STATI DI AGGREGAZIONE - PASSAGGI DI STATO - Cap. 2

Scritto da Zeferino Siani. Pubblicato in APPUNTI DI CHIMICA.

Salerno - Mercoledì, 27-04-2019.  

Sommario Cap. 2

Le sostanze si presentano, a temperatura ambiente, in uno dei tre stati della materia, e cioè solido, liquido, e aeriforme (quest’ultimo è poi ulteriormente distinto in gas se la sostanza in esame è aeriforme a temperatura ambiente, es. l’ossigeno, e vapore se non lo è, es. vapor d’ acqua).  
Lo stato di aggregazione della materia (e cioè solido, liquido, o gas) dipende in definitiva dalla disposizione e dalla distanza delle particelle, distanza che è minima  in un solido (in cui le particelle sono vicine tra di loro e sono disposte ai vertici di un reticolo, e quindi soggette a forti forze di attrazione); media per un liquido (in cui le particelle possono scorrere una sull’altra,  e si attraggono meno); e massima per i gas (in cui le particelle sono molto distanti tra loro, e quindi soggette a forze di attrazione minime).

Lo stato di aggregazione della materia dipende molto dalla temperatura, per cui, al crescere di questa, una sostanza che normalmente è liquida a temperatura ambiente come ad esempio l’ acqua nei Paesi con clima moderato, diventa solida con il raffreddamento (ghiaccio, in Siberia), o vapore d’acqua (per evaporazione, nel deserto africano). Vengono quindi presi in esame i passaggi di stato (fusione e solidificazione; vaporizzazione e condensazione; sublimazione e brinamento), che avvengono a temperatura costante (punti fissi di una sostanza, che caratterizzano la sostanza stessa (e possono consentirne talvolta anche il riconoscimento).

Viene poi spiegato la differenza tra sostanza pura e miscuglio, ed inoltre cosa è un sistema, cosa è la fase di un sistema, la distinzione tra sistema omogeneo ed eterogeneo, e come riconoscere le fasi di un sistema (ad esempio, l’aria pura e un sistema monofasico; la nebbia, sistema bifasico; lo smog, sistema trifasico).

Vengono poi  prese in esame le varie tecniche di separazione di un miscuglio, sfruttando la diversità di comportamento dei componenti (grandezza delle particelle per la filtrazione; forza di gravità, per la centrifugazione; solubilità selettiva per l’ estrazione, diversità dei P. Eb. Per la distillazione, e diversa velocità di migrazione per la cromatografia.

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La materia è caratterizzata dalla massa e dal suo stato di aggregazione, che può essere solido, liquido ed aeriforme. 
Le sostanze sono dette comunemente gas  se in condizioni normali (e cioè, a 0 °C e 1 Atm.) sono ancora aeriformi (ad esempio: aria, azoto,  ossigeno, anidride carbonica),  e invece vapori se in condizioni normali sono liquide (ad es, vapor acqueo, vapori di benzina, di naftalina, canfora, ecc.).

Le caratteristiche principali dei tre stati fisici della materia sono le seguenti:

1. i SOLIDI hanno:
   1. volume e forma definita;
   2. densità alta;
   3. dilatazione per effetto del riscaldamento bassa;
   4. effetto per un aumento della pressione quasi nullo;
2. i LIQUIDI hanno:
   1. volume definito ma la forma del recipiente che li contiene;
   2. densità media;
   3. dilatazione termica media; 
   4. piccolissima diminuzione del volume per effetto della pressione;
3. gli AERIFORMI (sia gas che vapori) hanno:
   1. volume e forma del recipiente;
   2. densità bassa;
   3. dilatazione termica alta;
   4. forte diminuzione del volume.

La struttura che la materia assume nei suoi stati di aggregazione dipende soltanto dal modo in cui le particelle sono disposte. 
Precisamente:

1. nello stato solido le particelle sono molto vicine tra di loro, di conseguenza sono soggette a forze reciproche attrattive molto alte, e quindi hanno una disposizione ordinata e compatta, detta reticolo, in cui occupano posizioni fisse; ed è per tale motivo (esistenza di un reticolo rigido) che un solido ha forma e volume proprio, ed è incomprimibile.
2. nello stato liquido le particelle sono ancora abbastanza vicine, ma meno che nello stato solido, le forze attrattive sono perciò minori, e quindi le particelle possono scorrere le une sulle altre; ed è per tale motivo che un liquido non ha una propria forma, ma assume la forma del recipiente che lo contiene; la densità di una sostanza allo stato liquido è minore della densità della stessa sostanza allo stato solido.
3. infine, nello stato aeriforme le particelle sono molto distanti tra di loro e quindi le forze attrattive sono molto deboli; di conseguenza le particelle sono libere di muoversi in tutte le direzioni, in uno stato di estremo disordine, occupando l' intero volume a loro disposizione; la densità di una sostanza allo stato aeriforme è minore della densità della stessa sostanza allo stato liquido.

