OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO
Al termine di questa sezione, sarai in grado di:
- Identificare le proprietà e i cambiamenti della materia come fisiche o chimiche
- Identificare le proprietà della materia come estensive o intensive
Le caratteristiche che ci permettono di distinguere una sostanza dall’altra sono chiamate proprietà. Una proprietà fisica è una caratteristica della materia che non è associata ad un cambiamento nella sua composizione chimica. Esempi familiari di proprietà fisiche includono la densità, il colore, la durezza, i punti di fusione e di ebollizione e la conducibilità elettrica. Possiamo osservare alcune proprietà fisiche, come la densità e il colore, senza cambiare lo stato fisico della materia osservata. Altre proprietà fisiche, come la temperatura di fusione del ferro o la temperatura di congelamento dell’acqua, possono essere osservate solo quando la materia subisce un cambiamento fisico. Un cambiamento fisico è un cambiamento nello stato o nelle proprietà della materia senza alcun cambiamento di accompagnamento nella sua composizione chimica (le identità delle sostanze contenute nella materia). Osserviamo un cambiamento fisico quando la cera si scioglie, quando lo zucchero si scioglie nel caffè, e quando il vapore si condensa in acqua liquida (Figura 1). Altri esempi di cambiamenti fisici includono la magnetizzazione e la smagnetizzazione dei metalli (come si fa con le comuni etichette di sicurezza antifurto) e la macinazione dei solidi in polvere (che a volte può produrre notevoli cambiamenti di colore). In ognuno di questi esempi, c’è un cambiamento nello stato fisico, nella forma o nelle proprietà della sostanza, ma nessun cambiamento nella sua composizione chimica.
Figura 1. (a) La cera subisce un cambiamento fisico quando la cera solida viene riscaldata e forma cera liquida. (b) Il vapore che si condensa all’interno di una pentola è un cambiamento fisico, poiché il vapore acqueo si trasforma in acqua liquida. (credito a: modifica del lavoro di “95jb14″/Wikimedia Commons; credito b: modifica del lavoro di “mjneuby”/Flickr)
Il cambiamento di un tipo di materia in un altro tipo (o l’incapacità di cambiare) è una proprietà chimica. Esempi di proprietà chimiche includono infiammabilità, tossicità, acidità, reattività (molti tipi) e calore di combustione. Il ferro, per esempio, si combina con l’ossigeno in presenza di acqua per formare ruggine; il cromo non si ossida (Figura 2). La nitroglicerina è molto pericolosa perché esplode facilmente; il neon non presenta quasi nessun pericolo perché è molto poco reattivo.
Figura 2. (a) Una delle proprietà chimiche del ferro è che arrugginisce; (b) una delle proprietà chimiche del cromo è che non lo fa. (credit a: modifica del lavoro di Tony Hisgett; credit b: modifica del lavoro di “Atoma”/Wikimedia Commons)
Per identificare una proprietà chimica, cerchiamo un cambiamento chimico. Un cambiamento chimico produce sempre uno o più tipi di materia che differiscono dalla materia presente prima del cambiamento. La formazione della ruggine è un cambiamento chimico perché la ruggine è un tipo di materia diversa dal ferro, dall’ossigeno e dall’acqua presenti prima della formazione della ruggine. L’esplosione della nitroglicerina è un cambiamento chimico perché i gas prodotti sono tipi di materia molto diversi dalla sostanza originale. Altri esempi di cambiamenti chimici includono le reazioni che vengono eseguite in un laboratorio (come il rame che reagisce con l’acido nitrico), tutte le forme di combustione (bruciare), e il cibo che viene cotto, digerito o che marcisce (Figura 3).
Figura 3. (a) Il rame e l’acido nitrico subiscono un cambiamento chimico per formare nitrato di rame e diossido di azoto marrone e gassoso. (b) Durante la combustione di un fiammifero, la cellulosa nel fiammifero e l’ossigeno dell’aria subiscono un cambiamento chimico per formare anidride carbonica e vapore acqueo. (c) La cottura della carne rossa causa una serie di cambiamenti chimici, tra cui l’ossidazione del ferro nella mioglobina che provoca il noto cambiamento di colore da rosso a marrone. (d) Una banana che diventa marrone è un cambiamento chimico in quanto si formano nuove sostanze più scure (e meno gustose). (credito b: modifica del lavoro di Jeff Turner; credito c: modifica del lavoro di Gloria Cabada-Leman; credito d: modifica del lavoro di Roberto Verzo)
Le proprietà della materia rientrano in una delle due categorie. Se la proprietà dipende dalla quantità di materia presente, è una proprietà estensiva. La massa e il volume di una sostanza sono esempi di proprietà estensive; per esempio, un gallone di latte ha una massa e un volume maggiori di una tazza di latte. Il valore di una proprietà estensiva è direttamente proporzionale alla quantità di materia in questione. Se la proprietà di un campione di materia non dipende dalla quantità di materia presente, è una proprietà intensiva. La temperatura è un esempio di proprietà intensiva. Se il gallone e la tazza di latte sono ciascuno a 20 °C (temperatura ambiente), quando vengono combinati, la temperatura rimane a 20 °C. Come altro esempio, considera le proprietà distinte ma correlate del calore e della temperatura. Una goccia di olio da cucina caldo spruzzata sul braccio provoca un breve e lieve disagio, mentre una pentola di olio bollente provoca gravi ustioni. Sia la goccia che la pentola di olio sono alla stessa temperatura (una proprietà intensiva), ma la pentola contiene chiaramente molto più calore (proprietà estensiva).
