Tanti tipi di materia(li)

Un’altra classificazione dei materiali, cioè dei diversi tipi di materia, è quella che li distingue in sostanze pure e miscugli. In chimica l’aggettivo puro ha un significato preciso: un corpo o un sistema è puro quando è formato da una singola sostanza che presenta una composizione costante. L’acqua distillata è una sostanza pura perché è acqua al 100%. L’acqua del rubinetto o l’acqua minerale non sono pure in quanto in esse sono disciolti i sali minerali. Tutti i materiali dell’universo sono formati da due tipi di sostanze pure: gli elementi e i composti. Si definisce elemento o sostanza semplice una sostanza pura che non può essere trasformata in componenti ancora più semplici. Quando un chimico analizza, per esempio, un pezzo di alluminio, lo trova costituito da alluminio in ogni sua parte e non lo può trasformare in una sostanza più semplice. La stessa cosa vale con il carbonio, l’ossigeno, l’azoto, l’oro, il ferro e vari altri metalli. Le sostanze pure più numerose sulla terra sono i composti. L’acqua distillata, lo zucchero e il cloruro di sodio sono tipici esempi di composti. Si definisce composto o sostanza composta ogni sostanza pura che può essere decomposta in altre sostanze pure più semplici. L’acqua distillata è un composto formato da due sostanze semplici, idrogeno e ossigeno; essa può essere separata nei suoi due componenti semplici attraverso un procedimento chimico.

Due o più sostanze composte si possono mescolare fra loro o con altre sostanze semplici per formare un miscuglio, cosa che accade di frequente in natura. L’acqua distillata allo stato puro è un composto; quando in essa vi sono disciolti sali minerali, diviene miscuglio e forma l’acqua minerale o l’acqua del rubinetto.

I miscugli possono essere omogenei o eterogenei. I miscugli omogenei presentano un aspetto così uniforme da non riuscire a distinguere le sostanze che li compongono: l’acqua zuccherata, formata da acqua e zucchero, ci appare come un unico liquido uniforme, uguale in tutte le sue parti. Anche l’acqua potabile, pur contenendo disciolti diversi sali minerali, ci appare come un unico liquido, e così l’aria, l’acciaio e via dicendo. I miscugli omogenei possiedono un’altra particolarità: conservano in ogni loro parte le stesse proprietà delle sostanze di cui sono composti. Per esempio, il caffè composto da acqua, zucchero e caffè, possiede l’aspetto liquido dell’acqua, il sapore del caffè e il dolce dello zucchero in ogni sua goccia. I miscugli omogenei sono conosciuti con il nome di soluzioni. Anche se il termine «soluzione» ci induce comunemente a pensare a qualcosa di liquido, in realtà è una soluzione anche l’aria poiché si tratta di un miscuglio omogeneo gassoso formato da azoto, ossigeno, vapore acqueo, anidride carbonica e altri gas, ed è una soluzione anche l’acciaio inossidabile perché è un miscuglio omogeneo solido composto di ferro, carbonio, nichel e cromo. I miscugli eterogenei non sono uniformi (cioè non sono uguali in tutte le loro parti) e le diverse sostanze che li formano sono ben distinguibili, o direttamente attraverso i nostri sensi (acqua più olio) o per mezzo di una lente d’ingrandimento (i granelli di sabbia di colore e brillantezza diversi). Data l’età degli alunni, una volta introdotta l’esatta terminologia, si possono definire con il nome di: non soluzioni i miscugli eterogenei, per distinguerli dalle soluzioni.

Un campione di acqua distillata e uno di acqua del rubinetto; due bicchieri di vetro; zucchero; due cucchiai da tavola; una candela

Sostanze pure e non - Poniamo il campione di acqua distillata e uno di acqua di rubinetto in due bicchieri di vetro e lasciamoli evaporare: l’acqua del rubinetto depositerà sul fondo del bicchiere il suo residuo di sali minerali che non compariranno, invece, nel bicchiere che conteneva acqua distillata, perché essa è una sostanza pura. Composti ed elementi - L’acqua distillata è un composto (o sostanza pura composta) perché formata a sua volta da due sostanze pure semplici combinate fra loro, idrogeno e ossigeno. I singoli componenti di un composto sono detti elementi. Mostriamo agli alunni del comune zucchero su un cucchiaio da tavola, facendone osservare la struttura cristallina. Anche lo zucchero è un composto formato da più elementi:

