Trasformazioni Fisiche e Chimiche - LM85-bis Scienze della formazione primaria - Elementi di Chimica
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LM85-bis
Scienze della formazione primaria
Trasformazioni
Fisiche e Chimiche
Prof. Federico Teloni
Elementi di Chimica
A. A. 2018-2019
Concetto di Trasformazione
Il concetto di TRASFORMAZIONE è trasversale a tutta l’area scientifica.
Spesso nelle scuole elementari e medie inferiori
si pone troppo l’attenzione sulla catalogazione e
suddivisione delle trasformazioni in diverse
categorie (chimica, fisica, biologica, ecc.)
In tutti i libri di chimica nella scuola secondaria di
primo e secondo grado, viene proposta, all’inizio
del testo, la DISTINZIONE tra:
trasformazione fisica trasformazione chimica
Trasformazioni Alle trasformazioni fisiche vengono in genere attribuite le caratteristiche di non modificare la composizione del sistema, di non modificare le sostanze e le molecole che costituiscono il sistema, di essere reversibili. Es.: -fusione del ghiaccio -ebollizione dell’acqua -formazione della brina -fusione di metalli e formazione di leghe
Trasformazioni -formazione di miscele omogenee (sale/acqua, zucchero/acqua) -formazione di miscele eterogenee (es. zolfo e ferro) La separazione dei componenti può avvenire con procedimenti fisici. Alle trasformazioni chimiche vengono invece attribuite le caratteristiche di modificare la composizione del sistema, di modificare le sostanze e le molecole che costituiscono il sistema, di essere irreversibili.
Reversibilità e Irreversibilità -viraggio di colore di un indicatore -macinatura di cereali per farne farina -rottura di un bicchiere di vetro Si può affermare che le sostanze nei sistemi esaminati restano immutate? Si può affermare che la trasformazione fisica è sempre reversibile?
Analisi Concetto Trasformazione Se, attraverso due osservazioni successive condotte su un sistema, viene evidenziata una qualsiasi variazione, allora nel sistema in esame è avvenuta una TRASFORMAZIONE. IMPORTANTE: • Si deve prendere in considerazione qualsiasi tipo di trasformazione del sistema, anche il semplice “spostamento” di un oggetto al suo interno. • L’osservazione non può riguardare solo la “morfologia”. Il sistema può anche essere rimasto identico da un punto di vista “fotografico”: basta però, ad esempio, che ci sia stata una variazione di temperatura.* *Questo concetto di trasformazione è comunque riferito al livello di concettualizzazione macroscopico; a livello molecolare, due osservazioni successive evidenziano sempre una trasformazione, a meno di non trovarci alla T di 0 K.
Identità delle Sostanze Le trasformazioni fisiche riguardano lo stato fisico di una sostanza ma lasciano inalterata l’identità della sostanza. Cosa contribuisce a costituire l’identità di una sostanza a livello macroscopico? Una sostanza, qualunque sia la sua provenienza o il modo in cui è stata preparata, presenta sempre le stesse proprietà fisiche e chimiche: ➢ha una composizione definita e costante, ➢a T e P ambiente, si presenta in un certo stato fisico; ➢ha una determinata densità; ➢fonde e bolle a temperature ben definite; ➢ha una certa durezza e solubilità; ecc. In una trasformazione fisica, le sostanze NON restano immutate: fondono, sublimano, evaporano, condensano, solidificano, si dissolvono in opportuni solventi; le sostanze allo stato solido possono essere frammentate e rese granulari e pulverulenti, ecc. In una trasformazione fisica restano però inalterate alcune proprietà fondamentali e la composizione chimica.
Concetto di Trasformazione
Nel primo ciclo di istruzione è “opportuno” iniziare facendo
riferimento al concetto di trasformazione “senza etichette”,
fissando l’attenzione non solo sul “prima” e sul “dopo” ma
anche sul “durante”
Prima
Osservazione del sistema: Durante
Dopo
reversibile o irreversibile
Osservazione della con o senza scambio di calore
conservazione della massa
trasformazione:
variazione di proprietà dei materiali
variazione della composizione del sistema
Concetto di Trasformazione
Solo successivamente si possono attuare graduali tentativi di
identificazione e separazione tra trasformazioni FISICHE e CHIMICHE
Trasformazioni fisiche: nelle quali è assolutamente chiaro che non
sono avvenute modificazioni nella composizione delle sostanze.
Trasformazioni chimiche: nelle quali la composizione delle sostanze
subisce una modificazione evidente, non dovuta esclusivamente a
cambiamenti di stato fisico o formazione di miscele omogenee.
