ISTRUZIONI PER GLI ALLIEVI È di estrema importanza che ogni allievo abbia compilato ciascuna scheda nella sequenza proposta per ciascun modulo. Chi è stato presente alle lezione ha sicuramente i propri appunti riportati su ciascuna scheda. Chi non ha potuto, per qualsiasi ragione, partecipare alle lezione deve prima compilare le schede di riferimento e poi consultare le note sintetiche di riferimento. Le note vanno lette tenendo conto che servono a chiarire ed esplicitare lo scopo di ciascuna scheda o attività e quindi schede e note vanno esaminate insieme..

PROPRIETÀ MACROSCOPICHE DELLA MATERIA

STATI FISICI

• La materia è tutto ciò che ci circonda e di cui si ha percezione sensibile.

• La materia può esistere in tre stati di aggregazione fondamentali: solido, liquido, gassoso.

• Un corpo è una porzione di materia. Schede 01, 02, 03 La forma e il volume di un corpo

• la forma di un corpo è definita dal suo contorno, ossia l'insieme delle superfici e delle

linee che delimitano un corpo; • il volume di un corpo è determinato dalla quantità di spazio occupata da un corpo cioè

dalla quantità di spazio delimitata dalla sua forma.

Il volume è una grandezza misurabile. La sua unità di misura, nel sistema internazionale, è il m3 e i sottomultipli: dm3, cm3 e mm3. Tutti gli strumenti di misura hanno una portata minima e massima ed una sensibilità. La portata minima è la più piccola misura che riescono ad effettuare. La portata massima è la misura più grande che riescono ad effettuare. La sensibilità è determinata dalle caratteristiche dello strumento. In un comune righello la portata minima è zero, la massima portata la si legge alla estremità del righello stesso e la sensibilità generalmente è di 1 mm. In un cilindro graduato la portata minima è rappresentata dalla prima tacca leggibile a partire dal fondo e la portata massima è rappresentata dalla prima tacca leggibile a partire dall’alto. La sensibilità è rappresentata dall’intervallo tra due tacche successive. I cilindri possono usare come unità di misura della capacità anche il ml cioè la millesima parte di un litro. Si ricorda

31 l 1 dm↔ e quindi 31 ml 1 cm↔ e quindi essendo

3 31 dm = 1000 cm 31 l 1000 cm↔

1) Il volume dei solidi di forma irregolare può essere misurato per immersione in un cilindro graduato o in altro contenitore, riempito d’acqua.

2) Il volume dei solidi di forma regolare(cubo, parallelepipedo, sfera, ecc) può essere ricavato mediante formula matematica, dopo averne misurato i lati o il diametro con un righello millimetrato o un calibro.

Scheda 4 Spostando un pezzo di ferro o una pietra da un recipiente ad un altro non si modifica ne la loro forma e ne il loro volume. Il pezzo di ferro o la pietra: − hanno sempre la stessa forma anche se li sposto da un posto all'altro (hanno una forma ben

definita); − occupano una quantità di spazio che è sempre la stessa(hanno un volume ben definito); Generalizzando un corpo che ha queste caratteristiche: 1) HA UNA FORMA BEN DEFINITA; 2) OCCUPA UNA QUANTITÀ DI SPAZIO BEN DEFINITA; è un corpo Solido Scheda 5 Spostando un po’ d’acqua o di alcol da un recipiente ad un altro non si modifica il loro volume ma essi assumono la forma del recipiente che li contiene. Generalizzando un corpo che ha queste caratteristiche: 1) NON HA UNA FORMA BEN DEFINITA; 2) OCCUPA UNA QUANTITÀ DI SPAZIO BEN DEFINITA; è un corpo Liquido Scheda 6 L’aria è un corpo che non si vede ma si fa notare. Un bicchiere “vuoto”, ma che contiene aria, se capovolto in un recipiente più grande che contiene acqua non si riempie. L’aria : − occupa un volume (del recipiente che la contiene) − assume la forma (del recipiente che la contiene) Scheda 7 La quantità di aria contenuta in un recipiente si determina con la bilancia. La quantità di un corpo qualsiasi è rappresentata dalla quantità di materia che costituisce il corpo stesso (massa del corpo) da non confondere con il peso di un corpo che è tutt’altra cosa. La massa di un corpo si misura con la bilancia e la sua unità di misura nel sistema internazionale è il kg e suoi sotto multipli. Per recipiente vuoto da questo momento in poi intendiamo un recipiente dove non è presente materia quindi nemmeno l’aria. Scheda 8 Se si collega un recipiente pieno di aria con un recipiente vuoto, l’aria si distribuisce in tutti e due i recipienti assumendo la forma complessiva di tutti e due i recipienti ed il volume complessivo di tutti due i recipienti. La stessa cosa avviene se al posto dell’aria mettiamo nel recipiente del metano.

L’aria o il metano: − assumono la forma del recipiente che li contiene (non hanno una forma ben definita); − occupano una quantità di spazio corrispondente alla capacità del recipiente che li contiene

(non hanno un volume ben definito); Generalizzando un corpo che ha queste caratteristiche: 1) NON HA FORMA DEFINITA in quanto assume quella del recipiente che lo contiene; 2) NON OCCUPA UNO SPAZIO DEFINITO, ma si disperde in tutto lo spazio a sua

disposizione. è un corpo gassoso o aeriforme Scheda 10 Si aspira un po’ d’aria in una siringa. Con un dito si tappa bene il foro di uscita e si spinge con forza il pistone; il volume occupato dall’aria si riduce di molto. La comprimibilità di un corpo si riferisce alla possibilità di ridurre il suo volume quando sottoposto ad una azione esterna. L’aria è molto comprimibile I gas o aeriformi sono molto comprimibili Scheda 11 Se in una siringa si mette un pezzo di ferro e si spinge con forza il pistone, il volume occupato dal ferro non si riduce per niente. Il ferro o i solidi in generale non sono comprimibili Scheda 12 Si aspira un po’ d’acqua in una siringa. Con un dito si tappa bene il foro di uscita e si spinge con forza il pistone, il volume occupato dall’acqua non si riduce. L’acqua o i liquidi in generale non sono comprimibili Riepilogando: LA MATERIA PUÒ ESISTERE ALLO STATO SOLIDO, ALLO STATO LIQUIDO, ALLO STATO GASSSOSO (AERIFORME) I CORPI SOLIDI HANNO LE SEGUENTI PROPRIETA':

- HANNO UNA FORMA BEN DEFINITA; - OCCUPANO UNA QUANTITA' DI SPAZIO BEN DEFINITO; - NON SONO COMPRIMIBILI.

I CORPI LIQUIDI HANNO LE SEGUENTI PROPRIETA':

- NON HANNO UNA FORMA BEN DEFINITA; - OCCUPANO UNA QUANTITA' DI SPAZIO BEN DEFINITO; - NON SONO COMPRIMIBILI.

