7. LA NOZIONE DI ELEMENTO CHIMICO · 7. LA NOZIONE DI ELEMENTO CHIMICO In ogni trasformazione, accanto a ciò che cambia (variante), vi è sempre qualcosa che non cambia (invariante)

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7. LA NOZIONE DI ELEMENTO CHIMICO

In ogni trasformazione, accanto a ciò che cambia (variante), vi è sempre qualcosa che non cambia (invariante) e che assicura la continuità fra ciò che sta prima della trasformazione e ciò che sta dopo. In una trasformazione fisica, ciò che non cambia è la massa e soprattutto l’identità della sostanza che costituisce il sistema in evoluzione, mentre ciò che cambia è, per esempio, il suo stato fisico. Nel caso di una trasformazione chimica, ciò che cambia è l’identità delle sostanze iniziali che costituiscono il sistema: queste infatti spariscono dando origine a nuove sostanze. Anche nel caso delle trasformazioni chimiche ciò che non cambia è la massa della materia che costituisce il sistema reattivo. Sappiamo infatti che vige la legge di conservazione della massa:

In una trasformazione chimica, la massa totale del sistema è costante

Ne segue che la massa è un invariante sia per le trasformazioni fisiche sia per le trasformazioni chimiche: non è quindi un invariante specifico di un determinato tipo di trasformazione. L’invariante specifico delle trasformazioni fisiche è l’identità della sostanza. Qual è l’invariante specifico delle trasformazioni chimiche? Per rispondere a questa domanda possiamo fare riferimento ad alcuni esperimenti che hanno per oggetto le trasformazioni che subisce un metallo: il rame. In primo luogo, mettiamo a confronto alcuni metalli: l’alluminio, il piombo, lo zinco e il rame (Figura 1).

Alluminio Piombo Zinco Rame

Figura 1 – Fotografie di pezzi di alcuni corpi metallici

Non abbiamo difficoltà a riconoscere che la differenza che si percepisce tra il rame e gli altri metalli sta nel colore; mentre gli altri metalli hanno colori che danno sul grigio, il rame ha un caratteristico colore rossastro. Procediamo ora in questo modo: in un becher contenente acido nitrico si immette un pezzetto di rame (Figura 2a). Si produce una trasformazione chimica: il metallo rame interagisce con l’acido nitrico, si formano dei vapori rossi di diossido di azoto (NO2) (Figura 2b e 2c). Alla fine dell’esperimento, tutto il rame è sparito, non si formano più vapori rossi e resta una fase liquida omogenea colorata in blu (Figura 2d, becher 1). A cosa è dovuto il colore della soluzione?

a b c d - Becher 1

Figura 2 – Interazione di rame metallico con acido nitrico


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Abbiamo detto che un cambiamento di colore o la scomparsa di un solido in un sistema chimico possono indicare che in quel sistema si è prodotta una trasformazione chimica. In questo caso, il sistema iniziale è costituito da una soluzione incolore (acido nitrico) e da un pezzetto di rame (rossastro). Nel sistema finale è sparito il rame metallico e la soluzione si è colorata in blu. La scomparsa del rame metallico e la comparsa di una colorazione blu sono un’evidenza empirica che ci fanno ipotizzare una trasformazione chimica: la trasformazione della sostanza rame metallico in un’altra sostanza che colora in blu la soluzione. A cosa è dovuta la colorazione blu della soluzione? Per rispondere a questa domanda eseguiamo il seguente esperimento: preleviamo un piccolo quantitativo di solfato di rame idrato di colore blu (Figura 3) e lo immettiamo in un becher riempito a metà con acqua. Il solfato di rame idrato sparisce e la soluzione risultante è colorata in blu (Figura 4, becher 2).

Figura 3 –Fotografia di solfato Figura 4 – Soluzione di solfato di rame

di rame idrato(CuSO4 · 5 H2O) idrato in acqua – Becher 2

Se ora confrontiamo il sistema contenuto nel becher 1 con il sistema contenuto nel becher 2, risulta che in entrambi i becher è presente una soluzione di colore blu.

• Cosa è presente nel becher 1? Acqua, acido nitrico, rame in soluzione. • Cosa è presente nel becher 2? Acqua, solfato di rame in soluzione • Cosa hanno in comune il becher 1 e il becher 2? Acqua, colore blu, rame in soluzione. • A cosa può essere imputato il colore blu delle due soluzioni? A questo interrogativo si può

dare un’unica risposta: il colore blu è dovuto al rame in soluzione.