 In definitiva, lo stato di aggregazione della materia è determinato dalle forze attrattive tra le particelle, che sono alte per i solidi, medie per i liquidi e basse per i gas. Vedremo che, a loro volta, le forze attrattive tra le particelle sono influenzate dalla loro temperatura.
In definitiva, il CALORE (e la conseguente TEMPERATURA) è il responsabile dei passaggi di stato di una sostanza, come appunto vedremo in dettaglio nel prossimo paragrafo.

 PASSAGGI DI STATO.

La materia, se sottoposta a variazione di temperatura e pressione, subisce una trasformazione da uno stato fisico ad un altro, chiamato passaggio di stato; tale trasformazione è  fisica e non chimica, perché non viene alterata la composizione della sostanza, ma solo il modo in cui sono legate le particelle.
Quando un corpo è riscaldato, l'energia delle particelle aumenta fino a superare le forze di coesione, determinando il passaggio di stato; viceversa, raffreddandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno più sentire le forze di coesione.
Per quanto riguarda la pressione, un suo aumento favorisce il passaggio da vapore a liquido e da liquido a solido, perché si ha l'avvicinamento delle particelle e quindi l'aumento delle forze di coesione. Al contrario, una diminuzione di pressione favorisce i passaggi di stato opposti: fusione, vaporizzazione, sublimazione.
La tabella riassume i diversi passaggi di stato.

Tutti i passaggi di stato (rappresentati nella figura) avvengono a temperatura costante. 
Il calore richiesto per il passaggio di stato a temperatura costante e' detto calore latente, detto così proprio perché la temperatura resta costante nonostante si somministri calore  (latente significa appunto "nascosto", proprio per significare che il calore sembra sparire, mentre invece noi sappiamo che serve ad allontanare le molecole che passano - ad esempio nella distillazione -  dalla fase liquida alla fase vapore ). Anche quando si  sottrae calore  (come avviene nella solidificazione, condensazione, brinamento), la temperatura rimane costante per tutto il passaggio di stato.

PASSAGGI DI STATO E PUNTI FISSI DI UNA SOSTANZA.

Se somministriamo calore a dei cubetti di ghiaccio, osserviamo che essi prima passano allo stato liquido, e poi, continuando a somministrare calore, tutto il liquido passa allo stato di vapore. La spiegazione è la seguente: la somministrazione di calore alla sostanza  non trasforma la natura delle particelle della sostanza ma solo il loro stato di aggregazione. Riscaldando del ghiaccio, la temperatura del ghiaccio aumenta, e di conseguenza le sue particelle vibrano sempre di più, fino a quando, ad una certa temperatura,  si ha la fusione, che avviene sempre alla stessa temperatura (temperatura costante di fusione, che per l' acqua è a 0 °C, alla pressione di 1 Atm); tale temperatura è detta PUNTO FISSO di fusione, appunto perché resta costante per tutto il tempo della fusione, e cioè da quando compare la prima goccia di acqua fino a quando scompare l' ultima particella di ghiaccio.
Continuando a scaldare il liquido ottenuto, la temperatura del liquido aumenta (prima 30 °C, poi 50 °C, poi 90 °C, 99 °C ... fino a quando,  a 100 °C la temperatura resta costante su tale valore fino a quando l' ultima goccia di liquido non si è trasformata in vapore. 
Ciò si spiega allo stesso modo visto nella fusione: la somministrazione di calore al liquido (nel nostro caso, acqua) non trasforma la natura delle particelle del liquido acqua, ma solo il loro stato di aggregazione. Riscaldando il liquido acqua, la sua temperatura aumenta, e di conseguenza le particelle di acqua allo stato liquido vibrano sempre di più, fino a quando, ad una certa temperatura,  si ha l' ebollizione, che avviene sempre alla stessa temperatura (temperatura costante di ebollizione, che per l' acqua è a 100 °C, alla pressione di 1 Atm; tale temperatura è detta PUNTO FISSO di ebollizione, appunto perché resta costante per tutto il tempo dell' ebollizione, e cioè da quando compare la prima goccia di acqua fino a quando scompare l' ultima particella di ghiaccio. Ogni sostanza ha i suoi punti fissi, a seconda della natura della sostanza. Per tale motivo, talvolta si è pervenuti al riconoscimento di una sostanza sconosciuta sottoponendola ai passaggi di stato e determinando i suoi punti fissi, e risalendo poi da questi al nome della sostanza.  