I CORPI GASSOSI:

- SONO MOLTO COMPRIMIBILI - NON HANNO FORMA DEFINITA in quanto assumono quella del recipiente che li

contiene; - NON OCCUPANO UNO SPAZIO DEFINITO, ma si disperdono in tutto lo spazio

che hanno disposizione. Scheda 14 CLASSIFICARE I CORPI SOLIDI. I solidi granulari, in polvere, fibrosi o spugnosi se costituiti da un insieme di pezzetti o di fibre di un determinato materiale possono nel loro insieme non avere una forma ben definita ed un volume bel definito. In questo caso le caratteristiche dei solidi sono da ricercare nel singolo granello, nella singola fibra o nel singolo pezzetto di spugna. È cioè il singolo granello, la singola fibra o il singolo pezzetto di spugna che ha le caratteristiche dei solidi. Scheda 14b CLASSIFICARE I CORPI LIQUIDI. I liquidi possono avere un aspetto molto diverso. L’olio, l’acqua, il mercurio, la lava fusa, la maionese si presentono in modo completamente diverso. Tutti hanno la caratteristica di scorrere su un piano inclinato con velocità diverse. La difficoltà a scorrere dei liquidi viene definita come viscosità di un liquido da non confondere con la densità che è la misura della quantità di materia contenuta nell’unità di volume. Riepilogando

• I corpi solidi hanno forma ben definita, occupano uno spazio ben definito e non sono comprimibili, possono presentarsi in forma compatta, granulare, polverulenta o fibrosa a seconda del grado e del tipo di suddivisione.

• I corpi liquidi occupano uno spazio ben definito, non hanno forma ben definita, ma

assumono quella del recipiente che li contiene, non sono comprimibili. Possono scorrere più o meno facilmente cioè possono essere più o meno viscosi.

• I corpi gassosi non occupano uno spazio ben definito, non hanno forma ben definita ma

occupano tutto lo spazio a disposizione e sono molto comprimibili.

COSTRUZIONE DEL MODELLO PARTICELLARE

Scheda 1 Quando spingiamo forte il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il pistone si abbassa Tutto questo perché i corpi gassosi:

- sono molto comprimibili - non hanno forma definita in quanto assumono quella del recipiente che li contiene; - non occupano uno spazio definito, ma si disperdono in tutto lo spazio messo a loro

disposizione: - in una siringa chiusa la quantità di gas (la massa) non cambia

Scheda 2 Visto che un gas è generalmente incolore vi è la necessità di avviare le attività di modellizzazione per interpretare il fenomeno della compressione di un gas Si può raffigurare un gas puro come costituito da un insieme di particelle molto piccole: Tali particelle hanno le seguenti proprietà: • UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, E’ INDIVISIBILE • UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA • UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI • UNA PARTICELLA HA SEMPRE LA STESSA QUANTITA’ DI MATERIA Quando spingiamo forte il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il pistone si abbassa. Si dice allora che il gas che si trova nel cilindro viene compresso. A B C Dal momento che ci troviamo di fronte ad un gas puro, viene usato un solo tipo di simbolo della cui scelta però, è completamente libero ciascun allievo. Ugualmente non significativo è il numero delle particelle disegnate. Gli aspetti significativi sono: a) il numero di particelle prima e dopo la compressione deve mantenersi uguale (conservazione

della quantità di materia); b) a seguito della prima compressione il volume diminuisce. Per interpretare questo

comportamento macroscopico si ammette che, prima della compressione, le particelle non siano a contatto e che, dopo la compressione, esse siano più vicine di quanto non lo fossero prima.

c) a seguito della seconda compressione il volume diminuisce ulteriormente e le particelle siano ancora più vicine ma non a contatto.

Tutto questo perché: Livello Macroscopico

Livello Microscopico

stesso gas un solo tipo di particelle stessa massa di gas stesso numero di particelle diminuzione notevole di volume

particelle si avvicinano, perché esistono fra di loro spazi molto più grandi delle loro dimensioni

Dato che la diminuzione di volume è notevole, appare logico ammettere che nel gas gli spazi tra le particelle siano molto più grandi di queste ultime. Fra una particella e l’altra vi è spazio vuoto privo di materia. Scheda 3 Abbiamo due contenitori, separati da un diaframma. In un contenitore è contenuto il gas puro A, nell’altro si trova il gas puro B. Quando togliamo il diaframma i due gas si mescolano. Se si vuole interpretare l'occupazione di tutto il volume a disposizione da parte di entrambi i gas, tenendo presenti gli assiomi iniziali, si deve ammettere che le particelle non siano vincolate, ma libere di muoversi e il loro movimento sia continuo e caotico. In conclusione:

Livello Macroscopico

Livello Microscopico

due gas due tipi di particelle i gas si mescolano le particelle non sono vincolate tra di loro,

sono libere di muoversi e in continuo movimento caotico

Rappresentazione dei due gas prima di togliere il diaframma Rappresentazione dei due gas dopo aver tolto il diaframma Scheda 4 Si sa che l’aria è una miscela di gas. I due gas più abbondanti sono l’azoto e l’ossigeno. La percentuale di AZOTO nell’aria è: 80% La percentuale di OSSIGENO nell’aria è: 20% Nella rappresentazione dell’aria devono essere rispettate tutte le condizioni per la rappresentazione di due gas puri mescolati fra loro, rispettando la proporzione delle particelle: ogni 100 particelle di aria 80 sono di azoto e 20 di ossigeno. Così possono essere rappresentate 20 particelle 16 di azoto e 4 di ossigeno:

Azoto Ossigeno

Scheda 5.01 Si riscalda con un fornello (per un tempo limitato) un pallone di vetro contenente aria e collegato ad una siringa munita di stantuffo a tenuta. Con il progredire del riscaldamento, l’aria contenuta nel pallone si scalda spinge lo stantuffo della siringa occupando anche il volume della siringa. Questo avviene a prescindere della posizione di partenza dell’insieme pallone-siringa che può essere rivolto rispetto alla piastra verso l’alto, verso il basso o anche orizzontale. Si ha:

Livello Macroscopico

Livello Microscopico

il volume del gas è aumentato

le particelle sono più lontane di prima

Lo stantuffo della siringa si muove

le particelle in movimento urtano le pareti del pallone, della siringa e dello stantuffo facendolo muovere

Nota bene 1. La temperatura di un gas è una grandezza macroscopica collegata con il movimento delle

particelle del gas stesso. Aumentando la velocità delle particelle aumenta la temperatura del gas. Diminuendo la velocità delle particelle diminuisce la temperatura del gas. La temperatura si misura con il termometro e l’unità di misura è il grado centigrado (°C) oppure nel sistema internazionale il Kelvin (K). Se si raffredda un gas fino a far fermare del tutto le sue particelle la temperatura raggiunge il valore minimo (lo zero assoluto che vale 0 K e corrisponde a -273,14 °C)

2. Anche la pressione che un gas esercita sulle pareti è collegata alla velocità delle particelle. La pressione che un gas esercita è determinata dal numero di urti sull’unità di superficie nell’unità di tempo. La pressione si misura nel sistema internazionale in Pascal (Pa)

Scheda 5.04 I due esperimenti proposti nella scheda fanno comprendere che le particelle di aria urtano sia contro le pareti della siringa e dello stantuffo sia all’interno che all’esterno dei medesimi. Il movimento o lo star fermo dello stantuffo dipende solo dal prevalere della pressione interna o della pressione esterna dell’aria. A conclusione di tutte queste schede possiamo affermare che si può rappresentare un gas come costituito da un insieme di particelle molto piccole e tali particelle hanno le seguenti proprietà: 1) UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2) UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, É INDEFORMABILE 3) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI MATERIA 5) UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO GASSOSO PURO 6) UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO GASSOSO PURO 7) TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO VI SONO SPAZI VUOTI MOLTO

