Appunti di Chimica 1 - II P

Istituto di Istruzione Superiore “25 Aprile”
Via XXIV Maggio 13, 10082 Cuorgnè (TO)
SCIENZE INTEGRATE (CHIMICA)
Prof. Sante Fontana
CHE COSA E’ E DI COSA SI OCCUPA LA CHIMICA?
La CHIMICA è una disciplina scientifica che si occupa di studiare:
− la composizione della materia e degli oggetti, cioè scoprire quali sono le sostanze che
costituiscono i corpi viventi e gli oggetti inanimati;
− le proprietà delle sostanze che costituiscono i corpi viventi e gli oggetti inanimati;
− come le diverse sostanze reagiscono tra di loro per formare altre sostanze.
Partendo dall’ultimo punto, possiamo dire che la caratteristica principale di un PROCESSO
CHIMICO è la trasformazione della materia: le sostanze che avevamo all’inizio del processo
chimico reagiscono tra di loro per formare nuove sostanze con composizione e caratteristiche
diverse da quelle di partenza.
Vediamo alcuni esempi schematici di reazioni/processi chimici:
A + B
C
C
A + B
A + B
C + D
Un esempio, realizzabile con oggetti di uso comune (recipiente trasparente, acqua, succo di limone,
batteria), è l’elettrolisi dell’acqua (“rottura” delle molecole di acqua mediante “energia
elettrica”), durante la quale si formano idrogeno ed ossigeno gassoso:
2 H2 O
2H2 + O2
Riassumendo, un processo chimico, o reazione chimica, è un fenomeno reversibile o irreversibile in
cui la caratte ristica principale è la trasformazione della materia.
Un PROCESSO FISICO è un fenomeno durante il quale la materia/gli oggetti coinvolti non
cambiano la loro composizione. Può essere reversibile o irreversibile ma la natura e le proprietà
delle sostanze che avevamo all’inizio del fenomeno sono le stesse che troviamo alla fine.
Un esempio di cui tutti possiamo fare esperienza sono i cambiamenti di stato (fisico) dell’acqua:
H2O(s)
H2O(l)
H2O(g)
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Come si può facilmente osservare la natura della sostanza, l’acqua, non cambia. Ciò che cambia è
l’intensità delle forze che tengono unite le molecole di acqua; tali forze sono molto forti nel
ghiaccio (H2O(s)), mediamente forti nell’acqua (H2O(l)), deboli nel vapore (H2O(g)).
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IL METODO SCIENTIFICO SPERIMENTALE
Per acquisire delle conoscenze è necessario basarsi su dei dati sperimentali, i quali
ci permettono di quantificare, mediante delle misure, quello che precedentemente
era stato osservato e descritto. Tali risultati vengono ottenuti metodicamente, cioè
seguendo una serie di passaggi prestabiliti, che possono essere applicati da chiunque
voglia studiare un particolare evento.
L’insieme di queste procedure, alcune delle quali sono insite nel processo naturale di
apprendimento di ogni individuo, prende il nome di “metodo scientifico sperimentale” e fu
descritto per la prima volta da Galileo Galilei (Pisa, 15 febbraio 1564 – Arcetri, 8 gennaio 1642).
Il metodo scientifico sperimentale ha come scopo risolvere un problema o comprendere meglio un
fenomeno osservato. Prevede una serie di passaggi, che possono essere adattati a seconda delle
necessità, ma che ruotano tutti intorno agli esperimenti, realizzati per ottenere i dati (le
informazioni) necessari a confermare le ipotesi di partenza, così da formulare teorie e leggi.
FARE OSSERVAZIONI
PORSI DELLE DOMANDE
SVILUPPARE UN’IPOTESI (RISPOSTA)
VERIFICARE L’IPOTESI CON UNO O PIÚ
ESPERIMENTI
Durante i quali assegnare valori alle
variabili dipendenti per ottenere quelli
delle variabili indipendenti.
VERIFICARE
L’IPOTESI CON
ULTERIORI
ESPERIMENTI
ANALIZZARE I DATI E
TRARRE LE CONCLUSIONI
L’IPOTESI È VERIFICATA
L’IPOTESI NON È VERIFICATA
SVILUPPARE UNA TEORIA O MODELLO
Che fornisce la spiegazione del perché di un evento.
LEGGE SCIENTIFICA
Descrive un evento/modello osservato
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LA MISURA E LA SUA IMPORTANZA
Spesso, nel linguaggio comune, i corpi e gli eventi vengono descritti in modo approssimato (Es. Un
corpo può essere definito grande o piccolo, una giornata calda o fredda, un viaggio lungo o corto e
così via) facendo riferimento ad una scala di valori e riferimenti personali/soggettivi e che, come
tali, variano da individuo ad individuo.