Quindi anche se non è più possibile vederlo, in soluzione è presente del rame. Possiamo provare che questa affermazione è vera? La cosa è possibile se procediamo in questo modo. In un becher contenente una soluzione di solfato di rame si introduce una lamina di ferro. Cosa avviene? In poco tempo, sulla lamina di ferro si forma un deposito di colore rossastro (Figura 5). A cosa sarà dovuto questo evento? Abbiamo già visto qualcosa dello stesso colore rossastro? Il deposito che si forma sulla lamina di ferro ha lo stesso colore del rame metallico che si è fatto interagire con l’acido nitrico. Dato che nelle soluzioni contenute nel becher 1 e nel becher 2 era presente rame in soluzione, è logico pensare che il deposito formatosi sulla lamina di ferro sia dovuto a rame metallico. Questo significa che il rame in soluzione, interagendo con il ferro, si è trasformato in rame metallico di colore rossastro che si è depositato sulla lamina di ferro.


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Figura 5 - Interazione del ferro con la soluzione contenente rame Questa conclusione viene corroborata dal fatto che la soluzione colorata in azzurro si decolora quando si forma il deposito rossastro sulla lamina di ferro. Depositandosi sulla lamina di ferro, il rame viene allontanato dalla soluzione e questa si decolora. Se consideriamo gli esperimenti nel loro complesso, possiamo affermare quanto segue: il rame metallico interagendo con l’acido nitrico sparisce e si trasforma in qualcosa che colora in blu la soluzione; se si fa interagire la soluzione con il ferro, ricompare il rame metallico. In altre parole, il rame metallico che sembra scomparire nel corso della prima trasformazione, in realtà è ancora presente nel sistema, ma in una forma diversa da quella metallica: infatti, dopo essere venuto a contatto con il ferro, lo ritroviamo nuovamente nella sua forma metallica. Come è possibile che una cosa sparisca e contemporaneamente continui a

essere presente? Sembra un’assurdità, ma l’evidenza empirica non si può negare. Per spiegare questa apparente assurdità possiamo ricorrere a un’analogia. I BLOBS sono esseri extraterrestri: Cinque sono stati presi e chiusi in una scatola. Nella figura 6, i due disegni rappresentano i BLOBS al mattino e alla sera.

Situazione A Situazione B

Figura 6 – Il contenuto della scatola dei BLOBS al mattino (situazione A) e alla sera (situazione B)

Interrogativo: il contenuto della scatola è cambiato dal mattino alla sera? Vi è qualcosa che cambia e qualcosa che non cambia. Cambia l’aspetto dei BLOBS, che prima sono circolari e poi quadrati; così pure cambia la loro disposizione nello spazio. Però non cambia il loro numero (sono sempre cinque) e non cambia il nocciolo nero centrale. È proprio il nocciolo nero la parte essenziale dei BLOBS, ciò che fa sì che essi siano sempre BLOBS anche se cambia la loro forma esterna. Quindi si può sostenere che la parte essenziale dei BLOBS, ciò che ne costituisce l’identità, è sempre presente nella scatola al mattino e alla sera.

Interrogativo: Si può stabilire una relazione tra ciò che capita nella scatola dei BLOBS (situazione

A al mattino e situazione B alla sera) e ciò che capita nel tubo da saggio tra l’acido nitrico e il rame

metallico?

Nel caso del rame, si può ragionare così: vi è una parte essenziale del rame che si chiama elemento rame che è presente tutte le volte che c’è del rame, cioè tutte le volte che compare la parola «rame». Quindi l’esperimento con l’acido nitrico e il rame può essere schematizzato in questo modo:


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Inizio dell’esperimento Fine dell’esperimento

Allora si può affermare che, nel corso della trasformazione chimica, il metallo rame sparisce, ma si conserva l’essenza del metallo rame, ossia l’elemento rame. Riassumendo quanto è avvenuto possiamo affermare che il rame metallico è sparito e poi è riapparso. I chimici interpretano questo fenomeno con l’idea di elemento chimico che serve per indicare cosa si conserva nel corso di una trasformazione chimica. Possiamo quindi definire l’elemento chimico in questo modo:

l’elemento chimico è l’invariante di una trasformazione chimica

Gli schemi di reazione associati alle trasformazioni chimiche che coinvolgono il rame di cui abbiamo discusso sono i seguenti:

Cu(s) + 4HNO3(aq) ® Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + H2O(l) Schema 1 (interazione tra rame metallico e acido nitrico)

Cu(NO3)2(aq) + Fe(s) ® Fe(NO3)2(aq) + Cu(s)

Schema 2 (interazione tra rame in soluzione e ferro metallico) Lo schema 1 mostra che nel corso della prima trasformazione il rame metallico non si conserva: infatti non è più presente come tale fra i prodotti della reazione, essendosi trasformato in nitrato di rame [Cu(NO3)2]; invece l’elemento rame si conserva, essendo presente sia nel rame metallico sia nel nitrato di rame. Lo schema 2 mostra la nuova formazione di rame metallico: anche in questo caso l’elemento rame si conserva, essendo presente sia nel rame metallico sia nel nitrato di rame. A ogni sostanza semplice (livello macroscopico) è quindi associato un elemento (livello microscopico) che costituisce l’essenza della sostanza semplice e fa sì che essa sia ciò che è e non possa essere altra cosa. Una sostanza semplice è qualcosa di materiale, dotato di proprietà fisiche e che mostra determinate proprietà chimiche. Dato che gli elementi chimici sono qualcosa di astratto, essi non possono avere proprietà chimiche. Queste ultime sono specificabili solo per le sostanze semplici costituite da un certo elemento. Ecco un estratto di quanto scrisse Mendeleev (1898) a proposito degli elementi:

«La denominazione di sostanze semplici deve essere riservata a quelle contenenti soltanto un

elemento qualunque, mentre composte devono essere chiamate quelle che ne contengono due o

più…Le sostanze semplici, come tutti i corpi in natura, sono formate di particelle: tutta la loro

differenza rispetto alle sostanze composte consiste unicamente nel fatto che le particelle di queste


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ultime contengono atomi di due o più elementi, mentre quelle delle sostanze semplici soltanto atomi

di un dato elemento…Gli elementi non vanno soggetti a trasformazioni reciproche e appaiono,

stando almeno alle attuali risultanze, l’essenza immutabile di una sostanza che invece muta (sotto

il profilo chimico, fisico e meccanico), essenza che entra a far parte sia dei corpi semplici sia di quelli

composti. Questa concezione ci presenta gli elementi chimici come qualcosa di astratto, dato che

non siamo in grado in particolare né di vederli, né di sapere alcunché relativamente ad essi.»

Esempio 1 – Consideriamo il seguente schema di reazione:

C2H4 + H2 ® C2H6

In questa trasformazione chimica:

§ La sostanza diidrogeno conserva la propria identità?

§ L'elemento idrogeno conserva la propria identità?

Nella trasformazione chimica, la sostanza semplice diidrogeno non conserva la propria identità: infatti non è più presente tra i prodotti. Per contro, l'elemento idrogeno è presente sia nelle sostanze reagenti sia nella sostanza che prende origine dalla trasformazione: quindi l'elemento idrogeno conserva la propria identità. Elemento non è sinonimo di sostanza semplice: la sostanza semplice non conserva la propria identità, mentre l’elemento la conserva. Esempio 2 – Consideriamo la sostanza composta metano: CH4

• Quanti atomi costituiscono la molecola CH4?

• Quanti elementi costituiscono la molecola CH4?

Gli atomi sono cinque: uno di carbonio e quattro di idrogeno. Gli elementi sono due: il carbonio e l'idrogeno. Quindi elemento e atomo non sono sinonimi. ELEMENTI: NOMI E SIMBOLI Gli elementi, come sappiamo, sono entità chimiche che si conservano nelle trasformazioni chimiche:

Un elemento rappresenta un’entità immateriale priva di proprietà fisiche o chimiche.