GRANDI RISPETTO ALLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE 8) LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO NON SONO STIPATE TRA LORO E

QUINDI NON SONO VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9) LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO SONO LIBERE DI MUOVERSI E

SPOSTARSI 10) LE PARTICELLE DI UN CORPO GASSOSO SONO DISPOSTE IN MODO

DISORDINATO

Scheda 6 Dilatazione di una sfera di ferro (piena) per effetto del riscaldamento. Il fatto che la sfera di ferro con il riscaldamento ed il raffreddamento conserva la forma sferica pur continuando a conservare la caratteristica di essere non comprimibile a caldo ed a freddo suggerisce un diverso comportamento delle particelle che la costituiscono. 1) Le particelle di un solido sono vincolate le une alle altre, non sono libere di muoversi

(spostarsi) ma possono liberamente vibrare o oscillare le une rispetto alle altre. 2) Le particelle di un solido sono disposte in modo ordinato nello spazio in modo da conservare

la stessa forma. 3) Le particelle di un solido sono disposte in modo stipato ed una distanza piccola rispetto alle

dimensioni delle particelle stesse. A conclusione di questa scheda possiamo affermare che si può rappresentare un solido come costituito da un insieme di particelle molto piccole e tali particelle hanno le seguenti proprietà: 1) UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2) UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, É INDEFORMABILE 3) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI MATERIA 5) UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO SOLIDO PURO 6) UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO SOLIDO PURO 7) TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO VI SONO PICCOLI SPAZI VUOTI,

MOLTO PICCOLI RISPETTO ALLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE 8) LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO SONO STIPATE TRA LORO E QUINDI

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9) LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO NON SONO LIBERE DI SPOSTARSI MA

POSSONO OSCILLARE LE UNE RISPETTO ALLE ALTRE 10) LE PARTICELLE DI UN CORPO SOLIDO SONO DISPOSTE IN MODO ORDINATO Nota Bene: La temperatura di un solido è una grandezza macroscopica collegata con i movimenti oscillatori delle particelle del solido stesso. Aumentando la velocità di oscillazione delle particelle, aumenta la temperatura del solido. Diminuendo la velocità di oscillazione delle particelle diminuisce la temperatura del solido. Se si raffredda un solido fino a far fermare del tutto le sue particelle la temperatura raggiunge il valore minimo (lo zero assoluto che vale 0 K e corrisponde a -273,14 °C) Scheda 8 Quando si mette dell’acqua calda in una bottiglia riempiendola completamente, si noterà che quando l’acqua si raffredda la stessa diminuisce di volume, pur continuando a conservare la caratteristica di essere non comprimibile a caldo ed a freddo. Questo suggerisce un diverso comportamento delle particelle che la costituiscono rispetto sia al comportamento dei gas che dei solidi. In ogni casa l’acqua sia calda che fredda prende la forma del recipiente che la contiene. Nota Bene: La temperatura di un liquido è una grandezza macroscopica collegata con il movimento delle particelle del liquido stesso. Aumentando la velocità delle particelle aumenta la temperatura del liquido. Diminuendo la velocità delle particelle diminuisce la temperatura del liquido. Scheda 10 Per provare che le particelle di acqua si muovano in continuazione scorrendo le une rispetto alle altre senza allontanarsi troppo perché reciprocamente vincolate si può realizzare l’esperimento della scheda 10. Un solido colorato o un liquido colorato viene posto con cautela in acqua calda e fredda. Si noterà che dopo qualche tempo tutto il liquido si è colorato, questo perché le particelle dell’acqua trascinano le particelle del solido o del liquido colorato dappertutto.

A conclusione di queste schede possiamo affermare che si può rappresentare un liquido come costituito da un insieme di particelle molto piccole e tali particelle hanno le seguenti proprietà: 1) UNA PARTICELLA NON SI PUÒ DIVIDERE, È INDIVISIBILE 2) UNA PARTICELLA NON PUÒ CAMBIARE FORMA, É INDEFORMABILE 3) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LE STESSE DIMENSIONI 4) UNA PARTICELLA HA SEMPRE LA STESSA QUANTITÀ DI MATERIA 5) UN SOLO TIPO DI PARTICELLA INDIVIDUA UN CORPO LIQUIDO PURO 6) UN DETERMINATO NUMERO DI PARTICELLE DELLO STESSO TIPO EQUIVALE

SEMPRE ALLA STESSA QUANTITÀ DI UN CORPO LIQUIDO PURO 7) TRA LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO VI SONO PICCOLI SPAZI VUOTI,

MOLTO PICCOLI RISPETTO ALLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE 8) LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO STIPATE TRA LORO MA POCO

VINCOLATE LE UNE ALLE ALTRE 9) LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO LIBERE DI SCORRERE LE UNE

RISPETTO ALLE ALTRE 10) LE PARTICELLE DI UN CORPO LIQUIDO SONO DISPOSTE IN MODO

DISORDINATO

PASSAGGI DI STATO DELLA MATERIA A CONCLUSIONE DI TUTTE LE ATTIVITÀ DEL MODULO IL SINGOLO ALLIEVO:

1) SA INTERPRETARE IL COMPORTAMENTO MACROSCOPICO DI UN SOLIDO CHE SUBLIMA ATTRAVERSO UNA COERENTE MODELLIZZAZIONE MICROSCOPICA.

2) SA INTERPRETARE IL COMPORTAMENTO MACROSCOPICO DI UN LIQUIDO CHE EVAPORA ATTRAVERSO UNA COERENTE MODELLIZZAZIONE MICROSCOPICA.

3) SA INTERPRETARE IL COMPORTAMENTO MACROSCOPICO DI UN LIQUIDO IN EBOLLIZIONE ATTRAVERSO UNA COERENTE MODELLIZZAZIONE MICROSCOPICA.

4) SA INTERPRETARE IL COMPORTAMENTO MACROSCOPICO DI UN SOLIDO CHE FONDE O UN LIQUIDO CHE SOLIDIFICA ATTRAVERSO UNA COERENTE MODELLIZZAZIONE MICROSCOPICA.

5) SA RIPORTARE I DATI (TEMPO E TEMPERATURA) RICAVATI IN UN PASSAGGIO DI STATO IN FORMA GRAFICA.

6) SA RICONOSCERE I PUNTI CARATTERISTICI (SOSTA TERMICA) IN UN GRAFICO CHE RAPPRESENTA IL PASSAGGIO DI STATO DI UNA SOSTANZA PURA.

