Un’indagine sperimentale genera dati. Ciascun dato corrisponde a una singola misura o osservazione (ad esempio, la massa di un campione o il tempo necessario perché una reazione giunga al termine). In chimica sono frequenti misure di massa, lunghezza, volume, tempo, temperatura ed energia. Il risultato rappresenta l’esito complessivo dell’esperimento: talvolta coincide con un singolo dato, ma più spesso deriva da una combinazione logica di più misure opportunamente trattate:

• Grandezze comunemente registrate in laboratorio sono massa, volume, lunghezza, tempo, temperatura ed energia;
• i risultati possono richiedere elaborazioni (medie, correzioni strumentali, propagazione dell’incertezza) a partire dai dati grezzi;
• la documentazione delle condizioni sperimentali (per esempio temperatura e umidità dell’ambiente, tempo di esposizione del campione all’aria) è essenziale per ridurre ambiguità e migliorare la riproducibilità;
• l’esperimento sintetizzato nell’Esempio 1.1 risulta poco affidabile proprio perché alcune condizioni non sono state misurate o controllate.

La materia si presenta comunemente in tre stati di aggregazione: gassoso, liquido e solido. In un gas le particelle sono molto distanti e in moto disordinato; per questo un gas non ha forma né volume propri e si espande fino a riempire il contenitore. Nei liquidi le particelle sono più vicine e interagiscono in modo significativo: il liquido possiede un volume definito, ma non una forma propria e quindi assume la forma del recipiente. Un solido ha forma e volume ben definiti; le particelle sono strettamente impacchettate e, nei solidi cristallini, organizzate in una struttura periodica. L’intensità delle forze attrattive tra particelle è massima nei solidi e decresce passando a liquidi e gas.

L’acqua costituisce un esempio familiare di sostanza che, in un modesto intervallo di temperatura, può trovarsi in tutti e tre gli stati: ghiaccio, acqua liquida e vapore (Figura 01.02-01). Il passaggio da uno stato all’altro è una trasformazione fisica: cambia l’aspetto e lo stato di aggregazione, ma la composizione chimica resta invariata. Se riscaldiamo un cubetto di ghiaccio, esso fonde e diventa acqua liquida; raffreddando nuovamente, ricristallizza in ghiaccio. Il ciclo di fusione e solidificazione può essere ripetuto indefinitamente, a testimonianza del fatto che l’identità molecolare dell’acqua non muta durante questi processi.

Una proprietà fisica si osserva o si misura senza alterare la composizione della sostanza. La temperatura alla quale il ghiaccio fonde è il punto di fusione; analogamente, la temperatura alla quale l’acqua liquida passa allo stato di vapore è il punto di ebollizione. Punti di fusione ed ebollizione sono proprietà fisiche caratteristiche di ogni sostanza. Differenze nelle proprietà fisiche permettono anche di separare materiali: la separazione di componenti basata, per esempio, su differenti punti di ebollizione è illustrata in (Figura 01.02-02).

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Stati dell’acqua

I tre stati di aggregazione dell'acqua in natura: (al solido, nei ghiacci; (bl liquido, negli oceani; (cl gas, nell'umidità dell'aria.

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Separazione magnetica

Un esempio di separazione di materiali che sfrutta le differenze nelle loro proprietà fisiche. Il ferro, sostanza magnetica, può essere separato facilmente dasostanze non magnetiche. L'utilizzo su larga scala di questo processo è importante nell'industria del riciclo dei materiali.

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Le proprietà chimiche, a differenza di quelle fisiche, si manifestano quando la sostanza subisce un cambiamento di composizione, ossia una reazione chimica. Durante una reazione, gli atomi vengono riarrangiati, aggiunti, rimossi o sostituiti, con formazione di nuove specie chimiche. Un esempio è la fotosintesi, che in forma complessiva può essere scritta come:

\(6\,\mathrm{CO_{2}} + 6\,\mathrm{H_{2}O} \xrightarrow{\text{h}\nu,\ \text{clorofilla}} \mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}} + 6\,\mathrm{O_{2}}\)

Qui l’anidride carbonica (biossido di carbonio, CO₂) e l’acqua sono i reagenti, mentre glucosio e ossigeno sono i prodotti. Reagenti e prodotti presentano proprietà differenti: a temperatura ambiente CO₂ e O₂ sono gas, l’acqua è un liquido e il glucosio è un solido cristallino bianco. La capacità della CO₂ di partecipare, in opportune condizioni, alla formazione del glucosio è una proprietà chimica. L’intero processo rappresenta una trasformazione chimica.

Le proprietà della materia possono essere classificate anche in base alla loro dipendenza dalla quantità di sostanza considerata. Una proprietà intensiva non cambia al variare della quantità di campione: densità, punto di fusione, punto di ebollizione e densità relativa (o gravità specifica) sono proprietà intensive. Per esempio, il punto di ebollizione di una goccia d’acqua coincide con quello di un litro (L) di acqua, purché le condizioni esterne (come la pressione) siano le stesse.

Una proprietà estensiva dipende invece dalla quantità di materia presente: massa e volume sono esempi tipici. Un grammo (g) di argento e un chilogrammo (kg) di argento differiscono sia per quantità sia, evidentemente, per valore economico; analogamente, il volume occupato cresce proporzionalmente alla quantità di sostanza.

Per organizzare e prevedere il comportamento dei materiali, i chimici classificano la materia in base alla composizione (Figura 01.02-03). La materia può essere una sostanza pura oppure una miscela. Una sostanza pura è costituita da un solo tipo di componente. L’acqua ne è un esempio: è formata esclusivamente da molecole con due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, cioè \(\mathrm{H_{2}O}\). Le sostanze pure si suddividono in elementi e composti. Un elemento è una sostanza che non può essere scissa in specie più semplici mediante reazioni chimiche; idrogeno e ossigeno sono elementi. Un composto è formato dalla combinazione chimica di due o più elementi in rapporti di composizione costanti; l’acqua, \(\mathrm{H_{2}O}\), deriva dalla combinazione di idrogeno e ossigeno secondo un rapporto definito.

Una miscela è l’aggregato di due o più sostanze pure in cui ciascun componente conserva la propria identità chimica. Per esempio, alcol etilico e acqua si mescolano senza reagire chimicamente: le molecole restano distinte ma distribuite uniformemente, e la composizione può variare in modo continuo (da soluzioni diluite ad altre ricche in alcol). Le miscele si distinguono in omogenee ed eterogenee (Figura 01.02-04). Una miscela omogenea ha composizione uniforme in ogni parte ed è detta soluzione: acqua e alcol costituiscono una soluzione liquida; l’aria è una soluzione gassosa. Una miscela eterogenea presenta invece composizione non uniforme, che cambia da punto a punto; esempi comuni sono una miscela di sale e pepe e il cemento.

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Classificazione della materia

Classificazione della materia. La materia è costituita da sostanze pure o da loro miscele. Le sostanze pure sono elementi e i composti. Le miscele possono essere omogenee /se hanno composizione costante in ogni loro parte) o eterogenee (se hanno composizione variabile da punto a punto).

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Classi della materia

Rappresentazione schematica di alcune classi di materia. (a) Una sostanza pura come l'acqua è costituita da un unico componente. (b) Una miscela omogenea, come quella costituita da alcool etilico e acqua, è caratterizzata dalla distribuzione uniforme dei sui componenti. (c) Una miscela eterogena, come il marmo, è caratterizzata dalla distribuzione non uniforme dei suoi componenti. La mancanza di omogeneità è evidente.   

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