piccole
dosi.
Molte sostanze sono velenose se penetrano nel nostro organismo. Le modalità di
avvelenamento sono tre: per inalazione (attraverso le vie respiratorie), per ingestione
(attraverso la bocca e l'apparato digerente) e per contatto (attraverso la pelle). Di ciò
bisogna tener conto quando si manipolano sostanze velenose.
I contenitori di sostanze pericolose sono contrassegnate con dei simboli particolari (che
avvertono sulla infiammabilità, irritabilità, nocività per l'ambiente, esplosività, ecc). Questi
cartelli sono presenti anche nei mezzi che trasportano le merci pericolose e possono
essere facilmente osservati, ad esempio, nelle autocisterne che trasportano combustibili.
Reazioni e quantità di materia
Che cosa succede alla massa durante una trasformazione chimica?
Se osserviamo una candela bruciare, saremmo tentati di dire che la massa, durante
questa reazione diminuisce: infatti mettendo la candela accesa sul piatto di una bilancia, il
valore della massa diminuisce progressivamente.
Tuttavia questa osservazione non è corretta: infatti la reazione completa di combustione
della candela può essere schematizzata come segue:
cera (molte sostanze) + biossigeno anidride carbonica + acqua (vapore)
Come si vede, nella ipotesi precedente noi misuriamo solo la massa della cera, ma non
quella dell'ossigeno, dell'acqua e dell'anidride carbonica.
Per eseguire una prova corretta dovremmo misurare la massa di tutte le sostanze che
partecipano alla reazione, reagenti e prodotti.
Questo è possibile se si fa bruciare la candela in un recipiente chiuso, in modo che non
possano entrare o uscire altre sostanze.
Se si misura la massa della candela mentre brucia in un recipiente chiuso, si può notare
che essa resta costante. Questo vuol dire che la massa di cera e di ossigeno che si
consumano è rimpiazzata da una massa uguale di anidride carbonica e di acqua che si
formano.
Questa regolarità vale per qualsiasi reazione chimica e va sotto il nome di legge di
conservazione della massa o legge di Lavoisier, in onore dello scienziato che la propose:
Legge di Lavoisier (principio di conservazione della massa): durante una trasformazione
chimica la massa totale non cambia. La massa di reagenti che scompare è uguale
alla massa di prodotti che si forma. La materia non può essere né creata, né
distrutta: essa può essere, entro certi limiti, trasformata da certe forme (sostanze)
>Indice 16Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
ad altre, mediante reazioni.5
Sostanze semplici e sostanze composte
Alcune categorie di reazioni sono state importanti per lo sviluppo della chimica. Infatti
Lavoisier, padre della chimica moderna, operò la distinzione tra sostanze semplici
(elementi) e sostanze composte (composti) ricorrendo a reazioni di sintesi e reazioni di
decomposizione.
Reazioni di decomposizione: una reazione è detta di decomposizione se da un
reagente si ottengono due o più prodotti. Ad esempio:
calcare calce viva + anidride carbonica6
Reazioni di sintesi: una reazione è detta di sintesi se da due o più reagenti si ottiene
un solo prodotto. Ad esempio:
carbonio + biossigeno anidride carbonica
Sostanze composte (composti): una sostanza è detta composta se può essere
ottenuta per sintesi e se può essere decomposta in sostanze più semplici. Ad
esempio, l'anidride carbonica è una sostanza composta perché può essere ottenuta per
sintesi, con la reazione di combustione del carbonio. Quasi tutte le sostanze conosciute
sono sostanze composte: esse sono decine di milioni.
Sostanze semplici (elementi): una sostanza è detta semplice se non può essere
ottenuta per sintesi e non può essere decomposta in sostanze più semplici 7. Ad
esempio, il carbonio è una sostanza semplice (elemento) in quanto non è possibile
decomporlo in nessuna sostanza più semplice, né esistono reazioni di sintesi in cui figuri
come prodotto. Gli elementi sono molto pochi rispetto alle sostanze composte: un
centinaio
Tutte le sostanze composte possono essere decomposte in due o più elementi con un
numero appropriato di reazioni di decomposizione.
Per successive separazioni, purificazioni e decomposizioni, tutti i campioni eterogenei, in
linea di principio, possono essere separati successivamente in campioni omogenei,
sostanze pure ( decine di milioni di tipi diversi) e sostanze semplici o elementi (un
centinaio di tipi diversi)8, 9.