Nel linguaggio scientifico occorre quantificare la proprietà del corpo o dell’evento che stiamo
descrivendo; ciò ci permette di avere dei dati oggettivi cioè, validi per tutti.
Dopo aver attribuito un valore numerico è necessario anche indicare a quale proprietà del corpo e
dell’evento quel numero si riferisce (Es. Un albero è alto 5 cosa?; Un masso pesa 20 cosa? E così
via).
Purtroppo, non tutte le proprietà dei corpi si possono misurare, sia perché non abbiamo scale di
riferimento oggettive a cui fare riferimento (Es. la bellezza, la bontà, il profumo dei fiori, il sapore
di un cibo, ecc.), sia perché non eravamo presenti quando l’evento è accaduto (Es. Origine
dell’universo, estinzione dei dinosauri), sia perché non abbiamo strumenti per la misura diretta del
fenomeno (Es. Grandezza dell’universo).
Le proprietà della materia che invece possiamo misurare sono definite grandezze fisiche (Es.
Massa, temperatura, lunghezza...).
Le proprietà misurabili che dipendono dalle dimensioni del corpo e sono quindi caratteristiche del
corpo in esame sono definite proprietà estensive (Es. Volume, massa, peso...).
Le proprietà che non dipendono dalle dimensioni del corpo ma sono caratteristiche della sostanza
del campione in esame sono definite proprietà intensive (Es. Densità, peso specifico, temperatura
di ebollizione...).
Per misurare una grandezza fisica occorre avere una grandezza di riferimento con cui
confrontarla. Quest’ultima deve essere dello stesso tipo di quella in esame ed ad essa viene
attribuito arbitrariamente il valore unitario e perciò è definita “unità di misura”.
“Misurare una grandezza fisica significa calcolare quante volte la grandezza esaminata contiene
l’unità di misura che la caratterizza.”
“Affinché una misura abbia senso, deve essere espressa attraverso un numero (informazione
quantitativa) ed un’unità di misura (informazione qualitativa).”
IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA (SI)
Nel corso della storia, molti furono i sistemi di riferimento e le unità di misura adottati ma non
sempre essi permettevano la diffusione e la comprensione, da parte di tutti, dei risultati ottenuti, il
confronto tra gli scienziati provenienti da nazioni diverse, in cui si applicavano sistemi di misura
differenti. Per superare i problemi derivanti da questa situazione, nel 1960, la comunità scientifica
internazionale decise di unificare i sistemi di misura allora utilizzati, concordando che, in ambito
scientifico, tutti dovessero utilizzare il nuovo Sistema Internazionale di Misura (SI), la cui
ufficializzazione avvenne nel 1978; da allora esso è la “lingua ufficiale” degli scienziati.
Il Sistema Internazionale di Misura si basa su sette grandezze fondamentali, a cui si affiancano
due grandezze supplementari per la misura degli angoli.
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Grandezze fondamentali
Grandezza fisica
Unità di misura
Lunghezza (l)
(Distanza geometrica tra due punti nello spazio)
metro
(m)
Massa (m)
(Resistenza che un corpo oppone a qualsiasi modificazione del
suo stato di quiete)
kilogrammo
(kg)
Tempo (t)
(L’intervallo di tempo è la distanza temporale che intercorre
tra due eventi)
secondo
(s)
Intensità di corrente elettrica (I, i)
(Quantità carica elettrica trasportata entro un'unità di tempo)
ampere
(A)
Temperatura termodinamica (T)
(Indica lo stato termodinamico di un corpo e si misura con un
termometro)
kelvin
(K)
Intensità luminosa (Iv)
(Numero di fotoni che attraversa una sezione unitaria di un
campione, che può essere anche il vuoto, nell'unità di tempo)
candela
(cd)
Quantità di sostanza (n)
(Quantità di sostanza contenuta in un insieme e proporzionale
al numero di entità presenti)
mole
(mol)
Grandezze supplementari
Angolo piano
Angolo solido
radiante
(rad)
steradiante
(sr)
Tutte le altre grandezze sono dette grandezze derivate e vengono espresse con le unità di misura
delle grandezze fondamentali, in quanto derivano dalla combinazione (mediante moltiplicazione e/o
divisione) di queste.