Durante una reazione chimica,
le sostanze reagenti vengono
convertite in nuove sostanze
Trasformazioni Chimiche
Le trasformazioni chimiche, caratterizzate dalla NON conservazione della sostanza
in esame, debbono essere presentare in primo luogo a livello di fenomeno, e solo
successivamente per distinguere le sostanze.
Trasformazioni chimiche:
fenomeni macroscopici
Trasformazioni chimiche:
distinzione di sostanze in base
alle loro proprietà e alla loro
reattività chimicaTrasformazioni Chimiche
Nel primo ciclo si può iniziare ad introdurre, in modo
graduale, la distinzione tra differenti sostanze chimiche in
base al comportamento chimico-fenomenologico:
Trasformazioni chimiche:
distinzione di sostanze in base
alla loro reattività chimica
Raggruppare le diverse sostanze in gruppi di
grande rilevanza in chimica:
Combustibili, metalli, acidi, basi, saliCasi Ambigui Vi sono comunque trasformazioni sulle quali non è facile pronunciarsi in modo netto ed univoco Cioè esse presentano qualche caratteristica “chimica” e qualche caratteristica “fisica” e per le quali è inutile cercare una attribuzione completamente soddisfacente (es. formazione di soluzioni di sali ed elettroliti)
Procedura Operativa Una procedura operativa utile nell’operare la distinzione tra trasformazioni fisiche e chimiche è quindi basata sulla possibilità di assegnare una identità alle sostanze in base a criteri esclusivamente empirici facendo riferimento a grandezze misurabili sperimentalmente. Nelle trasformazioni fisiche l’IDENTITÀ delle sostanze viene conservata, mentre nelle trasformazioni chimiche si verifica una DISCONTINUITÀ, poiché le sostanze prodotte hanno identità diversa da quella delle sostanze reagenti. Questo criterio è efficiente ed efficace anche a livello microscopico atomico molecolare: a conservare la propria identità in una trasformazione fisica sono gli atomi e le molecole, mentre in una trasformazione chimica gli atomi conservano la propria identità, ma le molecole la perdono. La distinzione tra trasformazione fisica e chimica pienamente è giustificata sia a livello macroscopico sia a livello microscopico atomico/molecolare.
Conclusioni Invece a livello nucleo/elettronico, in cui entrano in gioco i legami covalenti, elettrostatici, intramolecolari e intermolecolari, in molti casi la distinzione non sarà più possibile. Questo però non è un paradosso per la scienza, né un trauma per lo studente purché quest’ultimo sia stato educato in modo adeguato dal punto di vista epistemologico. Questo significa che dovrebbe essere formato all’uso dei modelli, di cui dovrebbe conoscere le potenzialità ed i limiti.
Trasformazioni Chimiche
Quando i reagenti vengono convertiti in prodotti
possiamo osservare:
– Variazione di colore
– Formazione di Precipitato
– Evoluzione di Gas
– Assorbimento di calore (reazioni endotermiche)
– Evoluzione di calore (reazioni esotermiche)Evidenza di Trasformazioni Chimiche
Cambiamento di Colore
Emissione di Luce
Formazione di un Gas
Formazione di un Precipitato Solido Rilascio o Assorbimento di Calore
A volte, per essere assolutamente sicuri che sia avvenuta una reazione chimica,
è però necessario scendere al livello molecolare ed analizzare le strutture e la
composizione delle sostanze all’inizio e alla fine della trasformazioneEquazioni Chimiche
Esiste un modo abbreviato che utilizza simbolismi per rappresentare una
reazione chimica: l’EQUAZIONE CHIMICA.
monossido di azoto + ossigeno → biossido di azoto
Step 1: scrivere la reazione usando i simboli chimici.
NO + O2 → NO2
Step 2: bilanciare l’equazione chimica con opportuni coefficienti
davanti alle formule dei composti.
2 NO + 1 O2 → 2 NO2
Vi sono molti tipi di reazioni chimiche, che possiamo etichettare in modi
differenti, ad esempio:
a) Reazioni di Combinazione
b) Reazioni di Decomposizione
c) Reazioni di CombustioneReazioni di Combinazione
• Nelle reazioni di combinazione due o più sostanze
reagiscono a formare un prodotto.
• Esempi:
– 2Mg(s) + O2(g) ⎯⎯→ 2MgO(s)
H H – N2(g) + 3H2(g) ⎯⎯→ 2NH3(g) B r
H H
C H C H
– C3H6(g) + Br2(l) ⎯⎯→ C3H6Br2(l)
H H
C C C C
H B r
H H H
p ro p -1 -e n e 1 ,2 - d ib r o m o p r o p a n oReazioni di Decomposizione
• In una reazione di decomposizione una sostanza decompone
dividendosi in due o più sostanze.
