Sandro Barbone Luigi Altavilla
Copyright ©2011 Franco Lucisano Editore - La Chimica facile
La Chimica e il metodo scientifico
1. La Chimica
2. Il metodo scientifico
3. Grandezze fondamentali e grandezze derivate
4. Il Sistema Internazionale di unità di misura (SI)
5. Multipli e sottomultipli
6. Grandezze intensive ed estensive
7. Lavoro ed energia
8. Le varie forme di energia
9. Le trasformazioni dell’energia
10.L’energia nelle reazioni chimiche
11.Calore e temperatura
12.Calore specifico
13.Le scale termometriche
La Chimica
La Chimica è la scienza che studia la composizione, la struttura, le
proprietà e le trasformazioni della materia.
Le trasformazioni della materia che
interessano la Chimica sono dette
anche reazioni chimiche e
comportano modificazioni della
composizione chimica della
materia.
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Le trasformazioni fisiche
Anche la Fisica studia la materia, occupandosi in particolare delle
trasformazioni fisiche, che non comportano modificazioni della
composizione della materia.
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La Chimica e il metodo
scientifico
La Chimica, in quanto disciplina scientifica, utilizza il metodo
scientifico sperimentale per indagare sulla natura della materia e
sulle sue trasformazioni.
L’attività di laboratorio fornisce i dati oggettivi sperimentali, per
mezzo dei quali i chimici hanno potuto elaborare i princìpi e le
teorie sulle quali si basa questa importante disciplina.
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Il metodo scientifico
Il metodo scientifico (o metodo sperimentale), introdotto da
Galileo Galilei (1564-1642) nel XVII secolo, prevede tre tappe
fondamentali:
1. osservazione del fenomeno;
2. formulazione di un’ipotesi in grado di spiegare il fenomeno;
3. verifica sperimentale dell’ipotesi proposta.
L’ipotesi, confermata dalla verifica
sperimentale, può essere enunciata come
principio o legge scientifica.
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Grandezze fisiche
Una grandezza è una qualsiasi proprietà di un corpo materiale o
di un fenomeno che è possibile misurare, esprimendone il valore
con un numero e una propria unità di misura.
Il termometro in figura indica la
temperatura sia in gradi Celsius sia in
gradi Fahrenheit, ma nel SI l’unità di
misura della temperatura è il kelvin.
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Sistema Internazionale
di unità di misura (SI)
Il Sistema Internazionale di unità di misura (SI) prevede sette
grandezze fisiche fondamentali, le cui unità di misura sono:
1. metro (m), per la lunghezza;
2. kilogrammo (kg), per la massa;
3. secondo (s), per l’intervallo di tempo;
4. kelvin (K), per la temperatura;
5. ampere (A), per l’intensità di corrente;
6. candela (cd), per l’intensità luminosa;
7. mole (mol), per la quantità di sostanza (si usa in Chimica).
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Le grandezze derivate
Le grandezze derivate si ottengono grazie a relazioni
matematiche (formule) dalle grandezze fondamentali.
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Multipli e sottomultipli
Per misurare ciò che è estremamente piccolo o estremamente
grande si usano i multipli e i sottomultipli, che vengono indicati
facendo precedere da un “prefisso” il nome dell’unità di misura
principale:
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Grandezze intensive ed
estensive
Le grandezze si distinguono in:
• grandezze estensive, che dipendono dalla quantità di materia
presente nel campione considerato, dalla sua dimensione,
estensione: la massa, il peso, la lunghezza, il volume ecc.
• grandezze intensive, che non dipendono dalla quantità di
materia del campione, ma solo dalla natura stessa della materia
che lo costituisce.
Sono esempi di grandezze intensive la densità di un corpo,
la temperatura, la pressione, il punto di fusione e di ebollizione.
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La massa (1)
La massa viene comunemente definita come la quantità di
materia di cui è costituito un corpo.
Il concetto di massa è legato al concetto di inerzia, che è la
resistenza con la quale ogni corpo si oppone a ogni forza che
tenta di modificare il suo stato di quiete o di moto.
Maggiore è la massa e maggiore sarà l’inerzia (massa inerziale).
Con le nostre forze possiamo
spostare una biglia di vetro ma
non un treno, perché ha una
massa enorme!
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La massa (2)
La massa di un corpo è una costante del corpo stesso, infatti:
• non dipende dalla posizione del corpo; la sua massa rimane
invariata se misurata sulla Terra, sulla Luna e su qualsiasi altro
corpo celeste;
• non dipende dalla temperatura del corpo, rimanendo invariata
nei passaggi di stato.
Nel SI l’unità di misura della massa è
il kilogrammo (kg), e per misurarla si
usa la bilancia a due piatti.
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Lunghezza,
superficie e volume
Il metro (m) è l’unità di misura della lunghezza (grandezza
fondamentale del SI), mentre per misurare l’area di una superficie
si utilizza il metro quadrato (m2) e per il volume il metro cubo (m3),
entrambe grandezze derivate.