Collegare la nascita dei concetti di miscuglio eterogeneo, miscuglio omogeneo, sostanza e
sostanza composta, alle regolarità che ne hanno consentito l’individuazione.
5 Lavoisier rivoluzionò il laboratorio chimico, con il ricorso sistematico a misure quantitative (massa, volume,
densità) di tutti i reagenti e di tutti i prodotti delle reazioni. Introdusse l'uso di caratteristiche quantitative, come la
densità per il riconoscimento delle sostanze, anziché limitarsi, come fatto fino ad allora, alle sole "qualità
secondarie" (odore, colore, sapore).
6 Reazione di cottura della pietra da calce, già nominata come una delle trasformazioni di importanza nello sviluppo
delle civiltà.
7 Anziché dedurre gli elementi da considerazioni prevalentemente "filosofiche", prive di dimostrazione, Lavoisier
diede questa definizione "operativa" di elemento.
8 I metalli costituiscono un esempio di elementi noti all’uomo fin dall’antichità. Curiosamente essi, fino a duecento
anni fa, sono stati considerati composti. Cambiando opportunamente la loro composizione si riteneva infatti che tutti
i metalli potessero essere trasformati in oro. Erano invece ritenuti elementi sostanze composte o miscugli come
acqua, aria e terra (insieme al fuoco che è energia).
9 «Le scienze portavano avanti [nel XIX secolo] quella che credevano essere la loro missione: dissolvere la
complessità delle apparenze per rivelare la semplicità nascosta della realtà.»
E.Morin, La testa ben fatta, p. 93
>Indice 17Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
>Indice
>Indice 18Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
5. La teoria chimica
Leggi e teorie della chimica
Coma abbiamo visto, la chimica è la scienza delle sostanze in qanto descrive le proprietà
e le trasformazioni della materia in base alle caratteristiche delle sostanze che la
compongono. Quindi gli oggetti e gli eventi principali della chimica sono rispettivamente
costituiti dalle sostanze e dalle reazioni. Le caratteristiche di questi oggetti (sostanze) e di
questi eventi (reazioni) sono descritti dalle leggi della chimica. Quindi, le leggi della
chimica sono proposizioni che descrivono quali sono le caratteristiche delle
sostanze e che descrivono come avvengono le reazioni.
Le leggi che abbiamo fino ad ora incontrate sono:
a) La legge di Lavoisier
b) L’identificazione delle sostanze semplici e composte
c) La legge dei rapporti di combinazione in massa ed il reagente limitante.
d) La legge di impossibilità di trasmutazione dei metalli
Il compito di spiegare queste leggi appartiene alla teoria chimica. La teoria chimica,
pertanto, è un insieme di proposizioni che spiegano perché le sostanze hanno certe
caratteristiche e perché le reazioni avvengono in un certo modo. La teoria chimica,
per svolgere il suo compito, ricorre al livello microscopico costituito da atomi, molecole,
ioni10. Le proprietà e le trasformazioni della materia vengono spiegate in base alle
caratteristiche delle molecole delle sostanze che la costituiscono 11.
Teoria chimica elementare
Le proposizioni essenziali che costituiscono la teoria chimica sono:
Le sostanze sono costituite da molecole. Esiste un tipo di molecola per ogni
sostanza (abbiamo visto che ne esistono decine di milioni).
Introduzione alle molecole: la dissoluzione dello zucchero in acqua, la diffusione di un
profumo in una stanza.
Tutte le sostanze e i materiali sono costituiti da particelle (molecole, atomi, …): teoria
particellare della materia. Le proprietà e la preparazione delle bevande possono essere
spiegate con la teoria particellare della materia.
Che cosa succede a livello microscopico quando si prepara una bevanda come il tè?
Sostanze solubili e sostanze insolubili. Una soluzione, a livello microscopico, non è
costituita da particelle tutte uguali tra loro. Essa è una intima mescolanza di molecole di
tipo diverso: un tipo per ogni sostanza presente nella soluzione. (Precisare in seguito la
formazione di ioni se il soluto è un elettrolita).
