Adoro quando gli insegnanti fanno domande! Mi piace sempre una buona domanda di scienze perché mi fanno pensare veramente all’argomento per essere sicuro di dare la risposta giusta, ma quando un insegnante fa una domanda, mi sento obbligato a dare una risposta (se posso) che gli permetta di spiegare l’argomento ai loro studenti. Recentemente, ho parlato con un amico insegnante di cambiamenti chimici e fisici, e più abbiamo parlato, più ho pensato che il resto di voi potrebbe trovare questo utile.
I concetti di cambiamenti fisici e chimici sono inclusi nel curriculum della scuola elementare e media nella maggior parte degli stati, e ci si aspetta che gli studenti siano in grado di dire se un cambiamento è fisico o chimico.
Per un cambiamento chimico, almeno una delle sostanze coinvolte deve finire con una formula chimica diversa. Per un cambiamento fisico, una sostanza può cambiare le sue proprietà fisiche (dimensione, forma, colore, ecc.) ma la sua formula chimica rimane la stessa.
OK sembra abbastanza semplice. Se una formula chimica cambia, abbiamo un cambiamento chimico. Per esempio, se mescoliamo aceto e bicarbonato di sodio, la miscela bolle e frizza, e ci ritroviamo con acqua, anidride carbonica e acetato di sodio.
CH3CO2H + NaHCO3 = H2O + CO2 + CH3COONa
Le formule chimiche alla fine sono diverse dalle formule all’inizio, il che ci dice che questo è un cambiamento chimico. Un buon esempio è lo scioglimento dello zucchero in acqua. Una volta che lo zucchero si è sciolto, si hanno molecole di zucchero mescolate alle molecole d’acqua. Le formule chimiche alla fine sono le stesse che erano all’inizio, quindi questo è un cambiamento fisico.
C12H22O11 + H2O = C12H22O11 + H2O
Anche se questa può sembrare una semplice distinzione, a meno che non si conoscano le formule chimiche delle sostanze prima e dopo il cambiamento, non si può essere sicuri di quale tipo di cambiamento si tratti. Ci sono indicatori che un cambiamento POTREBBE essere un cambiamento chimico, come un cambiamento di colore, un cambiamento di temperatura, l’emissione di luce, la formazione di bolle di gas, o la formazione di un precipitato (particelle solide), ma NESSUNO di questi sono prove conclusive di un cambiamento chimico. Ognuno di essi può anche essere causato da un cambiamento fisico.
Cambiamento di colore:
Mescolate del colorante alimentare giallo con del colorante alimentare blu e otterrete il verde, un cambiamento fisico che risulta in un cambiamento di colore.
Cambiamento di temperatura:
Metti un po’ di alcol sulla tua pelle. Mentre evapora, la tua pelle diventa più fredda. Questo è un cambiamento fisico (evaporazione) che ti dà un cambiamento di temperatura. E la produzione di calore? Gli impacchi di calore riutilizzabili venduti per i dolori muscolari contengono una soluzione super saturata di una sostanza chimica chiamata acetato di sodio. Quando l’acetato di sodio cristallizza (un cambiamento fisico), emette un bel po’ di calore, ma la formula chimica rimane la stessa.
Fare luce:
Accendere una luce al neon. Il gas neon si trasforma in plasma ed emette luce, ma è ancora neon, ma ora è un plasma invece di un gas. Questo è un cambiamento fisico.
Formazione di bolle di gas:
Scaldate una pentola d’acqua. Prima che diventi abbastanza calda da bollire, vedrete delle bolle. Quelle bolle sono gas che sono stati dissolti nell’acqua. Questo è un cambiamento fisico che produce bolle di gas. Continuate a riscaldare l’acqua e bollirà. Di nuovo, otterrete bolle di gas, e di nuovo si tratta di un cambiamento fisico.
Formazione di un precipitato:
Un precipitato è un solido che si forma in una soluzione. Sciogliere lo zucchero in acqua fino a quando non si scioglie più. Lasciate evaporare l’acqua e otterrete un precipitato (e una caramella!) Questo è un cambiamento fisico.
Reversibile:
Molte fonti dicono che i cambiamenti fisici sono reversibili, mentre quelli chimici no. Mettiamo alla prova questo con un esempio comune di cambiamento fisico. Strappare un foglio di carta in pezzi. Nessuna formula chimica è cambiata, quindi questo è un cambiamento fisico. Ora invertite il cambiamento per rimettere insieme i pezzi in un foglio di carta. Vai avanti e fallo ora. Io aspetto.
Ora guardiamo un esempio ancora più difficile. Se fondiamo del rame e dello zinco, e poi li mescoliamo insieme, otteniamo una soluzione nota come ottone. Il rame e lo zinco non hanno reagito chimicamente, quindi si tratta di un cambiamento fisico, ma se si cerca di invertire il processo per separare il rame e lo zinco, si ha una vera sfida tra le mani.