Grandezze derivate
(Sono elencate solo quelle che verranno incontrate durante il corso)
Grandezza fisica
Accelerazione (a)
(Variazione di velocità di un corpo nell’unità di tempo)
Calore
(Forma in cui l’energia delle molecole passa da un
corpo più caldo ad un corpo più freddo)
Carica elettrica (Q)
(Quantità di elettricità di cui è dotato un corpo)
Energia (E, U)
(Capacità di un corpo o di un sistema di compiere
lavoro e la misura di questo lavoro è a sua volta la
misura dell'energia)
Forza (F)
(Grandezza fisica vettoriale capace di indurre una
variazione dello stato di quiete o di moto dei corpi)
Frequenza (f, ν)
(È una grandezza che concerne fenomeni periodici o
processi ripetitivi, viene data dal numero degli eventi
che vengono ripetuti in una data unità di tempo)
Massa volumica o densità (ρ, d, δ)
(Rapporto tra la massa ed il volume di un corpo,
caratteristico della sostanza che costituisce il corpo)
Unità di
misura
metro al secondo
quadrato
(m/s2)
joule
(J = N · m)
caloria
(1 cal = 4,186
J)
coulomb
(C = A · s)
joule
(J = N · m)
newton
(N = kg · m/s2)
hertz
(Hz = 1/s)
kilogrammo al
metro cubo
(kg/m3)
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Peso volumico o peso specifico (Ps , γ)
(Esprime il peso dell’unità di volume di un corpo,
caratteristico della sostanza che costituisce il corpo)
Pressione (p)
(È il rapporto tra il modulo della forza agente
perpendicolarmente ad una superficie e l’area di
quest’ultima)
Superficie (A)
(Forma geometrica senza spessore, avente solo due
dimensioni)
Velocità (v)
(È una grandezza vettoriale che indica la rapidità di
moto, modulo, la direzione e il verso di un corpo in
movimento)
Volume (V)
(Misura dello spazio occupato da un corpo)
newton al metro
cubo
(N/m3)
pascal
(Pa = N/m2)
metro quadrato
(m2)
metro al secondo
(m/s)
metro cubo
(m3)
Esistono poi delle grandezze particolari, definite costanti universali, il cui valore è del tutto
indipendente dalle particolari condizioni fisiche del sistema e dal particolare luogo in cui si svolge
l’esperimento.
Costanti universali
Simbolo Valore numerico
Costante
carica dell’elettrone
massa dell’elettrone
massa del protone
massa del neutrone
numero di Avogadro
costante universale dei gas
velocità della luce nel vuoto
accelerazione di gravità
e
me
mp
mn
N0
R
c
g
1,6021892 10-19
9,109534 10-31
1,6726485 10-27
1,6749543 10-27
6,022045 1023
8,31441
2,99792458 108
9,8062
Unità SI
C
kg
kg
kg
1/mol
J/mol · K
m/s
m/s2
Per misure molto grandi o molto piccole, il Sistema Internazionale di Misura utilizza la “notazione
scientifica”, scrivendo la misura in forma esponenziale con potenze di 10. In tal caso 10n
rappresenta l’ordine di grandezza della proprietà misurata. Se n ≥ 1 abbiamo i multipli dell’unità
di misura; se n ≤ 0 abbiamo i sottomultipli.
Fattore di moltiplicazione
1000000000 = 109
1000000 = 106
1000 = 103
100 = 102
10 = 101
1 = 100
0,1 = 10-1
0,01 = 10-2
0,001 = 10-3
0,000001 = 10-6
0,000000001 = 10-9
Prefisso
Simbolo
giga
mega
kilo
etto
deca
G
M
k
h
da
deci
centi
milli
micro
nano
d
c
m
µ
n
Esempio (kg)
Un transatlantico
Un elefante
Un’automobile
107
104
103
Un vocabolario
Un libro
100
10-1
Una ciliegia
Una formica
Un’ameba
10-3
10-6
10-10
GLI ERRORI DI MISURA
Quando misuriamo una grandezza fisica compiamo inevitabilmente degli errori di misura. Questi
possono dipendere dallo strumento che stiamo utilizzando e/o dall’operatore, ma anche da eventi
casuali che si verificano durante la misura. Gli errori si distinguono in:
− errori sistematici: dovuti alle imperfezioni dello strumento o ad imprecisioni nella procedura;
− errori accidentali: dovuti ad eventi casuali, di diversa natura, che accadono durante la misura.
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Quando esprimiamo una misura essa è spesso accompagnata dall’errore assoluto che può essere
commesso, in positivo o in negativo:
Misura = valore ottenuto ± errore assoluto
(l = 1, 50 m ± 0,01)
- errore assoluto ≤ misura ≤ + errore assoluto
Nel caso in cui siano state fatte numerose misure, l’errore assoluto segue il valore medio delle
misure effettuate.
Misura = valore medio ± errore assoluto
Errore assoluto = (valore massimo – valore minimo)/2
L’accuratezza di una misura indica quanto il suo valore sia vicino al valore reale.