Diamante del pericolo
Potresti aver visto il simbolo mostrato nella Figura 4 sui contenitori di sostanze chimiche in un laboratorio o sul posto di lavoro. A volte chiamato “diamante del fuoco” o “diamante del pericolo”, questo diamante del pericolo chimico fornisce informazioni preziose che riassumono brevemente i vari pericoli di cui essere consapevoli quando si lavora con una particolare sostanza.
Figura 4. Il diamante di pericolo della National Fire Protection Agency (NFPA) riassume i principali pericoli di una sostanza chimica.
Il National Fire Protection Agency (NFPA) 704 Hazard Identification System è stato sviluppato dalla NFPA per fornire informazioni di sicurezza su alcune sostanze. Il sistema dettaglia l’infiammabilità, la reattività, la salute e altri pericoli. All’interno del simbolo generale del diamante, il diamante superiore (rosso) specifica il livello di pericolo di incendio (intervallo di temperatura per il punto di infiammabilità). Il diamante blu (a sinistra) indica il livello di pericolo per la salute. Il diamante giallo (a destra) descrive i rischi di reattività, come la facilità con cui la sostanza subirà una detonazione o un violento cambiamento chimico. Il diamante bianco (in basso) indica i pericoli speciali, come se è un ossidante (che permette alla sostanza di bruciare in assenza di aria/ossigeno), subisce una reazione insolita o pericolosa con l’acqua, è corrosivo, acido, alcalino, un pericolo biologico, radioattivo, e così via. Ogni pericolo è valutato su una scala da 0 a 4, dove 0 è nessun pericolo e 4 è estremamente pericoloso.
Mentre molti elementi differiscono notevolmente nelle loro proprietà chimiche e fisiche, alcuni elementi hanno proprietà simili. Possiamo identificare gruppi di elementi che hanno comportamenti comuni. Per esempio, molti elementi conducono bene il calore e l’elettricità, mentre altri sono cattivi conduttori. Queste proprietà possono essere usate per ordinare gli elementi in tre classi: metalli (elementi che conducono bene), non metalli (elementi che conducono male), e metalloidi (elementi che hanno proprietà sia dei metalli che dei non metalli).
La tavola periodica è una tabella di elementi che mette vicini elementi con proprietà simili (Figura 5). Imparerai di più sulla tavola periodica mentre continui il tuo studio della chimica.
Figura 5. La tavola periodica mostra come gli elementi possono essere raggruppati secondo alcune proprietà simili. Nota che il colore dello sfondo indica se un elemento è un metallo, un metalloide o un non metallo, mentre il colore del simbolo dell’elemento indica se è un solido, un liquido o un gas.
Concetti chiave e riassunto
Tutte le sostanze hanno proprietà fisiche e chimiche distinte, e possono subire cambiamenti fisici o chimici. Le proprietà fisiche, come la durezza e il punto di ebollizione, e i cambiamenti fisici, come la fusione o il congelamento, non comportano un cambiamento nella composizione della materia. Le proprietà chimiche, come l’infiammabilità e l’acidità, e i cambiamenti chimici, come la ruggine, implicano la produzione di materia che differisce da quella presente in precedenza.
Le proprietà misurabili rientrano in una delle due categorie. Le proprietà estensive dipendono dalla quantità di materia presente, per esempio la massa dell’oro. Le proprietà estensive non dipendono dalla quantità di materia presente, per esempio, la densità dell’oro. Il calore è un esempio di proprietà estensiva, e la temperatura è un esempio di proprietà intensiva.
Esercizi di fine capitolo di chimica
- Classifica le sei proprietà sottolineate nel seguente paragrafo come chimiche o fisiche: Il fluoro è un gas giallo pallido che reagisce con la maggior parte delle sostanze. L’elemento libero fonde a -220 °C e bolle a -188 °C. I metalli finemente divisi bruciano nel fluoro con una fiamma brillante. Diciannove grammi di fluoro reagiscono con 1,0 grammi di idrogeno.
- Classify each of the following changes as physical or chemical:
- condensation of steam
- burning of gasoline
- souring of milk
- dissolving of sugar in water
- melting of gold
- Classify each of the following changes as physical or chemical:
- coal burning
- ice melting
- mixing chocolate syrup with milk
- explosion of a firecracker
- magnetizing of a screwdriver
- The volume of a sample of oxygen gas changed from 10 mL to 11 mL as the temperature changed. Is this a chemical or physical change?
- A 2.0-liter volume of hydrogen gas combined with 1.0 liter of oxygen gas to produce 2.0 liters of water vapor. Does oxygen undergo a chemical or physical change?
- Explain the difference between extensive properties and intensive properties.
- Identify the following properties as either extensive or intensive.
- volume
- temperature
- humidity
- heat
- boiling point
- The density (d) of a substance is an intensive property that is defined as the ratio of its mass (m) to its volume (V).
\text{density}=\frac{\text{mass}}{\text{volume}}\phantom{\rule{2em}{0ex}}; \text{d}=\frac{\text{m}}{\text{V}}
Considering that mass and volume are both extensive properties, explain why their ratio, density, is intensive.
Selected Answers
2. (a) physical; (b) chemical; (c) chemical; (d) physical; (e) physical
4. physical
6. The value of an extensive property depends upon the amount of matter being considered, whereas the value of an intensive property is the same regardless of the amount of matter being considered.
8. Being extensive properties, both mass and volume are directly proportional to the amount of substance under study. Dividendo una proprietà estensiva per un’altra si “annulla” questa dipendenza dalla quantità, ottenendo un rapporto che è indipendente dalla quantità (una proprietà intensiva).
Glossary
chemical change
change producing a different kind of matter from the original kind of matter
chemical property
behavior that is related to the change of one kind of matter into another kind of matter
extensive property
property of a substance that depends on the amount of the substance
intensive property
property of a substance that is independent of the amount of the substance
physical change
change in the state or properties of matter that does not involve a change in its chemical composition