Le sostanze, a livello microscopico, sono costituite da particelle piccolissime, tutte uguali
tra loro: le molecole. Ogni sostanza ha una molecola caratteristica, diversa da quella delle
10 Si può fornire un primo esempio spiegando perché la densità diminuisce all’aumentare della temperatura
11 L’individuazione del livello macroscopico e di quello microscopico, rispettivamente come livello descritto dai
principi e livello della spiegazione teorica può contribuire alla riduzione della confusione tra questi due livelli,
riscontrata negli studenti anche a livello universitario. (cfr. P. Mirone – Perché la chimica è difficile?. – Cns, n°
3, 1999, pag. 67, (in particolare il paragrafo "I due livelli della chimica")
http://www.didichim.org/download/riviste/1999-3.pdf
>Indice 19Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
altre sostanze. Conosciamo quindi ~15 milioni di tipi di molecole diverse.
Che spiegazione teorica si può dare dell’aumento di volume, e della conseguente
diminuzione di densità, di una sostanza all’aumentare della temperatura?
Le molecole sono a loro volta formate da particelle più piccole: gli atomi. Ogni
molecola è formata da uno o più atomi (legati assieme, quando sono due o
più). Esistono solo ~100 tipi di atomi diversi (elementi).
Gli elementi sono i tipi di atomo
Ogni elemento è contrassegnato da un simbolo costituito da una o due lettere. La prima
lettera è sempre maiuscola, la seconda, se presente, sempre minuscola (per evitare
confusioni, es. tra Co, che indica l'elemento cobalto, e CO, che indica due elementi il
carbonio e l'ossigeno).
Per spiegare l'estrema varietà di molecole che si possono formare da un numero molto
limitato di atomi, possiamo ricorrere all'analogia con le parole di una lingua e le lettere del
suo alfabeto. Così tutti i libri in lingua italiana sono costituiti da vocaboli (centinaia di
migliaia o qualche milione), costituiti a loro volta da sole 26 lettere dell’alfabeto.
Atomi e molecole. Le molecole: le parole della chimica. Gli atomi: le lettere della chimica.
Le parole sono diverse quando differiscono per il tipo, per il numero e per l'ordine delle
lettere. Analogamente le molecole differiscono per il tipo, per il numero e per l'ordine con
cui sono uniti gli atomi che le costituiscono.
Il simbolo di un elemento indica l’elemento stesso (a mo’ di abbreviazione), ma anche un
atomo di quell’elemento.
Scritte del tipo 2H, 5H, …, si usano per indicare più atomi di uno stesso elemento.
Nell'esempio in questione rispettivamente, 2 atomi di idrogeno e 5 atomi di idrogeno.
Scritte del tipo 2H + 5O, si usano per indicare atomi non legati di più elementi.
Nell'esempio: 2 atomi di idrogeno con 5 atomi di ossigeno (tutti “slegati”).
Formule di molecole: H2, O2 e differenze rispetto a 2H e 2O. Le prime due formule indicano
rispettivamente una molecola di biidrogeno e una molecola di biossigeno. La molecola del
biidrogeno è formata da due atomi di idrogeno legati tra loro e, analogamente, la molecola
del biossigeno è formata da due atomi di ossigeno legati tra loro. Per indicare il numero di
atomi legati tra loro per formare una molecola, si usa un numero scritto in basso a destra
del simbolo.
Le sostanze semplici sono caratterizzate da molecole formate da atomi dello
stesso tipo.
Per la teoria chimica, le sostanze semplici sono sostanze la cui molecola è formata da
atomi di uno stesso tipo. Così H2 e O2 rappresentano le formule di due sostanze semplici.
Le sostanze composte sono caratterizzate da molecole formate da atomi di
tipo diverso.
Nomenclatura IUPAC delle sostanze semplici e binarie.
Campioni eterogenei e soluzioni da un punto di vista microscopico. Descrizione
microscopica dei processi di separazione e di purificazione.
Simboli e formule: traduzione a parole, rappresentazione mediante modellini molecolari,
Utilizzare i modellini molecolari durante la spiegazione. A casa gli alunni possono aiutarsi utilizzando i mattoncini
“lego” o simili.
>Indice 20Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
individuazione del numero di molecole e del numero e tipo di atomi di cui le molecole, nel
loro complesso, sono costituite.
Le reazioni e la loro rappresentazione mediante equazioni simboliche. Discussione della
reazione di sintesi dell’acqua.