7) SA RICONOSCERE L’AZIONE DELLA PRESSIONE SULLA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE. Scheda 10.1 La naftalina passa con facilità, a temperatura ambiente, dallo stato solido allo stato gassoso: sublima. Ciò avviene sia in presenza di aria che in assenza di aria. Questo passaggio di stato trae origine dai vincoli fra le particelle allo stato solido e coinvolge le particelle sulla superficie del solido. Alcune di queste particelle riescono a vincere i vincoli e muovendosi liberamente si dispongono nello spazio intorno alla naftalina solida. 1. Se la naftalina è posta in un recipiente aperto le particelle si disperdono nello spazio

circostante e dopo un po’ di tempo tutta la naftalina si trasforma in gas. 2. Se la naftalina è posta in un recipiente chiuso le particelle non si disperdono nello spazio

circostante e dopo un po’ di tempo alcune particelle gassose (quelle più lente) riescono a ritornare allo stato solido. In questo caso solo una piccola parte della naftalina si trasforma in gas. Nel recipiente chiuso macroscopicamente sembra che nulla accada, nella realtà microscopica le particelle passano continuamente da solido a gas e viceversa. Il numero di particelle che passano da solido a gas è lo stesso di quelle che passano da gas a solido. Si è raggiunto un equilibrio dinamico fra solido e gas.

Rappresentazione della naftalina dopo che una porzione è passata allo stato gassoso Scheda 10.2 Anche lo iodio passa con facilità dallo stato solido allo stato gassoso: sublima. Con un leggero riscaldamento del recipiente è possibile notare che il recipiente si colora di viola. Anche in questo caso il fenomeno trae origine dai vincoli fra le particelle allo stato solido e coinvolge le particelle sulla superficie dell’iodio solido. Alcune di queste particelle riescono a vincere i vincoli e muovendosi liberamente si dispongono nello spazio intorno al solido. 3. Se lo iodio è posto in un recipiente aperto le particelle si disperdono nello spazio circostante

e dopo un po’ di tempo tutto lo iodio si trasforma in gas. 4. Se lo iodio è posto in un recipiente chiuso le particelle non si disperdono nello spazio

circostante e dopo un po’ di tempo alcune particelle gassose (quelle più lente) riescono a ritornare allo stato solido. In questo caso solo una piccola parte dello iodio si trasforma in gas. Nel recipiente chiuso macroscopicamente sembra che nulla accada, nella realtà

microscopica le particelle passano continuamente da solido a gas e viceversa. Il numero di particelle che passano da solido a gas e lo stesso di quelle che passano da gas a solido. Anche in questo caso si è raggiunto un equilibrio dinamico fra solido e gas.

Rappresentazione dello iodio dopo che una porzione é passata allo stato gassoso Scheda 10.3 Lo iodio sublima sia in presenza di aria che in assenza di aria. Le particelle dell’aria ostacolano il passaggio dal solido a gas. Il passaggio dello iodio da solido a gas avviene molto più velocemente se lo stesso sublima nel vuoto. È la natura dei vincoli fra le particelle del solido che determina il fenomeno. Scheda 10.4 L’acetone passa con facilità, a temperatura ambiente, dallo stato liquido allo stato gassoso: evapora. Ciò avviene sia in presenza di aria che in assenza di aria. Questo passaggio di stato trae origine dai vincoli fra le particelle allo stato liquido e coinvolge le particelle sulla superficie del liquido. Alcune di queste particelle riescono a vincere i vincoli e movendosi liberamente si dispongono nello spazio intorno all’acetone liquido. Rappresentazione dell’acetone liquido dopo che una porzione é passata allo stato gassoso Scheda 10.5 Se si scalda leggermente l’acetone esso evapora più velocemente. Infatti le particelle dell’acetone caldo si muovano più velocemente ed alcune di queste particelle riescono a vincere i vincoli e movendosi liberamente e più velocemente si dispongono nello spazio intorno all’acetone (liquido) caldo. Scheda 10.6 Questa scheda mette a confronto l’evaporazione di liquidi di differente natura. Dimostrando che l’acetone evapora più velocemente dell’alcol e questo a sua volta più velocemente dall’acqua. Sono i vincoli fra le particelle di un corpo allo stato liquido che determinano la facilità con cui un liquido evapora. In conclusione; L'evaporazione è la vaporizzazione che interessa solo gli strati superficiali del liquido e avviene a qualsiasi temperatura. Ciò significa che tutti i liquidi, lasciati liberi all'aria, passano allo stato aeriforme indipendentemente dalla temperatura ambientale. I liquidi che evaporano più rapidamente si dicono volatili (etere, cloroformio, …).

Evaporazione nel vuoto Se si fa entrare un po' di etere in un contenitore vuoto cioè privo aria, si osserva che l'etere entrato nel contenitore evapora quasi istantaneamente e se con un manometro si legge il valore della pressione questa risulta diversa da zero. Continuando a far entrare etere, la pressione segnata dal manometro continua a salire. Ad un certo punto si nota che l'etere che si aggiunge non evapora più, ma rimane allo stato liquido, mentre il valore della pressione indicata dal manometro non aumenta più. In questa situazione si dice che l'etere liquido e il vapore di etere hanno raggiunto l'equilibrio dinamico. Si dice anche che lo spazio all'interno del contenitore è saturo di etere. La pressione che in questa situazione di equilibrio il vapore esercita sul liquido viene detta tensione massima di vapore o anche pressione del vapore saturo. La pressione di vapore saturo è diversa a seconda del liquido che si considera. Ecco alcuni valori della pressione di vapore saturo misurati alla temperatura di 20°C:

liquido pressione del vapore saturo (espressa in kPa)

Mercurio 0,16 Acqua 2,34 Alcol etilico 5,38 Etere 58,7

Riscaldando il contenitore che contiene il liquido sotto esame, si potrebbe studiare sperimentalmente se e come cambiano i valori della pressione di vapore saturo al variare della temperatura. Gli scienziati hanno eseguito questo studio (con una apparecchiatura idonea) ed hanno riscontrato che per tutti i liquidi la pressione del vapore saturo aumenta all'aumentare della temperatura. Nelle tabelle seguenti sono riportati i valori che gli scienziati hanno misurato per l'acqua e il benzene liquido: Acqua Temperatura (°C)

pressione del vapore saturo (kPa)

0 0,598 25 3,092 50 12,916 100 101,325

Benzene Temperatura (°C)

pressione del vapore saturo (kPa)

0 3,507 25 12,211 50 35,203 100 176,664

Possiamo dare all’evaporazione sotto vuoto una interpretazione microscopica. Le particelle del liquido si muovono a velocità diverse, alcune più lentamente, altre più velocemente. Le particelle dotate di energia sufficiente per superare le forze che le legano alle altre particelle, fuggiranno dalla superficie del liquido e passeranno nel vuoto. Urtando contro le pareti del contenitore, daranno origine alla pressione (misurata dal manometro). Ma alcune delle particelle della fase gassosa, muovendosi in tutte le direzioni, potranno anche venire nuovamente catturate dalla superficie del liquido.

