L'aria è un miscuglio, non un composto
Un miscuglio è fatto da due o più sostanze mescolate ma non unite da una reazione chimica. L'aria è un miscuglio. Come lo sappiamo?
- La quantità di ogni gas può cambiare. In una stanza affollata c'è più anidride carbonica. Sul mare c'è più vapore acqueo. Un composto ha sempre una composizione fissa.
- Ogni gas mantiene le proprie proprietà. L'ossigeno nell'aria aiuta ancora a bruciare. L'azoto nell'aria no.
- I gas si possono separare con mezzi fisici. Raffreddata a circa −200 °C, l'aria diventa liquida. Riscaldandola piano, ogni gas bolle a una sua temperatura (distillazione frazionata). L'azoto bolle a −196 °C, l'argon a −186 °C, l'ossigeno a −183 °C.
- Mescolare i gas per fare l'aria non produce calore né luce, a differenza di quando si forma un composto.
Quali gas ci sono nell'aria?
Nell'aria secca e pulita (in volume):
| Gas | Percentuale | Compito principale |
|---|---|---|
| Azoto, N₂ | circa 78% | Diluisce l'ossigeno; le piante lo ricevono tramite i batteri del suolo; serve per fare i fertilizzanti |
| Ossigeno, O₂ | circa 21% | Respirazione e combustione |
| Argon, Ar | circa 0,93% | Gas nobile non reattivo |
| Anidride carbonica, CO₂ | circa 0,04% | Le piante la usano nella fotosintesi; trattiene il calore |
| Neon, elio, kripton, xeno | tracce minime | Gas nobili |
Il vapore acqueo non è nella tabella perché cambia: da quasi 0% in un deserto a circa 4% in una foresta pluviale umida. L'aria porta anche polvere, polline e microbi.
Gas nobili: proprietà e usi
Elio, neon, argon, kripton e xeno sono i gas nobili (Gruppo 18). I loro atomi hanno il guscio esterno pieno, perciò quasi non reagiscono mai. Non hanno colore né odore.
- Argon: riempie le lampadine a filamento e protegge il metallo caldo durante la saldatura, così non brucia.
- Elio: molto leggero e non brucia, quindi si usa nei palloni meteorologici e nei palloncini delle feste.
- Neon: brilla di rosso-arancio nelle insegne pubblicitarie quando lo attraversa la corrente.
- Kripton e xeno: lampade molto luminose, come i fari delle auto e le lampade dei fari marittimi.
Misurare l'ossigeno nell'aria
Idea: intrappola un volume noto di aria. Consuma solo l'ossigeno. Guarda di quanto si riduce il volume.
Metodo 1: ferro che arrugginisce
Spingi lana di ferro umida in cima a un tubo graduato. Metti il tubo capovolto nell'acqua. In pochi giorni il ferro arrugginisce. La ruggine consuma ossigeno, perciò l'acqua sale nel tubo a prendere il suo posto. Si ferma a circa 1/5 (21%) del volume dell'aria.
Metodo 2: fosforo che brucia (campana di vetro)
Si brucia fosforo rosso in una campana di vetro posta nell'acqua. Reagisce con l'ossigeno e forma un ossido solido bianco, che si scioglie. Quando la campana si raffredda, l'acqua sale di circa 1/5.
Metodo 3: rame caldo e due siringhe
100 cm³ di aria vengono spinti avanti e indietro sopra rame caldo tra due siringhe per gas. Il rame diventa nero (ossido di rame) perché si prende l'ossigeno. Dopo il raffreddamento restano circa 79 cm³, quindi circa 21 cm³ erano ossigeno.
Percentuale di ossigeno = (volume consumato ÷ volume iniziale) × 100. Il gas rimasto non sostiene la combustione: un fiammifero acceso si spegne. Questo mostra che è soprattutto azoto.