SISTEMA. 
Si definisce sistema una certa porzione di materia che è oggetto di studio,  di cui cioè  vogliamo esaminare il comportamento fisico o chimico (il resto della materia circostante è definito ambiente).

FASE 
Si definisce fase una porzione di materia, delimitata da superfici nette, che possiede in ogni punto le stesse proprietà (per esempio, stato di aggregazione, calore, densità, ecc.); quindi, all'inverso, possiamo dire che se una porzione di materia presenta le stesse caratteristiche in ogni suo punto, quella porzione di materia costituisce una fase.

SISTEMA OMOGENEO E SISTEMA ETEROGENEO 
Un sistema formato da una sola fase omogenea, è un sistema omogeneo. Ma una porzione di materia può anche essere formata da più fasi omogenee, per cui le sue caratteristiche non sono ovunque le stesse: in tal caso costituisce un sistema è eterogeneo.

SOSTANZA PURA E MISCUGLI.
Una sostanza pura è un sistema omogeneodi composizione definita e costante, caratterizzato da proprietà chimico-fisiche specifiche. 
L' acqua chimicamente pura, ottenuta per distillazione, è caratterizzata da costanti fisiche e chimiche ben definite; ad esempio, fonde (punto di fusione)  a 0°C e bolle (punto di ebollizione) a 100°C, alla pressione costante di 1 Atm. Ovviamente, l' acqua pura esiste solo nei laboratori, ed è introvabile in natura!

I miscugli sono formati da miscele di due o più sostanze pure. 
Un miscuglio è omogeneo se presenta le stesse proprietà in ogni suo punto (le soluzioni). Esempi di miscugli omogenei: acqua minerale, acqua salata, acqua zuccherata, aria, nebbia, le leghe metalliche, come bronzo (lega di rame e stagno) e ottone (lega di rame e zinco).
Ovviamente i miscugli non hanno punti fissi , ma intervalli di temperatura di ebollizione, di temperatura di fusione, di solidificazione, ecc.
Un miscuglio è invece eterogeneo quando la sua composizione non è uniforme in tutte le sue parti, e quindi è formato da più fasi (esempi di miscugli eterogenei: cemento, latte, olio e acqua dopo sbattimento, fumi).

TECNICHE DI SEPARAZIONE DEI MISCUGLI

Filtrazione:

Per filtrazione si intende la tecnica di separazione che permette di separare due sostanze, una allo stato solido e l' altra allo stato liquido. 
Come attrezzatura occorre un sostegno a treppiede con asta ed anello, un becker, una bacchetta di vetro, un imbuto, e carta da filtro.
Dopo aver montato gli strumenti dell' attrezzatura come in figura, in un becker vuoto e pulito si mettono un paio di cucchiaini di sabbia, si aggiungono poi circa 30 ml di acqua, e si mescola il tutto. Il risultato è un miscuglio eterogeneo in cui la sabbia si è quasi tutta depositata sul fondo e l’acqua sovrastante non è del tutto limpida, ed appare di un color leggermente grigio. 
Si lascia depositare per decantazione la sabbia su fondo: conviene aspettare che la decantazione sia completa, in modo da avere poi una filtrazione più rapida ed efficiente.
Quando l' acqua sovrastante la sabbia appare nel becker del tutto limpida, si versa piano piano prima quasi tutto il liquido sovrastante la sabbia, poi si mescola il liquido restante con la sabbia mediante una bacchettina, e poi si porta il tutto sul filtro aiutandosi con una spruzzetta d' acqua. Una filtrazione eseguita in tal modo è qualitativamente e quantitativamente perfetta.