A mano a mano che l'evaporazione continua, si determina la condizione in cui il numero di particelle che ogni secondo abbandonano il liquido uguaglia esattamente il numero di particelle che vi rientrano: è a questo punto che diciamo che il liquido ha raggiunto l'equilibrio con il suo vapore. La pressione esercitata dalle particelle di vapore contro le pareti in questa situazione di equilibrio è quella che è stata definita pressione di vapore saturo. Si noti che aumentando la temperatura del liquido aumenta anche l'energia media delle sue particelle e ve ne saranno, quindi, di più che avranno energia sufficiente per lasciare il liquido. Pertanto aumenterà anche la pressione che esse eserciteranno contro le pareti. Notiamo infine che la maggiore o minore intensità delle forze attrattive esistenti tra le particelle di liquido influenza tutto il fenomeno. Ad esempio, le particelle di liquidi caratterizzati da forze attrattive intense faranno più fatica ad abbandonare il liquido, per cui ad una data temperatura saranno in numero minore le particelle di quel liquido che lasciano la superficie e la corrispondente pressione di vapore saturo sarà minore. Evaporazione in atmosfera limitata Questo tipo di evaporazione si ha in un ambiente chiuso nel quale è presente aria. etere liquido

aria In questa situazione il manometro inizialmente non segna zero, ma il valore della pressione atmosferica, ossia 101,325 kPa. Facendo entrare gocce di etere liquido si osservano gli stessi fenomeni che si osservavano nel caso del vuoto, ossia: il liquido evapora (ma più lentamente che non nel vuoto); il manometro segnala un aumento della pressione all'interno del contenitore; quando la pressione raggiunge un determinato valore massimo, l'etere liquido non evapora più, ma si deposita sul fondo; siamo anche in questo caso in condizioni di vapore saturo. aria + vapore di etere etere liquido Anche i valori della pressione di vapore saturo sono gli stessi di quelli dell'evaporazione nel vuoto.

Questo significa che, se la pressione di vapore saturo nel caso dell'evaporazione nel vuoto vale 58,7 kPa per l'etere a 20°C, nel caso dell'evaporazione dell'etere in atmosfera limitata la pressione alla saturazione vale 160,025 kPa (ossia 101,325 + 58,7). Inoltre anche in questo caso la pressione di vapore saturo dipende dal liquido considerato e aumenta con la temperatura. In conclusione: le leggi dell'evaporazione in atmosfera limitata sono le stesse di quelle dell'evaporazione nel vuoto, l'unica differenza consiste nel fatto che ora l'evaporazione avviene più lentamente. Anche all’evaporazione in atmosfera limitata possiamo dare una interpretazione microscopica.

In questo caso all'interno del contenitore sono presenti anche le particelle d'aria (che, per semplicità, abbiamo rappresentato tutte uguali e di colore scuro). Queste particelle ostacolano le particelle del liquido che tendono ad abbandonare la sua superficie e, quindi, rallentano il fenomeno dell'evaporazione. Ma contemporaneamente ostacolano anche il rientro delle particelle del gas nella superficie del liquido. L'effetto complessivo è quello di un rallentamento di tutto il fenomeno, senza tuttavia che vi sia una variazione nei valori finali (ossia all'equilibrio verrà raggiunta la stessa pressione di vapore saturo; occorrerà solo attendere più tempo prima che la situazione si realizzi). NOTA BENE. La pressione sulle pareti del contenitore è data dagli urti di tutte le particelle presenti. La pressione dovuta alle sole particelle di vapore è una pressione parziale. La pressione di vapore saturo si riferisce solo a questa pressione parziale, mentre la pressione totale all'interno del contenitore è data dalla somma della pressione esercitata dal vapore saturo e di quella esercitata dall'aria preesistente.

Evaporazione in atmosfera illimitata Si ha nel caso di un contenitore aperto nel quale un liquido viene lasciato evaporare all'aria libera.

In questo caso il livello del liquido diminuisce lentamente fino a quando tutto il liquido è evaporato.

liquido

aria

Le particelle di liquido che passa alla fase aeriforme si disperdono nell'aria circostante. In altre parole, non si raggiunge mai la condizione di saturazione e l'evaporazione prosegue fino a quando tutto il liquido è diventato vapore. Il liquido evapora completamente, qualunque sia la sua temperatura. NOTA BENE Nel caso dell'acqua, l'aria circostante contiene di per sé vapore acqueo. La quantità di vapore acqueo presente nell'aria (umidità) dipende dalle condizioni atmosferiche. L'aria circostante potrebbe essere già satura di vapore acqueo e in tal caso l'acqua nel contenitore non evapora più (siamo anzi nelle condizioni in cui si hanno le precipitazioni atmosferiche). La rapidità con cui un liquido evapora all'aria libera: - dipende dal liquido considerato; - aumenta all'aumentare della temperatura del liquido; - diminuisce all'aumentare della pressione atmosferica; - dipende dall'agitazione dell'aria circostante (presenza di correnti d'aria); - aumenta all'aumentare della superficie libera del liquido.

Scheda 11 e 11.1 Si scalda in un recipiente aperto riempito a metà di acqua. Si agita continuamente e con un termometro immerso nell’acqua si legge ad intervalli di tempo regolari (ad esempio ogni minuto) il valore della temperatura e si riporta in una apposita tabella. Si osserva attentamente ciò che succede nell’acqua. Queste sono le osservazioni più frequenti: - Inizialmente la temperatura sale; - Inizialmente si liberano minutissime bolle che successivamente scompaiono - Le pareti del recipiente si appannarono di vapor d’acqua - Dopo un po’ di tempo compaiono nel liquido delle grosse bolle che si formano in tutti i

punti del liquido stesso. In queste condizioni la temperatura non sale e non scende più, rimanendo fissa.

Questi sono i dati raccolti in una delle tante esperienze fatte in classe Tempo (min)

Temperatura (°C)

0 351 382 413 444 455 496 527 558 599 62

10 6611 6912 7213 7514 7715 7916 8217 8518 8819 9120 9321 9522 9723 9824 9925 9926 99

Il grafico corrispondente ricavato con Excel

Riscaldamento acqua

0369

121518212427303336394245485154576063666972757881848790939699

102105

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Tempo in minuti

Tem

pera

tura

in°C

In conclusione L'ebollizione è la vaporizzazione rapida e tumultuosa, con la presenza di bolle in tutto il volume del liquido e che avviene a una ben determinata temperatura. Sperimentalmente si osserva che:

- la temperatura di ebollizione è diversa da un liquido all'altro; - durante l'ebollizione la temperatura non cambia; - aumentando/diminuendo la pressione esterna che agisce sul liquido, anche la

temperatura di ebollizione aumenta/diminuisce. Inoltre, sempre l'esperienza dimostra che l'evaporazione si trasforma in ebollizione quando la pressione esterna che agisce sul liquido eguaglia la pressione di vapore saturo a quella data temperatura.

Il modello particellare dei liquidi ci consente di interpretare l'ebollizione cioè la formazione tumultuosa di bolle. Prendiamo in considerazione una bolla che si sta formando immediatamente sotto la superficie del liquido. Dentro di essa sono presenti le particelle del vapore derivanti dalla vaporizzazione del liquido, che bombardano le pareti della bolla e tendono a estenderle. Nello stesso tempo sulla superficie del liquido agisce la pressione esterna, la cui spinta si trasmette ugualmente in tutte le direzioni nella massa liquida e tende ad annullare il volume della bolla. Se la pressione esterna è superiore alla tensione di vapore del liquido la bolla effettivamente si annulla. Se invece la pressione interna alla bolla, dovuta alla tensione di vapore del liquido a quella temperatura, è lievissimamente più elevata della pressione esterna, la bolla aumenta di volume e si porta verso la superficie, dove esplode. La formazione di bolle è caratteristica del processo di ebollizione.

Tensione di vapore

Particella più veloce

Pressione esterna

Il punto di ebollizione di un liquido è la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido uguaglia la pressione esterna. Facciamo un esempio. La pressione atmosferica normalmente vale 101,325 kPa.