Le reazioni da un punto di vista microscopico: stessi atomi, diverse molecole. Durante una
trasformazione chimica, numero e tipo di atomi non cambia: cambia il modo in cui
essi sono legati a formare le molecole.
Interpretazione microscopica della legge di Lavoisier. Poiché, durante una
trasformazione chimica, numero e tipo di atomi non cambia, non cambia neanche la
massa totale.
Spiegazione con il livello microscopico della chimica del concetto di reagente limitante.
Perché non è possibile trasformare una sostanza in qualsiasi altra sostanza 12?
Non tutte le reazioni sono possibili, in quanto non è possibile trasformare un tipo di atomo
(elemento) in un altro (trasmutazione).
Riassumendo, per la teoria chimica:
Le sostanze sono costituite da molecole
Le molecole sono costituite da atomi
Gli elementi sono i tipi di atomo
Le sostanze semplici hanno la molecola costituita da atomi di un solo tipo
Le sostanze composte hanno la molecola costituita da due o più tipi di atomo
Le reazioni sono eventi in cui numero e tipo di atomi non cambia, cambia il
modo in cui essi sono legati a formare le molecole.
Approfondimento 1
Densità e struttura particellare della materia. Interpretazione microscopica della dilatazione delle
sostanze all'aumentare della temperatura13.
Bibliografia
A. Tifi, G. Valitutti – L’approccio particellare nella didattica della chimica. – Scuola e città, n° 11, 1993, pagg. 502
– 507.
G. Villani, Due concetti paralleli: molecola e sostanza chimica, Cns, , pag. 19 (n°1 – 1996)
P. Mirone – Perché la chimica è difficile?. – Cns, n° 3, 1999, pag. 67, (in particolare il paragrafo "I due livelli della
chimica") http://www.didichim.org/download/riviste/1999-3.pdf.
C. Longo – Didattica della biologia – La Nuova Italia, 1998, pagg. 41 - 65 (Cap III "Il mondo microscopico:
cellule e molecole").
M. Vicentini, M. Mayer – Didattica della fisica – La Nuova Italia, 1996, pagg. 52 - 53 (Schemi di conoscenza degli
studenti sulla struttura della materia).
Sciarretta, Stilli, Vicentini Missoni - Le rappresentazioni mentali: problema di ricerca ed esempi. In G. Cortini -
Incontrare la scienza - La Nuova Italia, 1990, pagg. 29 - 32 (la struttura della materia).
12 Ad esempio la trasmutazione dei metalli.
13 Per capire la relazione tra densità e struttura microscopica possono essere eseguite le due esperienze indicate da Tifi
- Valitutti: densità delle miscele acqua - acetone rispetto ai due liquidi separati; densità relativa ghiaccio/acqua e
glicerina solida/glicerina liquida.
>Indice 21Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
>Indice
>Indice 22Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
6. Periodicità e classificazione degli elementi
Percorso base
1. Al tempo di Lavoisier erano noti una trentina di elementi (identificati come sostanze
non ulteriormente decomponibili14, cioè sostanze non decomponibili con reazioni di
decomposizione e non ottenibili con reaziooni di sintesi). La maggior parte degli
elementi fu scoperta e studiata nel corso del 1800. Di tutti gli elementi furono studiati i
composti con l’idrogeno e, soprattutto, con l’ossigeno. In base alle loro caratteristiche
furono notate le prime somiglianze ed effettuati tentativi di classificazione, conclusasi
con la formulazione della moderna tavola degli elementi.
2. L’essere acidi o basi costituisce una caratteristica chimica di una sostanza.
o Caratteristiche degli acidi:
Hanno un sapore e un odore aspri.
Sono irritanti per occhi e pelle.
Corrodono i metalli con formazione di idrogeno gassoso.
Decompongono i carbonati e i bicarbonato provocando una effervescenza di
biossido di carbonio.
Neutralizzano l’effetto delle basi.
Colorano di rosso l’indicatore universale
o Caratteristiche delle basi:
Hanno un sapore e un odore amari.
Sono irritanti per occhi e pelle.
Sono scivolose al tatto (saponificano il grasso delle mani).
Neutralizzano l’effetto degli acidi.