Per precisione di una misura intendiamo la sua riproducibilità (quanto essa si avvicina a misure
della grandezza effettuate con lo stesso strumento). Essa ci indica la qualità di uno strumento e
quanto sia in grado di ridurre gli errori sperimentali. Conseguentemente, uno strumento preciso è
uno strumento in grado di fornire, per una data misura, sempre lo stesso valore o valori molto
vicini gli uni agli altri.
La conoscenza del solo errore assoluto su di una misura non fornisce informazioni sul grado di
precisione con cui è stata effettuata. L’errore assoluto di 1 metro è grande se è stato commesso nel
misurare l’altezza di un edificio, ma è piccolo nella misura della distanza tra Torino e Roma. Per
avere informazioni sulla precisione di una misura si utilizzano altri due tipi di errore: l’errore
relativo e l’errore percentuale.
Errore relativo = errore assoluto/errore medio
Errore percentuale = (errore relativo x 100)%
La portata di uno strumento è la quantità massima di una grandezza che lo strumento riesce a
misurare (Una riga da 1 m ha una portata maggiore di un righello da 20 cm.).
La sensibilità di uno strumento è la più piccola frazione di una grandezza che lo strumento riesce a
misurare (Una bilancia che misura i milligrammi è più sensibile di una che misura soltanto i
grammi.).
Per indicare la precisione con la quale una misura è stata eseguita, gli scienziati sono molto attenti
al numero di cifre significative con cui trascrivono i loro risultati. Le cifre significative contenute
in un numero consistono di tutte le cifre presenti nel numero i cui valori sono conosciuti con
completa certezza, più una cifra finale il cui valore è incerto poiché è influenzato dagli errori di
misura.
LA RAPPRESENTAZIONE DEI DATI SCIENTIFICI
Una qualsiasi informazione scientifica derivante da uno studio è utile soltanto se il suo contenuto
viene reso noto a chi non ha preso parte all’esperimento. In caso contrario, sarebbe come se quei
dati non esistessero.
I dati scientifici divengono significativi solo dopo essere stati organizzati e divulgati alla comunità.
Tutto ciò deve avvenire in maniera chiara, utilizzando convenzioni e rappresentazioni riconosciute
da tutti.
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800
700
Pressione (mmHg)
Variazione
della
pressione
atmosferica
con
l’altitudine
Altitudine Pressione
(m)
(mm/Hg)
0
760
1000
674
2000
596
3000
526
4000
462
5000
402
Pressione (mmHg)
Esistono numerosi modi per rappresentare dei dati, dalla semplice presentazione in una tabella
alla loro rappresentazione sotto forma di grafici lineari oppure di diagrammi di varia natura.
Ognuna di esse mette in evidenza un aspetto diverso del contenuto che i dati esprimono. Così,
se una tabella ci permette semplicemente di affiancare dei dati, se un grafico lineare ci fornisce
visivamente l’andamento degli stessi e la presenza o meno di una relazione di proporzionalità, un
diagramma può mostrarci la relazione tra uno o più dati ed il tutto.
600
500
400
300
200
100
0
0
2000
800
700
600
500
400
300
200
100
0
4000
0
Altitudine (m)
1000 2000 3000 4000 5000
Altitudine (m)
Se due grandezze variabili sono tra esse collegate, perché al variare dell’una varia anche l’altra, si
dice che una è funzione dell’altra e che tra esse esiste una relazione che si può esprimere
matematicamente con una formula. La dipendenza di una variabile dall’altra è, nella maggior parte
dei casi, legata ad un rapporto di causa-effetto, che ci permette di individuare una variabile
indipendente (il suo valore non dipende da quello di altre variabili) ed una variabile dipendente
(il suo valore dipende da quello di altre variabili).
Spesso, ma non sempre, si tratta di una relazione di proporzionalità.
Detta x la variabile indipendente e y la variabile dipendente, la relazione matematica tra esse indica
il tipo di proporzionalità. Sono possibili quattro casi:
Proporzionalità diretta: il rapporto y/x è costante, qualunque sia il
valore di x, purché diverso da zero; il grafico ottenuto è una retta
descritta dalla funzione y = kx.
Proporzionalità inversa: il prodotto xy è
costante; il grafico ottenuto è un ramo di iperbole equilatera descritto
dalla funzione y = k/x (con x ≠ 0).
Proporzionalità quadratica: il rapporto y/x2 è costante; il grafico
ottenuto è un arco di parabolo descritto dalla funzione y = kx2.
Proporzionalità quadratica inversa: il prodotto yx2 è costante; il grafico è simile (non uguale) al
ramo di un’iperbole equilatera ed è descritto dalla funzione y = k/x2 (con x ≠ 0).
Notiamo che k, detta costante di proporzionalità, è quasi sempre una grandezza e rappresenta a
sua volta una proprietà caratteristica.
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