Centrifugazione.

La centrifugazione è un metodo di separazione che avviene mediante la forza centrifuga, maggiore di quella gravitazionale (decantazione)  
La forza centrifuga fa in modo di separare in un miscuglio eterogeneo le componenti tramite differenze di densità anche minime, dato che la forza a cui la miscela è sottoposta è notevolmente maggiore a quella di gravità terrestre. La separazione tramite questo processo avviene esclusivamente tramite processo fisico e con miscugli solido-liquidi o liquidi-liquidi (soluto-solvente).
La centrifugazione avviene mediante la macchina centrifuga, che è un’apparecchiatura da laboratorio dalla struttura e dal concetto di funzionamento alquanto simile a quello di una comune lavatrice. 
La centrifuga funziona a circa 5000 giri al minuto per pochi secondi, ciò basta per comprendere quanto sia breve questo processo in confronto all’omologo di decantazione. Infatti dopo il processo, le fasi saranno distinte in modo così preciso da poter utilizzare la pipetta Pasteur.
Al termine del tempo previsto per il processo, le provette tornano automaticamente a una posizione verticale. Un esempio di centrifugazione è senz’altro la separazione del plasma dal sangue.
La forza centrifuga garantisce la riuscita del processo. Questa si genera in moti circolari uniformi (rotazione della centrifuga) ed è una forza vettoriale che verte sempre in opposizione al centro della circonferenza (perno), pertanto la sostanza più densa si separerà dall’intera soluzione. È il motivo per cui le provette sono poste inclinate.

Estrazione.

L' estrazione con solventi è una tecnica che viene usata solitamente per separare da una miscela acquosa un soluto, purché poco solubile in acqua.  A tal fine si sceglie un solvente insolubile in acqua, ma capace di sciogliere il soluto. La miscela acquosa ed il solvente vengono agitati assieme in un imbuto separatore e successivamente lasciati in riposo per breve tempo (o meglio, per il tempo necessario alla formazione dei due strati).
Si ottengono due strati:

• lo strato superiore (a minore densità) è costituita dal solvente in cui è disciolta la maggior parte del prodotto;
• lo strato inferiore (a maggiore densità) formata dalla miscela acquosa, da cui il solvente ha estratto il prodotto.

L' imbuto separatore viene fissato ad un apposito sostegno per imbuti separatori, ed il rubinetto viene leggermente aperto.
La miscela acquosa viene raccolta all' interno di un contenitore posto sotto l' imbuto separatore.
Una volta raccolto tutto il liquido più denso, si chiude il rubinetto e si procede alla raccolta della soluzione contenente il solvente più il prodotto. La suddetta operazione viene ripetuta più volte. Alla fine si aggiunge un disidratante (solfato di sodio anidro) per togliere le ultime tracce di acqua, si filtra e si distilla.

 Distillazione:

La distillazione consente di separare i componenti di una soluzione sfruttando la loro diversa volatilità.
La distillazione semplice è una tecnica usata per separare il solvente dai soluti in esso disciolti. La separazione è accettabile, ma non completa, con una  differenza dei punti di ebollizione dei componenti di almeno 25 °C. La separazione è invece praticamente completa con una differenza dei punti di ebollizione dei componenti di 60 ° - 70 °C. 
Il miscuglio va inserito nel pallone al massimo per due terzi del suo volume, meglio se fino a metà, e si aggiungono piccole sferette di pomice sul fondo, per avere una distillazione regolare, senza sobbalzi del pallone durante l' ebollizione del liquido al suo interno (l' aria trattenuta nei pori dei granuli di pomice si libera sotto forma di bollicine gassose durante l' ebollizione, evitando i sobbalzi del liquido dovuti alla liberazione improvvisa di sensibili quantità di vapore). Il pallone di distillazione è chiuso da un tappo forato di gomma in cui è inserito un termometro, il cui bulbo è investito dalla corrente dei vapori; infatti, il bulbo del termometro si trova nella parte alta del collo del pallone, proprio all' altezza dell' ingresso del refrigerante nella parte . In questo modo è possibile determinare la temperatura dei vapori che salgono abbandonando la fase liquida, e che è uguale alla temperatura di ebollizione del liquido.

Cromatografia:

La cromatografia è un metodo di separazione di miscele anche complesse di sostanze.
Abbiamo tre tecniche di cromatografia: 1) cromatografia su colonna; 2) cromatografia su carta; 3) cromatografia su strato sottile.