• Esempi:
– CaCO3(s) ⎯⎯→ CaO(s) + CO2(g)
– 2KClO3(s) ⎯⎯→ 2KCl(s) + O2(g)
– 2NaN3(s) ⎯⎯→ 2Na(s) + 3N2(g)Reazioni di Combustione
Avvengono tra il combustibile ed il comburente
(generalmente l’ossigeno dell’aria).
• Le reazioni di combustione
sono generalmente reazioni
rapide che producono una
fiamma e calore
• Le reazioni di combustione
spesso coinvolgono
idrocarburi che reagiscono
con l’ossigeno dell’aria.Reazioni in Soluzione Sono reazioni chimiche che avvengono in una soluzione liquida: • stretto contatto tra atomi, ioni e molecole necessario a produrre la reazione. • Solvente, generalmente in soluzione acquosa (aq). • Soluto, una sostanza disciolta nel solvente. Anche le reazioni chimiche che avvengono in una soluzione liquida (come l’acqua) possiamo etichettarle in vari modi, in funzione di un parametro che attiene al livello macroscopico o a quello microscopico: • Reazioni di Precipitazione • Reazioni acido-base • Reazioni di complessazione • Reazioni di ossidoriduzione
Reazioni di Precipitazione
• Ioni solubili possono combinarsi e formare composti
insolubili.
• Si forma un precipitato.
• Ad esempio è un test per la presenza di ioni ioduro in acqua.
Ag+(aq) + I-(aq) → AgI(s)
+
AgNO3(aq) NaI(aq) AgI(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)Reazioni tra acidi e basi • Latino acidus (aspro) – Sapore aspro Svante Arrhenius • Arabo al-qali (ceneri di certe piante) – Sapore amaro • Svante Arrhenius (1884) teoria Acido-Base.
Sostanze Acide Gli acidi rilasciano ioni H+ in soluzione acquosa • Acidi forti completamente ionizzati: HCl(aq) H+(aq) + Cl-(aq) • Acidi deboli → ionizzazione non completa: CH3CO2H(aq) H+(aq) + CH3CO2-(aq)
Sostanze Basiche
Le basi rilasciano ioni OH- in soluzione acquosa
• Basi forti:
H2 O
NaOH(aq) Na+(aq) + OH-(aq)
• Basi deboli:
NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)Riconoscimento di Acidi e Basi • Gli Acidi hanno atomi di idrogeno ionizzabili. acido acetico CH3COOH • Le Basi hanno ioni OH- (gruppo ossidrile) combinati con uno ione metallico. potassio idrossido KOH o possono produrre ioni OH- in soluzione acquosa: sodio carbonato Na2CO3 Na2CO3(s) + H2O(l)→ HCO3-(aq) + 2 Na+(aq) + OH-(aq)
Acidi e Basi Comuni
Trasferimento del Protone Processo di trasferimento protonico dall’acido alla base:
Altre Reazioni Acido-Base
• Latte di magnesia Mg(OH)2
Mg(OH)2(s) + 2 H+(aq) → Mg2+(aq) + 2 H2O(l)
Mg(OH)2(s) + 2 CH3CO2H(aq) →
Mg2+(aq) + 2 CH3CO2-(aq) + 2 H2O(l)
Usato come antiacidoAltre Reazioni Acido-Base
• Calcare e Marmo.
CaCO3(s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + H2CO3(aq)
ma: H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(g) si sviluppa gas CO2
CaCO3(s) + 2 H+(aq) → Ca2+(aq) + H2O(l) + CO2(g)Altre Reazioni con Sviluppo di Gas Sono reazioni acido-base in cui è presente uno degli ioni sotto riportati, i quali reagiscono con H+ o OH- con formazione di prodotti gassosi:
Reazioni di Ossido-Riduzione Una ossidazione avviene quando un atomo o ione perde elettroni. Una riduzione avviene quando un atomo o ione acquista elettroni. L’una NON può avvenire senza l’altra.
Reazioni di Ossido-Riduzione
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
Reazione rappresentata da due semi-reazioni:
Ossidazione: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-
Riduzione: Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)
TOTALE: Cu2+(aq) + Zn(s) → Cu(s) + Zn2+(aq)Reazioni di Ossido-Riduzione
2Ag+(aq) + Cu(s) → 2Ag(s) + Cu2+(aq)
Reazione rappresentata da due
semi-reazioni:
Ossidazione: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e-
Riduzione: 2 Ag+(aq) + 2 e- → 2 Ag(s)
TOTALE: Cu(s) + 2 Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2 Ag(s)Reazioni di Combinazione redox Le reazioni di combinazione di sostanze elementari a formare composti ionici sono anch’esse reazioni di ossidoriduzione.
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