D’altra parte, molti cambiamenti chimici sono facilmente reversibili. Si può usare una corrente elettrica per rompere l’acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2). Le formule sono cambiate, quindi questo è un cambiamento chimico. Una piccola scintilla accenderà la miscela di gas, producendo acqua (H2O). Hai appena invertito il cambiamento e ti sei ritrovato con la stessa sostanza con cui hai iniziato.
Se hai mai usato le cartine tornasole o altri indicatori di pH, hai già visto un esempio di cambiamento chimico facilmente reversibile. Questi indicatori cambiano la loro formula chimica a seconda del pH del loro ambiente, e la reazione chimica può essere invertita più e più volte.
Un altro grande esempio di cambiamento chimico reversibile è il ciclo del carbonio. La respirazione e la fotosintesi sono grandi esempi di cambiamenti chimici reversibili. La respirazione cellulare converte l’ossigeno in anidride carbonica. La fotosintesi converte l’anidride carbonica in ossigeno. Le stesse molecole vengono cambiate chimicamente avanti e indietro, ancora e ancora e ancora.
Quello che si riduce a tutto è che a meno che non si conoscano le formule chimiche delle sostanze prima e dopo un cambiamento, non c’è modo di essere sicuri se il cambiamento è stato chimico o fisico. Si può fare un’ipotesi, ma finché non si guarda l’equazione chimica, non si può essere sicuri.
Diventa ancora più difficile quando si guardano alcuni degli esempi da manuale di cambiamenti chimici e fisici. Per esempio:
1. Cuocere una torta è un esempio di cambiamento chimico o fisico?
Fermati qui, e pensa attentamente a entrambi gli esempi prima di andare avanti. No, dico davvero. Fermati. Pensa. Pensa ancora un po’. Poi clicca qui per la risposta.
Ovviamente, la risposta è no. No? Che razza di risposta è questa? Beh, la domanda era: “Cuocere una torta è un esempio di cambiamento chimico o fisico?” In realtà, cuocere una torta è un esempio di diversi cambiamenti chimici e diversi cambiamenti fisici, quindi non è uno O l’altro. Invece, sono diversi esempi di entrambi i tipi di cambiamento. La denaturazione delle proteine nel latte, nelle uova e nella farina sono cambiamenti chimici. Si rompono i legami chimici e se ne creano di nuovi. Il bicarbonato di sodio e l’acido tartarico nel lievito in polvere reagiscono chimicamente per produrre gas di anidride carbonica in modo che la vostra torta lieviti. Anche questo è un cambiamento chimico.
D’altra parte, se assaggiate la torta, lo zucchero non è cambiato chimicamente. È ancora (C12H22O11), e sa ancora di zucchero. È stato sciolto nell’impasto liquido, ma questo è un cambiamento fisico. Se si mette un pezzo di torta in una ciotola d’acqua, lo si schiaccia, lo si filtra e si fa evaporare l’acqua, si ottiene di nuovo lo zucchero.
L’acqua nella pastella non è cambiata chimicamente. Un bel po’ è evaporata, ma questo è un cambiamento fisico. Se hai aggiunto spezie o aromi alla torta, probabilmente non sono cambiati chimicamente, ma alcune delle loro sostanze chimiche volatili si sono dissolte e si sono diffuse nella torta. Se avete bruciato la torta, allora anche il sapore sarà cambiato, e questo sarebbe un cambiamento chimico. L’alcool e l’acqua nel tuo estratto di vaniglia sono evaporati (cambiamento fisico), lasciando la vanillina invariata per aromatizzare la tua torta. A ben vedere, la cottura di una torta include diversi esempi di cambiamenti sia chimici che fisici.
2. Sciogliere il sale in acqua è un cambiamento chimico o un cambiamento fisico?
OK, ora il secondo. Anche in questo caso, pensaci bene prima di andare avanti. Poi clicca qui per la risposta.
L’esempio #2 fa parte di una conversazione che sto avendo al momento. Sciogliere il sale in acqua è un esempio comunemente usato di cambiamento fisico, ma quando si scioglie il sale (NaCl) in acqua (H2O), si ottengono ioni di sodio (Na+) e ioni di cloro (Cl-) mescolati all’acqua (H2O). Alcune persone sostengono che questo è un cambiamento chimico, poiché il composto ionico del cloruro di sodio si è separato in ioni di sodio e ioni di cloro. Questa discussione è ancora in corso, quindi sentitevi liberi di aggiungere i vostri commenti.
Anche se questo può sembrare molto complesso, una volta che si inizia a imparare la chimica, diventa molto più facile. Quando si studia la chimica, ci si concentra su formule ed equazioni chimiche. Guardare un’equazione chimica ti dirà immediatamente se le formule sono cambiate o meno. Chi avrebbe mai pensato che la chimica del liceo potesse essere molto più semplice della scienza delle elementari?