Viene individuato da un nome e da un simbolo

Gli elementi oggi conosciuti sono 118. I chimici hanno messo a punto un proprio linguaggio nel quale gli elementi sono indicati con un simbolo costituito da una o due lettere dell’alfabeto. Il sistema attualmente in uso, introdotto agli inizi del 1800 dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius, prevede che ogni elemento venga rappresentato con una abbreviazione alfabetica del suo nome. Qualunque sia il numero delle lettere che compongono un simbolo, valgono le seguenti regole: (1) la prima o

unica lettera è sempre maiuscola; (2) la lettera che segue è sempre minuscola. Nella tabella 1 sono riportati i nomi e i simboli di 54 elementi che è opportuno ricordare; questi nomi e simboli costituiscono il vocabolario di base di un primo corso di chimica. Questi simboli vengono usati per rappresentare non soltanto gli elementi corrispondenti ma anche gli atomi di questi elementi. Così, per esempio, il simbolo Na indica l’elemento sodio ma anche un atomo di sodio; il simbolo Cl indica l’elemento cloro ma anche un atomo di cloro.


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È importante imparare a memoria i nomi e i simboli degli elementi riportati in Tabella 1. Un modo per imparare nomi e simboli consiste nel preparare un insieme di cartoncini che portano su una faccia il nome di un elemento e sull’altra faccia il simbolo corrispondente. Ogni giorno si prende un numero limitato di cartoncini; nei momenti liberi si guarda ciascun nome e si cerca di collegarlo al simbolo corrispondente e, analogamente, si guarda ciascun simbolo e si cerca di collegarlo al nome corrispondente.

Tabella 1 – Nomi e simboli degli elementi più comuni

Prima lettera

del nome Prime due lettere

del nome Prima lettera più terza o altra lettera del nome Simboli speciali

Elemento Simbolo Elemento Simbolo Elemento Simbolo Elemento Nome antico Simbolo

Boro B Alluminio Al Argento Ag Antimonio Stibium (L) Sb Carbonio C Argo Ar Arsenico As Azoto Nitrogenium (L) N Fluoro F Bario Ba Cadmio Cd Elio Helios (H) He Iodio I Berillio Be Cesio Cs Fosforo Phosphorus L) P Ossigeno O Bismuto Bi Cromo Cr Idrogeno Hydrogène (F) H Uranio U Bromo Br Magnesio Mg Mercurio Hydrargyrum

(L) Hg

Calcio Ca Manganese Mn Oro Aurum (L) Au Cloro Cl Piombo Pb Potassio Kalium (L) K Cobalto Co Platino Pt Rame Cuprum (L) Cu Cripto Kr Plutonio Pu Sodio Natrium (L) Na Ferro Fe Radon Rn Tungsteno Wolfram (D) W Germanio Ge Rubidio Rb Zolfo Sulphur (L) S Litio Li Stagno Sn Neon Ne Stronzio Sr Nichel Ni Zinco Zn Radio Ra Selenio Se Silicio Si Tellurio Te Titanio Ti

(L) sta per Latino, (H) sta per Greco, (F) sta per Francese, (D) sta per Tedesco.

Disponendo del concetto di elemento è possibile ritornare sulla definizione di formula chimica. In precedenza la formula chimica è stata definita in questo modo:

La formula chimica è una rappresentazione sintetica che usa i simboli chimici per indicare quanti atomi di un certo tipo sono presenti nella molecola di una sostanza.

In questa definizione si parla di “atomi di un certo tipo”. Ora è possibile precisare meglio questa idea formulando la definizione in questo modo:

La formula di una sostanza chimica indica: • quali sono gli elementi che la costituiscono; • il numero di atomi di ogni elemento per molecola di sostanza.


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Per esempio, il diossigeno (O2) è una sostanza semplice costituita di un unico elemento (l’ossigeno), e ogni molecola di diossigeno comporta due atomi di ossigeno. Il diossido di carbonio (CO2) è una sostanza composta costituita di due elementi (il carbonio e l’ossigeno), e ogni molecola di diossido di carbonio comporta un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno. RETICOLO DI CONCETTI Utilizzando la lista di concetti di seguito proposta, costruisci un reticolo di concetti che, secondo te, riassuma le idee, le definizioni, le affermazioni che sono contenute nelle attività affrontate nelle sequenze riguardanti il modello particellare della materia, le miscele, i passaggi di stato e le trasformazioni chimiche. Associa al reticolo una lista di asserzioni che esplicitino quali connessioni esistano tra i vari concetti. Se lo ritieni necessario o comunque utile, aggiungi altri concetti nella costruzione del reticolo. corpo, sistema omogeneo, atomi, sistema eterogeneo, miscela omogenea, miscela eterogenea, sostanza