- La pressione di vapore saturo dell'acqua vale esattamente 101,325 kPa solo quando la temperatura dell'acqua è di 100°C

- La pressione di vapore saturo dell'etere vale esattamente 101,325 kPa solo quando la temperatura dell'etere è di 35°C

- La pressione di vapore saturo dell'alcol etilico vale esattamente 101,325 kPa solo quando la temperatura dell'alcol etilico è di 78°C

Sperimentalmente si osserva che l'acqua bolle proprio a 100°C, l'etere a 35°C e l'alcol etilico a 78°C!!! Se la pressione atmosferica dovesse cambiare, cambierebbe corrispondentemente anche la temperatura di ebollizione dei liquidi. Ad esempio, a 1000m di altezza la pressione atmosferica vale 89,6 kPa. La pressione di vapore saturo dell'acqua vale 89,6 kPa solo quando la temperatura dell'acqua è di 96°C. Quindi a 1000m di altezza l'acqua bolle a 96°C. Il punto di ebollizione ordinario o normale di un liquido si definisce come la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido vale esattamente 101,325 kPa.

Scheda 12 e 12.1 Si mette dell’acqua in un bicchiere. Si introduce un provettone (contenente la naftalina solida) nell’acqua. Si scalda fino a quando la sostanza solida non è diventata completamente liquida. Si introduce un termometro nel centro della sostanza liquida, in modo che non tocchi le pareti del provettone. Si estrae il provettone e quindi ogni trenta secondi (t) si legge la temperatura (T) sul termometro. Nella seguente tabella sono riportati i dati ricavati nel riscaldamento e nel raffreddamento della naftalina Temp

o (min)

Riscald. Temp. (°C)

Raffred. Temp. (°C)

0 35 97 1 38 94 2 41 90 3 44 85 4 45 80 5 49 80 6 52 80 7 55 79 8 59 78 9 62 77

10 66 75 11 69 72 12 72 69 13 75 66 14 77 62 15 78 59 16 79 55 17 80 52 18 80 49 19 80 45 20 85 44 21 90 41 22 94 38 23 97 35

Il grafico corrispondente è ricavato con Excel Fusione e solidificazione della naftalina

0369

121518212427303336394245485154576063666972757881848790939699

102

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Tempo in minuti

Tem

pera

tura

in°C

Conclusioni: Riscaldando un solido puro, la sua temperatura in una prima fase tende a salire fino a quando il solido non comincia a trasformasi in liquido: fusione. Fino a quando coesistono solido e liquido la temperatura dei due rimane fissa: temperatura di fusione. Se si continua a scaldare il liquido così ottenuto la sua temperatura ricomincia a salire. Raffreddando un liquido puro, la sua temperatura in una prima fase tende a scendere fino a quando il liquido non comincia a trasformasi in solido: solidificazione. Fino a quando coesistono solido e liquido la temperatura dei due rimane fissa: temperatura di solidificazione. Se si continua a raffreddare il solido così ottenuto la sua temperatura ricomincia a scendere fino a raggiungere la temperatura ambiente. La temperatura di fusione e di solidificazione coincidono per la stessa sostanza. A livello microscopico: Un solido fonde quando le sue particelle oscillano e vibrano così tanto che possono vincere i vincoli che le tengono insieme e quindi possono scorrere liberamente. Al contrario un liquido solidifica quando le sue particelle rallentano a tal punto da rimanere le une vincolate alle altre.

Rappresentazione di un solido che sta fondendo o di un liquido che sta solidificando:

MISCELE E SOSTANZE: ASPETTI EMPIRICI ED INTERPRETAZIONE

PARTICELLARE Attività 01

In questa attività si prendono in considerazione vari corpi, alcuni costituiti da unica sostanza e

altri da più sostanze, allo scopo di arrivare a definire il concetto di sostanza pura a livello

macroscopico e a livello microscopico.

Nella tabella sotto riportata sono riepilogate le caratteristiche macroscopiche e microscopiche dei

corpi in generale:

Livello Macroscopico Livello Microscopico

Corpo costituito da

Temperatura di fusione

Temperatura di ebollizione

unica sostanza unica unica un solo tipo di

particelle

più sostanze un intervallo un intervallo diversi tipi di particelle

Così per i corpi presi in considerazione nell’attività n°1 si può riassumere:

Livello Macroscopico Livello Microscopico

Tipo di corpo Corpo costituito da

Temperatura di fusione

Temperatura di ebollizione

Acciaio Ferro e carbonio un intervallo un intervallo Particelle di

ferro e carbonio Acqua

distillata Acqua 0 ° C 100° C Particelle di acqua

Ferro Ferro 1536° C 3000 ° C Particelle di ferro

Acqua di mare

Acqua , cloruro di

sodio, altre sostanze

un intervallo un intervallo

Particelle dell’acqua, del

cloruro di sodio, delle altre

sostanze sciolte

Ossigeno Ossigeno -218,4° C -183 ° C Particelle di ossigeno

Aria Azoto,

ossigeno e altre sostanze

un intervallo un intervallo

Particelle di azoto, di

ossigeno e di altre sostanze

Biossido di carbonio

Biossido di carbonio unica unica

Particelle di biossido di carbonio

Zucchero Zucchero unica Si decompone prima di bollire

Particelle di zucchero

Latte

Acqua , grassi,

proteine, zuccheri

un intervallo un intervallo

Particelle dell’acqua, dei grassi, delle

proteine e degli zuccheri

Attività 2 Ha lo scopo di osservare le caratteristiche dei corpi assegnati:

Nome Stato fisico

Colore Odore Numero dei corpi ottenuti

Altre osservazioni

A Acqua Liquido Incolore Inodore Unico

B Ferro Solido Grigio Di metallo Unico Si presenta sotto forma di limatura

C Etanolo Liquido Incolore Medicina Unico

D Solfato di bario Solido Bianco inodore Unico Si presenta sotto forma di polvere finissima

E Zolfo Solido Giallo Di zolfo Unico Si presenta sotto forma di polvere finissima

F Esano Liquido Incolore petrolio Unico

G Cloruro di sodio Solido trasparente inodore Unico Si presenta sotto forma di piccoli granelli

H Zucchero Solido trasparente inodore Unico Si presenta sotto forma di piccoli granelli

I Bicromato di potassio Solido Arancio inodore Unico Si presenta sotto forma di piccoli granelli

Attività 3 Ha lo scopo di osservare e descrivere le proprietà fisiche dei CORPI che si ottengono mettendo insieme i corpi: A, B, C, D, E, F, G, H, I seguendo lo schema della sottostante tabella:

Nome Stato fisico

Colore Odore Numero dei corpi ottenuti

Altre osservazioni

A+G Miscela omogenea liquido incolore nessuno unico Non è possibile distinguere l’acqua dal cloruro di

sodio

B+E Miscela eterogenea solido Griggio e giallo Di zolfo due Si distinguono i granelli di ferro dalla polvere dello

zolfo

A+F Miscela eterogenea liquido incolore Di petrolio Due

È possibile distinguere due corpi liquidi separati da una interfaccia. L’esano, meno denso, si dispone

sopra l’acqua

A+D Miscela eterogenea Liquido e solido Sopra incolore,

sotto bianco inodore due

La polvere di solfato di bario si mescola all’acqua senza sciogliesi, l’acqua non è più attraversata dalla luce. La polvere di solfato di bario con il tempo si deposita sul fondo e quindi è possibile

vedere l’interfaccia fra essa e l’acqua

H+G Miscela eterogenea solido incolore inodore due

Anche se con difficoltà é possibile ,con una lente di ingrandimento separare, i granuli di zucchero da

quelli dal cloruro di sodio

A+I Miscela omogenea liquido arancio nessuno unico Non è possibile distinguere l’acqua dal bicromato

di potassio

A+C Miscela omogenea liquido incolore nessuno unico Non è possibile distinguere l’acqua dall’alcol