Inquinamento dell'aria: fonti, effetti e difesa
Un inquinante è una sostanza aggiunta all'aria che danneggia gli esseri viventi o gli edifici.
| Inquinante | Fonte principale | Effetto |
|---|---|---|
| Particolato (PM2.5, PM10, fuliggine) | Motori diesel, bruciatura dei residui agricoli, polvere | Penetra in profondità nei polmoni; asma, malattie del cuore; smog |
| Monossido di carbonio (CO) | Combustibili bruciati con poca aria; scarichi delle auto | Velenoso: impedisce al sangue di trasportare ossigeno |
| Anidride solforosa (SO₂) | Combustione di carbone e petrolio che contengono zolfo | Piogge acide; problemi respiratori; rovina il marmo |
| Ossidi di azoto (NO, NO₂) | Motori d'auto caldi; centrali elettriche | Piogge acide; smog |
| CO₂ in eccesso, metano | Combustione di combustibili fossili; allevamenti e campi | Trattengono il calore: riscaldamento globale |
Proteggere l'aria
- Usa i mezzi pubblici, la bicicletta o vai a piedi; passa a veicoli elettrici e a metano.
- I catalizzatori delle auto trasformano CO e NO in CO₂ e N₂.
- Gli scrubber tolgono l'SO₂ dai fumi delle centrali; si usano combustibili a basso contenuto di zolfo.
- Non bruciare i rifiuti o le stoppie; pianta alberi; controlla l'indice di qualità dell'aria (AQI) e metti la mascherina nei giorni peggiori.
Provalo a casa
Spingi una pallina di lana d'acciaio umida (quella che si usa per pulire le pentole) sul fondo di un bicchiere alto. Capovolgi il bicchiere in un piatto con acqua. Segna il livello dell'acqua con un pezzo di nastro. Controlla dopo 3 giorni. L'acqua sale di circa un quinto dello spazio d'aria. Hai appena misurato l'ossigeno dell'aria! (Fatti aiutare da un adulto; non servono fiamme.)
Formule e definizioni chiave
- Aria in volume: N₂ ≈ 78%, O₂ ≈ 21%, Ar ≈ 0,93%, CO₂ ≈ 0,04%
- Percentuale di ossigeno = (volume di ossigeno consumato ÷ volume iniziale di aria) × 100
- Volume di un gas nell'aria = volume totale × (percentuale ÷ 100)
- Miscuglio: parti non unite chimicamente; le proporzioni possono cambiare; si separa con metodi fisici
- Gas nobili (Gruppo 18): He, Ne, Ar, Kr, Xe – gusci esterni pieni, molto poco reattivi
Esempi svolti
1. Un'aula contiene 200 m³ di aria. Circa quanto di questa è ossigeno?
Ossigeno ≈ 21% di 200 m³ = 0,21 × 200 = 42 m³.
2. Nell'esperimento con il rame, 100 cm³ di aria si riducono a 79 cm³. Trova la percentuale di ossigeno.
Ossigeno consumato = 100 − 79 = 21 cm³. Percentuale = 21 ÷ 100 × 100 = 21%.
3. Un tubo contiene 50 cm³ di aria. Dopo che la lana di ferro è arrugginita, restano 40 cm³ di gas. Che percentuale dell'aria era ossigeno? È vicina al valore reale?
Consumato = 50 − 40 = 10 cm³. Percentuale = 10 ÷ 50 × 100 = 20%. Sì, è vicina al 21% (i piccoli errori vengono dalla lettura della scala o dal ferro che non consuma tutto l'ossigeno).
4. Perché nelle lampadine si usa l'argon e non l'ossigeno?
L'ossigeno farebbe bruciare e spezzare il filamento caldo. L'argon è un gas nobile: non reagisce, quindi il filamento dura più a lungo.
Errori comuni
- Dire che l'aria è fatta soprattutto di ossigeno. L'aria è soprattutto azoto (78%); l'ossigeno è solo circa il 21%.
- Chiamare l'aria un composto. È un miscuglio: la sua composizione può cambiare e i suoi gas si separano con metodi fisici.
- Pensare che l'anidride carbonica sia gran parte dell'aria. È solo circa lo 0,04%, anche se conta molto per il clima.
- Usare il volume finale invece del volume consumato: % ossigeno = (inizio − fine) ÷ inizio × 100.