OSSIGENO + IDROGENO (acqua) + CARBONIO = ZUCCHERO

Esponiamo il cucchiaio contenente lo zucchero alla fiamma di una candela e facciamolo riscaldare. Invitiamo gli alunni ad ascoltare lo sfrigolio che si produce mentre la sostanza inizia a liquefarsi e a bollire. Nel frattempo poniamo per qualche istante sopra al primo cucchiaio un secondo cucchiaio per far notare come sulla sua superficie si depositino delle goccioline d’acqua: lo zucchero sta liberando l’ossigeno e l’idrogeno dell’acqua (insieme come acqua, non separati) mentre si sta trasformando (trasformazione chimica) in una nuova sostanza di colore e consistenza diversa (sta cambiando le sue proprietà fisiche). Quando tutta l’acqua sarà completamente evaporata, sul cucchiaio rimarrà una massa nera: il carbonio. Il carbonio è una sostanza pura, cioè un elemento. Un elemento o sostanza semplice non può essere diviso in sostanze pure più semplici. Le singole particelle di elementi, microscopiche e di diverse dimensioni, rappresentano la parte ultima della materia e sono chiamate atomi. Un gruppo di atomi forma la molecola. È proprio sotto forma di molecola che l’acqua assume le caratteristiche che ha; se separata nei suoi due elementi, ossigeno e idrogeno, essa le perde. Nel linguaggio scientifico più rigoroso, quando si parla di sostanze, ci si riferisce alle sole sostanze pure: acqua (distillata), cloruro di sodio (sale puro), ossigeno, oro puro, ferro… Il resto (miscugli di sostanze pure) sono tutti materiali: acqua del rubinetto, zucchero, carta, plastica, legno, caffè, marmo… Pertanto anche a scuola, se non si è sicuri della purezza della materia che compone un oggetto, un corpo o un sistema, è preferibile usare la parola «materiale» per indicarlo, tralasciando l’uso della parola «sostanza».

Acqua; bicchieri di plastica trasparente; cucchiaini di plastica; lenti d’ingrandimento; materiali liquidi (aceto, vino, olio, colorante alimentare, detersivo liquido…) e materiali solidi (zucchero, citrato, bicarbonato di sodio, cacao in polvere, talco, farina, orzo o caffè macinati, detersivo in polvere, pepe, sabbia…)

Che cosa fare

Ribadiamo il concetto esatto di miscuglio omogeneo o soluzione (miscela di diversi materiali o sostanze che non si distinguono l’una dall’altra) e di miscuglio eterogeneo o non soluzione (miscela di diversi materiali o sostanze ben distinguibili), scrivendolo alla lavagna. Dividiamo poi la classe in piccoli gruppi con la consegna di preparare ciascuno 4 soluzioni e 4 non soluzioni, mischiando fra loro i materiali distribuiti e provando a creare miscugli di liquidi in liquidi, solidi in liquidi, solidi in solidi. Gli alunni dovranno scegliere di miscelare due materiali per bicchiere, secondo le combinazioni che riterranno più opportune. Dovranno mescolarli bene e attendere qualche minuto prima di procedere alla compilazione della scheda fotocopiabile n. 29, consegnata insieme ai materiali per l’esperimento (le prime quattro colonne). Alla fine i gruppi confronteranno i risultati.

Il talco che si è separato dall’acqua e si è depositato sul fondo del bicchiere (questo materiale non si scioglie in acqua) rientra in una particolare separazione di miscugli chiamata decantazione. A questo punto si può procedere alla separazione dei due materiali. Si pone sul bicchiere l’imbuto con all’interno il filtro di carta e si versa dentro il miscuglio di acqua e talco lentamente e dopo aver rimescolato. Tolto il filtro dall’imbuto, lo si lascia asciugare. Dopo qualche tempo si osserverà che il talco si è raccolto sul filtro perché è formato da particelle troppo grosse per passare attraverso la carta (separazione per filtrazione). Al posto del talco si può usare la farina. Dopo quest’esperienza collettiva, dividiamo la classe in piccoli gruppi e consegniamo a ciascuno due bicchieri di plastica contenenti uno farina e l’altro un po’ di limatura di ferro (la si trova presso qualunque ferramenta o colorificio) e una calamita. Invitiamo gli alunni a creare un miscuglio con i due materiali e, con l’aiuto di una lente, a osservare le due polveri.