1) cromatografia su colonna.

La cromatografia su colonna utilizza una colonna di vetro riempita della fase stazionaria, formata da granuli di allumina, o silice, o carbone attivo, a seconda della natura della miscela da esaminare, e munita di un rubinetto su fondo.
 L’ esecuzione è molto semplice (vedi figura): Si fissa la colonna ad un sostegno, e si preparano dei piccoli recipienti per la raccolta delle frazioni. 
Anzitutto, si introduce in alto la miscela delle sostanze da separare. Poi si versa gradualmente il solvente selettivo, detto anche eluente o fase mobile. Supponiamo ora che la miscela è formata da tre componenti: A più solubile, B mediamente solubile, e C il meno solubile nel solvente selettivo. Avremo quindi che A migra verso il basso più velocemente di B, e quest’ ultimo più velocemente di C, e quindi abbiamo una separazione. Fatto ciò, si estrae dalla colonna lo fase stazionaria, e le zone colorate, prelevate separatamente, vengono messe a distillare con ciascuna con un adatto solvente in piccoli apparecchi di distillazione. I residui delle tre distillazioni separate sono poi analizzati e classificati. 

2) cromatografia su carta.

Dentro una vaschetta viene messo un solvente fino all’ altezza di 1 cm.
Sulla base corta di un foglio di carta rettangolare per cromatografia, a una distanza di circa 2 cm. dal bordo, viene messa con una pipetta una o due gocce della miscela in esame. Poi il foglio viene posto nella vaschetta in modo da fare immergere solo l’estremità inferiore dove abbiamo messo la goccia.
In tal modo il solvente sale per capillarità trascinando i componenti della miscela, che però, muovendosi con velocità diverse, si separano tra di loro.
Quando il solvente arriva in cima al foglio, togliamo il foglio di carta dalla vaschetta, facciamo svaporare il solvente esponendo il foglio ad una corrente di aria calda. Se i componenti sono colorati, avremo macchie colorate. Se una macchia o più macchie non sono colorate spruzziamo su di esse delle speciali sostanze che le rendono colorate. Alla fine si procede all’ analisi delle macchie colorate utilizzando opportuni mezzi di analisi.

3) cromatografia su strato sottile.

La cromatografia su strato sottile è una tecnica di separazione molto simile a quella su carta. Cambia solo il supporto (o fase stazionaria), che è formato da una lamina rettangolare di alluminio ricoperto di un sottile strato di silice o allumina. Per il resto, è tutto uguale alla cromatografia su carta.

Trasformazioni fisiche e chimiche.

Si definiscono trasformazioni  fisiche della materia quelle trasformazioni che provocano soltanto un cambiamento fisico della materia stessa senza alterarne le sue proprietà specifiche; le trasformazioni fisiche sono trasformazioni temporanee, perché cessano al cessare della causa che le ha prodotte.
Esempi: sono trasformazioni fisiche tutti i passaggi di stato, che sono reversibili (ghiaccio <-> acqua <-> vapore, e cioè si passa da ghiaccio a vapore riscaldando, e si ritorna a ghiaccio raffreddando). 
Altri esempi: riscaldamento e successivo raffreddamento di una sbarretta di ferro; la liquefazione della cera con il riscaldamento, ed il riottenimento della cera solida con il raffreddamento; ecc.

Si definisce trasformazione chimica ( o semplicemente, reazione) qualunque trasformazione irreversibile durante la quale la materia trasforma profondamente e definitivamente la sua composizione.
Esempi: tutte le reazioni di combustione; l' arrugginimento del ferro; il carbonato di rame, polvere verde, riscaldata diventa nero ed emette un gas incolore (anidride carbonica); raffreddando questa polvere nera non si riottiene la polvere verde; ecc.  
Per rappresentare sinteticamente (e cioè, per schematizzare) una reazione chimica, noi scriviamo:

reagenti ---> prodotti

Abbiamo tre tipi di reazione:

A + B -> C + D 
(A e B reagiscono dando due nuove sostanze C e D)

A + B -> C  
(reazione di sintesi)

 AB -> A + B 
(reazione di decomposizione)

Infine si prendono in esame le differenze che estono tra fenomeno fisico e fenomeno chimico (reazion chimica).

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