semplice, identità, particelle, sostanza composta, proprietà macroscopiche, composizione, fase, modello

particellare, molecole, stati fisici di aggregazione, interfacce, sostanza, trasformazioni fisiche, elemento, unità

strutturali

ESERCIZI E PROBLEMI

1. Dopo avere studiato a memoria nomi e simboli degli elementi nella tabella 1, scrivere il simbolo dei seguenti elementi senza consultare la tabella: (a) manganese; (b) fosforo; (c) cobalto; (d) cadmio; (e) argento; (f) berillio; (g) iodio; (h) arsenico; (i) mercurio; (l) fluoro; (m) selenio; (n) potassio; (o) rubidio; (p) tungsteno; (q) sodio; (r) calcio; (s) cripto; (t) elio; (u) litio; (v) ferro

2. Dopo avere studiato a memoria nomi e simboli degli elementi nella tabella 1, scrivere il nome degli elementi i cui simboli sono: (a) Sb; (b) B; (c) Al; (d) Cu; (e) Zn; (f) Cr; (g) Xe; (h) Ba; (i) U; (l) Sn; (m) Bi; (n) Br; (o) Sr; (p) Au; (q) He; (r) Ag; (s) N; (t) C;(u) S; (v) Cl; (z) I.

3. Nella combustione del carbonio con il diossigeno si ha formazione di diossido di carbonio. Indicare quali sono gli elementi che si conservano in questa trasformazione chimica.

4. Indicare quali sono gli elementi presenti nella sostanza composta idrossido di rame la cui formula è Cu(OH)2.

5. La combustione del metano (CH4) con il diossigeno (O2) è rappresentata dal seguente schema di reazione

CH4(g) + O2(g) ® CO2(g) + 2 H2O(g)

Indicare quali sono gli elementi che si conservano in questa reazione chimica.


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6. Completare la seguente tabella

Simbologia chimica Descrizione Rappresentazione iconica

4AsCl3

2 molecole, costituite ognuna da 3 atomi di idrogeno, 1 atomo di fosforo, 4 atomi di ossigeno

3 molecole, costituite ognuna da 1 atomo di stagno e 2 atomi di cloro

3H2SO4

7. Associare a ogni formula (indicata da una lettera) il significato corretto (indicato da un numero)

a. Pb …….. 1. Un atomo di piombo

b. 2H2O …….. 2. Tre molecole di diossido di carbonio

c. I2 …….. 3. Due molecole di acqua

d. 2PbI2 …….. 4. Due molecole di monossido di carbonio

e. 3Cl2 …….. 5. Un atomo di cobalto

f. Co …….. 6. Tre molecole di dicloro

g. 2CO …….. 7. Due molecole di diioduro di piombo

h. 3CO2 …….. 8. Una molecola di diiodio

8. Indicare quanti atomi sono presenti in ciascuna unità strutturale delle seguenti sostanze:

(a) CsI, (b) C2H6, (c) PH3, (d) P4O10, (e) C6H12O6, (f) NiBr2, (g) Al2S3, (h) SeO2, (i) FeCl2, (l) C2H2, (m) H2S. 9. Indicare quanti atomi sono presenti in ciascuna unità strutturale delle seguenti sostanze:

(a) C7H5N3O6 (tritolo), (b) C20H30O (vitamina A), (c) Co2(SO4)3, (d) (NH4)2SO3, (e) C3H7OH, (f) Sr(ClO3)2, (g) Cd3(PO4)2, (h) Fe2(Cr2O7)3 10. Scrivere la formula chimica di una molecola che contiene il numero di atomi indicato sotto:

a. 1 atomo di zolfo e 3 atomi di ossigeno

b. 2 atomi di argento e 1 atomo di zolfo

c. 1 atomo di zinco e 2 atomi di iodio

d. 8 atomi di carbonio, 10 atomi di idrogeno, 4 atomi di azoto e 2 atomi di ossigeno (caffeina)

e. 1 atomo di carbonio, 2 atomi di cloro e 1 atomo di fluoro (Freon)

f. 2 atomi di ferro e 1 atomo di zolfo

g. 34 atomi di carbonio, 32 atomi di idrogeno, 1 atomo di ferro, 4 atomi di azoto e 4 atomi di ossigeno

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