Colorano di blu l’indicatore universale
3. Carattere di metallo/non metallo. È una caratteristica fondamentale degli elementi.
Caratteristiche fisiche
o Duttilità e malleabilità
o Buona conducibilità elettrica
o Buona conducibilità termica
o Sonorità metallica
Caratteristiche chimiche
o formazione di ossidi solidi con caratteristiche basiche
4. Una delle caratteristiche chimiche fondamentali degli elementi è la valenza, essa può
14 «Dei 35 elementi noti al tempo di Lavoisier (1787), solo 23 furono poi confermati come tali sulla base di ulteriori
ricerche (fra le sostanze che erano ritenute elementari poiché non si disponeva di mezzi adatti alla loro decomposizione
c’erano, ad esempio, l’allumina, la silice e la calce).»
[F. Olmi, La periodicità, Cns 23 (n° 3 del 1999), pag 90.]
>Indice 23Giuseppe Sciolla – Appunti di Chimica
intendersi in generale come un numero che definisce la capacità di combinazione di un
elemento.
Valenza rispetto all’idrogeno – La valenza di un elemento rispetto all’idrogeno può
essere definita come il numero di atomi di idrogeno che si combinano con un atomo
dell’elemento stesso. All’idrogeno viene assegnata valenza 1, perché un atomo di
idrogeno non si unisce mai a più di un atomo di un altro elemento.
Valenza rispetto all’ossigeno – La valenza dell’ossigeno è sempre uguale a due.
Molti elementi possono presentare diversi valori della valenza rispetto all’ossigeno.
La valenza degli elementi rispetto all’idrogeno e all’ossigeno è funzione periodica del
loro numero atomico.15
5. Carta di identità degli elementi:
Colore, odore, sapore
Luce emessa dagli elementi ad alta temperatura 16
Densità
Temperature di fusione e di ebollizione (stato di aggregazione a temperatura
ambiente)
Calore specifico
Durezza
Solubilità in dato solvente
Valenza rispetto all’ossigeno e caratteristiche chimico-fisiche degli ossidi
Valenza rispetto all’idrogeno e caratteristiche chimico-fisiche degli idruri.
Inerzia/reattività chimica
Caratteristiche metalliche/non metalliche
6. Gli ossidi dei metalli sono generalmente solidi ed hanno caratteristiche basiche. Gli
ossidi dei non metalli sono generalmente gassosi ed hanno caratteristiche acide.
7. Concetto di periodicità17. Qualsiasi fenomeno che si ripete ad intervalli regolari di certi
parametri (il tempo, lo spazio, ecc.) si dice periodico. Ad esempio: eventi periodici
rispetto al tempo (ponendo i fenomeni in ordine di “tempo” si nota che alcuni hanno la
regolarità di ripetersi ad intervalli regolari). Eventi periodici rispetto allo spazio (lampioni
illuminazione, pietre miliari, ecc.). Un fenomeno può essere periodico in funzione di una
grandezza ordinatrice diversa dal tempo o dallo spazio (ad esempio, la massa).
8. Mendeleev conosceva le masse atomiche 18 degli elementi fino ad allora scoperti
(l’argomento masse atomiche verrà ripreso in una unità didattica successiva: per il
momento vanno interpretate come masse in una unità di misura per noi ancora
sconosciuta. Possiamo comunque usarla per confrontare le masse di diversi atomi).
9. Mendeleev (1869) dapprima suddivise gli elementi in gruppi in base alle loro
caratteristiche chimiche e fisiche (alle loro carte di identità), riprendendo e completando
il lavoro di altri scienziati, poi provò a disporre gli elementi in ordine di grandezza degli
atomi19 (masse atomiche), mantenendo la suddivisione in gruppi. Il risultato fu la tavola
15 Sul concetto di valenza, cfr. Fabbri (a cura di), Itinerari di chimica, pp. 49-51. Sulla variazione del carattere acido
degli ossidi di massima valenza, vedi a pag. 53.
16 Vedi esperienza proposta nelle Classroom Activities del Journal of Chemical Education.
17 Cfr. Fabbri (a cura di), … p.52
18 Dare per scontata la massa atomica, rimandando ad un secondo momento la comprensione di questo aspetto
19 «Il concetto di periodicità come ripetizione di proprietà simili degli elementi dopo un certo intervallo regolare,
rispetto ad una grandezza ordinatrice emerse per la prima volta nel lavoro di A.E. Béguin di Chancourtois, nel
>Indice 24Puoi anche leggere