E+G Miscela eterogenea solido Bianco e giallo Di zolfo due Si distinguono i granelli di cloruro di sodio dalla

polvere dello zolfo

A+E Miscela eterogenea Liquido e solido Incolore e giallo Di zolfo due La polvere dello zolfo si dispone sia in alto

nell’acqua liquida che in basso

Nella tabella sotto riportata sono riepilogate le caratteristiche macroscopiche e microscopiche delle sostanze pure,

delle miscele omogenee e delle principali miscele eterogenee:

Livello Macroscopico Livello Microscopico

Stato fisico Temperatura di fusione

Temperatura di ebollizione

Sostanza pura Solido,

liquido e gassoso

unica unica Un unico tipo di

particella

Miscela omogenea

Gassosa, liquida o

solida un intervallo un intervallo

Tanti tipi di particelle

intimamente mescolate quante

sono le sostanze che costituiscono la

miscela

Miscela eterogenea gas-solido

Un corpo gassoso e un corpo solido

un intervallo un intervallo

Un insieme di particelle allo stato gassoso separate

dall’insieme delle particelle allo stato

solido. Almeno due tipi di particellediverse.

Miscela eterogenea

liquido-solido

Un corpo liquido e un corpo solido

un intervallo un intervallo

Un insieme di particelle allo stato

liquido separate dall’insieme delle particelle allo stato

solido. Almeno due tipi di particelle diverse.

Miscela eterogenea

liquido-liquido

Due corpi liquidi un intervallo un intervallo

Un insieme di particelle allo stato

liquido separate dall’insieme delle particelle dell’altro

liquido. Almeno due tipi di particelle diverse.

Miscela eterogenea

solido-solido

Due corpi solidi un intervallo un intervallo

Un insieme di particelle allo stato

solido separate dall’insieme delle particelle dell’altro

solido. Almeno due tipi di particelle diverse.

Attività 5 e successive

Hanno lo scopo di imparare ad utilizzare le tecniche di separazione di miscele omogenee ed

eterogenee

Metodi di separazione dei componenti di miscele eterogenee

I componenti dei miscugli vengono separati grazie a trattamenti che ne sfruttano le diverse

caratteristiche fisiche.

Estrazione con solvente

Per separare due liquidi immiscibili che costituiscono un sistema a due fasi, si

sfrutta la loro diversa solubilità in un determinato solvente. Il solvente

considerato dovrà sciogliere selettivamente soltanto uno dei due liquidi,

permettendo la completa separazione delle fasi. L'operazione viene compiuta in

un imbuto separatore, dove si formano due strati a diversa densità, che si

separeranno. Attraverso un rubinetto è possibile prelevare le due fasi

separatamente. Il solvente che ha estratto uno dei componenti può essere

successivamente allontanato per evaporazione.

Decantazione o sedimentazione

Un solido disperso in un liquido viene facilmente separato nei suoi componenti lasciando il miscuglio

a riposo. Attendendo, il solido si deposita come succede all'acqua fangosa che, se scorre lentamente,

ha il tempo di depositare i solidi sospesi. Tale processo è applicabile quando esiste una buona

differenza di densità tra il liquido e il solido sospeso.

Filtrazione

Si versa il miscuglio su un setto poroso (per esempio, carta da

filtro) che presenta forellini microscopici tali da lasciar passare

solo il liquido. Il processo può essere velocizzato applicando una

depressione a valle del filtro.

Centrifugazione

Quando la differenza di densità tra solido e liquido è piccola e

quest'ultimo presenta alta viscosità, la separazione con i metodi precedenti risulta lenta. Si immette

allora il miscuglio in una centrifuga, un dispositivo in rapida rotazione. L'accelerazione centrifuga

sottopone i componenti a una forza proporzionale alla loro massa, portando quelli più densi lontano

dall'asse di rotazione.

Una prima indagine durante le analisi del sangue consiste, appunto, nella sua centrifugazione per

separare il plasma, il liquido giallognolo (circa il 55 % del totale), dai

globuli rossi e dagli altri tipi di cellule. Solo dopo questa operazione si

possono effettuare analisi più dettagliate sulle numerose sostanze in esso

presenti.

La centrifugazione viene utilizzata anche per miscugli di due liquidi non

miscibili, come nella produzione del burro per centrifugazione della

panna, oppure quando si deve separare l'olio dall'acqua nel liquido di

spremitura delle olive.

Separazione di miscele omogenee

È possibile separare i componenti delle miscele omogenee sfruttandone le diverse caratteristiche. l

componenti di una miscela, infatti, anche se mescolati tra loro, presentano ancora alcune delle loro

caratteristiche inalterate. Spesso si riscontra, addirittura, che la miscela ha proprietà intermedie a

quelle dei componenti. Vedremo ora alcuni metodi utilizzabili per la separazione dei componenti.

Distillazione

Per separare il componente liquido da una miscela

omogenea liquido-solido, si porta la miscela

all'ebollizione. 1 vapori del liquido che si liberano

vengono convogliati in un apposito dispositivo

(refrigerante), dove condensano per raffreddamento; dal

refrigerante esce il liquido puro, che viene raccolto. Con

il metodo della distillazione semplice si può, per

esempio, separare l'acqua marina in acqua e sale. A

seconda di ciò che interessa si può ottenere sale,

sfruttando l'evaporazione dell'acqua marina in vasche

molto larghe e poco profonde, oppure acqua dolce, desalinizzando l'acqua di mare in appositi impianti

di distillazione.

La separazione dei componenti di una miscela omogenea liquido-liquido può essere ottenuta nello

stesso modo, purché i punti di ebollizione di ciascun componente siano sufficientemente distanti.

Quando invece si vogliono separare due liquidi con punti di ebollizione vicini si ricorre alla

distillazione frazionata.

Riscaldando la miscela fino all'ebollizione, il vapore che si forma è composto prevalentemente dal

liquido più volatile (con punto di ebollizione più basso). Con il

procedere dell'ebollizione la temperatura si innalza

gradualmente e il vapore che si va formando diviene sempre

più ricco del liquido meno volatile. Raccogliendo la prima

frazione del distillato e ripetendo più volte la distillazione si

riesce a separare il liquido puro. Usando una idonea

apparecchiatura detta colonna di rettifica si riesce a operare la

separazione senza dover effettuare continui travasi. Questo

metodo è usato nel processo di raffinazione del petrolio.

Sono riportati alcuni esempi di rappresentazione con il modello particellare di miscele omogenee ed

eterogenee:

Miscela eteorogenea costituita da una miscela omogenea allo stato liquido(sopra)

costituita da tre diversi tipi di particelle disposte in modo disordinato e vicine e un

solido(sotto) costituito da un solo tipo di particelle disposte ordinatamente e vicine

Miscela omogenea allo stato liquido costituita da tre diversi tipi di particelle

disposte in modo disordinato e vicine

Miscela omogenea allo stato gassoso costituita da tre diversi tipi di particelle

disposte in modo disordinato e lontane

Sublimazione. Una sostanza allo stato gassoso sopra e solido sotto, un solo tipo di

particelle disposte in modo disordinato e lontane sopra e vicine e ordinate sotto.

L’ENERGIA

na? Perché a lungo andare la pila si scarica e la lampadina si

Scheda 1 Lo scopo dell’attività è far incontrare gli allievi con la parola energia.

Cos’è che fa accendere la lampadi

spegne? Che cosa si “consuma”?

Non è la corrente che fa accendere la lampadina, ma l’energia trasportata dalla corrente stessa e

ceduta alla lampadina. La pila è il serbatoio di energia e la corrente ha la funzione di prendere

energia dalla pila e di trasportarla alla lampadina per poi tornare alla pila, rifornirsi e riprendere

il suo giro.

b) semplicemente

c)

pio, può “far funzionare” un essere vivente, ma può anche

d)

no anche semplicemente trasferirla da un corpo ad un altro,

e) unico vero serbatoio di tutta l’energia. È

pportuno realizzare uno schema come il seguente:

Scheda 2 e 3

a) Lo scopo dell’attività è quella di familiarizzare con l’ipotesi dell’esistenza dell’energia.

Volendo dare, se richiesta, una “definizione”, si potrebbe dire che l’energia è

“ciò che consente agli esseri viventi di vivere e alle macchine di funzionare”.

Gli allievi già “conoscono” diverse forme di energia; al termine dell’attività, sottolineare che

l’energia è una e che le diverse forme prendono nome solo dal tipo di dispositivo che le

utilizza (una arancia, ad esem

accendere una lampadina…).

Distinguere gli oggetti in serbatoi di energia e in utilizzatori/trasformatori di energia. Tutte

le macchine utilizzano l’energia per funzionare e contemporaneamente la trasformano

(volendo essere più precisi, posso

come le leve, le carrucole, ecc..).

Riconoscere e riflettere sul fatto che l’ambiente è l’

o

ambiente/serbatoio utilizzatore/

trasformatore utilizzatore/

trasformatore

Sch

b)

inabile presenza di attriti e “perdite” in ogni trasferimento e/o

alla fine nell’ambiente sotto forma di

calore a bassa temperatura.

c) chema

energia assorbita energia utile

d) Il rendim come rapporto tra energia utile ed energia

assorbita:

eda 4

a) Scopo dell’attività è analizzare il comportamento delle macchine sotto l’aspetto dei flussi

energetici in entrata e in uscita e definire, quindi, il rendimento (di I° genere).

L’attività proposta è una analisi di una specie di “moto perpetuo”. L’impossibilità di tale

moto discende dalla inelim

conversione di energia. Tutta l’energia iniziale ritorna

S tizzare le macchine nel modo seguente:

energia (termica) dissipata

macchina

ento (r) di una macchina viene definito

energia utiler = energia assorbit

portanza le altre formule

a

sono di pari im che da questa possono essere ricavate:

energia utileenergia assorbita =

r energia utile = r energia assorbitai

Si fa osservare che l’ambiente (la Terra, il e) Sole) è l’unico vero serbatoio di energia di cui

lla quale viene riversata alla fine tutta l’energia

dopo le varie trasformazioni da essa subite.

Lo schema proposto è dunque il seguente:

disponiamo ed è anche la “pattumiera” ne

ambiente

utilizzatore/

trasformatore utilizzatore/

trasformatore

te è tutta Secondo lo schema precedente, si fa notare che l’energia che ritorna all’ambien

energia termica a bassa temperatura e che tale energia è meno utilizzabile per far

funzionare altre macchine. E’ energia degradata. Quando tutta l’energia dell’ambiente si

f) dell’energia si possono dare joule, caloria,

kilowattora.

) Si fa notare, a titolo di giustificazione, che le prime due sono riportate su tutte le confezioni

ome misura del “valore energetico”) e l’ultima sulle bollette “della luce”.

one sulla scheda 4a dovrebbe emergere che la Ferrari si ferma prima perché

, si

ottintende a parità di tempo, ossia più in fretta). Non dovrebbe creare difficoltà l’osservazione

sarà degradata, non potrà più essere utilizzata dall’uomo per far funzionare le sue macchine

e nemmeno potrà servire agli esseri viventi per vivere. Ogni forma di vita cesserà!

Per quanto riguarda le unità di misura

g

alimentari (c

Ricordare che solo il joule è unità del S.I..

Scheda 5a e 5b

Dalla discussi

consuma benzina più in fretta (N.B.: quando si dice che un’auto consuma più benzina

s

che la Ferrari è “più potente” della Panda.

Conclusione:

un trasformatore di energia è più potente di un altro se trasforma l’energia più rapidamente

er confrontare le potenze di due

asformatori occorre fare il rapporto tra energia trasformata da ciascuno e tempo impiegato da

i due rapporti. Quindi

Dalla discussione della scheda 4b si deve far emergere che p

tr

ciascuno e confrontare poi

Si definisce potenza di un trasformatore di energia il rapporto

impiegatotempo atrasformatenergiapotenza

=

ono di pari importanza le altre formule che da questa possono essere ricavate: s

energia trasformatatempo impiegato = = energia trasformata energia trasformata potenzai potenza

’unità di misura S.I. della potenza è il watt (W). 1W=1J/1s

Elencare alcune potenze medie (di un uomo è circa 200W, di un’auto di media cilindrata circa

60kW, ecc…).

L

Queste note sono state predisposte dal professor Caccetta Basilio in collaborazione con la

professoressa Clotilde Brusasca: insegnati di Laboratorio di Fisica/Chimica del biennio di

Liceo Scientifico Tecnologico Indirizzo Brocca-Focus e di Chimica e Laboratorio del

namento della Fisica e della Chimica operante presso l’I.T.I.S. “Q.

arco Ghirardi, Luca Pezzato, Annalisa Frozza, Sergio

A della Minerva Italia in adozione presso la nostra scuola dall’anno

007/2008.

e note possono

e dell’ I.T.I.S. “Q. SELLA” di BIELLA.

necessaria autorizzazione scritta.

triennio di Liceo Scientifico Tecnologico Indirizzo Brocca-Focus.

Tengono conto delle lezioni del corso estivo tenute nel mese di giugno e luglio del l’anno

2007 ma, soprattutto, attingono al materiale prodotto dal gruppo di lavoro per

l’innovazione dell’inseg

SELLA” di BIELLA.

Gruppo costituito dai professori:

Eder Consoli, Alberto Regis, Basilio Caccetta, Clotilde Brusasca, Andrea Rondi, Rita

Asmundo, Sandro Del Piano, M

Marucchi, Carolina Macciotta .

Le figure relative alle tecniche di separazione sono tratte dal testo di chimica: NUOVO

CORSO DI CHIMIC

scolastico 2

Nota bene:

Copia delle schede e delle prove formative a cui fanno riferimento quest

essere richieste all’ufficio fotocopi

È