Nel passare ai multipli o ai sottomultipli:
•per le lunghezze si moltiplica o si divide per 10;
•per le aree delle superfici, si moltiplica o divide per 100 a ogni passaggio;
•per i volumi si moltiplica o divide per 1000 a ogni passaggio.
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Il volume dei fluidi
Il volume dei fluidi (liquidi e gas) si misura anche come capacità del
contenitore, utilizzando il litro (L) come unità di misura, tenendo
presenti le seguenti equivalenze con i m3:
• 1 m3 = 1000 L
• 1 dm3 = 1 L
• 1 cm3 = 1 mL (0,001 L o 1 × 10–3 L)
• 1 mm3 = 1 μL (0,000001 L o 1 × 10–6 L)
In laboratorio si utilizza in genere il cm3 (e l’equivalente mL).
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La densità (1)
La densità di un corpo può essere definita come il
rapporto tra la massa e il volume del corpo stesso.
Nel Sistema Internazionale la densità si misura in kg/m3; può
anche essere espressa (nel sistema CGS, centimetro-grammosecondo) in g/cm3 o in g/mL.
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La densità (2)
La densità di un corpo varia con la temperatura: l’aumento di
temperatura determina una dilatazione dei corpi e quindi un
aumento del loro volume e una diminuzione della densità.
La densità relativa esprime il rapporto tra la massa di un corpo
è la massa di uno stesso volume di acqua distillata misurato alla
temperatura di 4 °C.
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Il tempo
L’unità di misura del tempo nel SI è il secondo (s).
Spesso si utilizzano sottomultipli (decimi, centesimi e millesimi di
secondo) e multipli come il minuto (primo), che corrisponde a 60
secondi, e l’ora (h), che corrisponde a 60 minuti o a 3600 secondi.
Il cronometro è lo strumento
di misura del tempo.
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La velocità
La velocità è una grandezza che esprime la relazione (il rapporto)
tra una distanza (ossia una lunghezza) e il tempo impiegato per
percorrerla.
L’unità di misura della velocità nel SI è il m/s, ma spesso viene
utilizzato il km/h:
1 m/s = 3,6 km/h
Il tachimetro è lo strumento che consente di
misurare la velocità istantanea di un veicolo.
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L’accelerazione
L’accelerazione è la grandezza che misura le variazioni di velocità
nel tempo.
L’accelerazione media è data dal rapporto tra la velocità (più
precisamente la differenza tra velocità finale e velocità iniziale: Δv)
e il tempo:
La sua unità di misura (nel SI) è il
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La forza (1)
Definiamo forza tutto ciò che è in grado di modificare lo stato di
quiete o di moto di un corpo o è in grado di deformarlo
(modificare la sua forma).
La forza è una grandezza vettoriale.
L’intensità della forza è data dal prodotto della massa per
l’accelerazione a cui il corpo è sottoposto: F = m x a
L’unità di misura della forza nel Sistema Internazionale è il newton
(N):
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La forza (2)
La forza è una qualsiasi causa capace di modificare lo stato di
quiete e di moto di un corpo o di deformarlo, modificandone la
forma.
L’intensità della forza è data dal prodotto della massa per
l’accelerazione a cui il corpo e sottoposto:
F=m・a
L’unita di misura della forza nel Sistema Internazionale, il newton (N):
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La pressione (1)
Una forza applicata alla superficie di un corpo esercita su di esso una
pressione, direttamente proporzionale alla forza e inversamente
proporzionale alla superficie su cui essa agisce:
p = F/S
L’unità di misura della pressione nel Sistema Internazionale è il pascal
(Pa): 1 Pa = 1 N/1 m2
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La pressione (2)
Per indicare la pressione atmosferica viene utilizzato un suo
multiplo, l’ettopascal (hPa) che corrisponde al millibar.
Nella pratica comune si usa spesso, come unità di misura della
pressione, l’atmosfera (atm):
• 1 atm = 101.325 Pa = 760 millimetri di mercurio (mmHg)
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La pressione (3)
Una forza applicata alla superficie di un corpo esercita su di esso
una pressione, direttamente proporzionale alla forza e
inversamente proporzionale alla superficie su cui essa agisce:
L’unita di misura della pressione nel SI è il pascal (Pa), che equivale alla pressione
esercitata da una forza di 1 N applicata a una superficie di 1 m2.
Per indicare la pressione atmosferica viene utilizzato un suo multiplo, l’ettopascal (hPa)
che corrisponde al millibar.
Altre unita di misura della pressione sono l’atmosfera (atm), corrispondente a
101.325Pa, e il millimetro di mercurio (mmHg), equivalente a 133 Pa.
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Il peso
La massa e il peso sono due grandezze diverse.
Il peso e l’effetto prodotto sulla massa del corpo dalla
presenza di un campo gravitazionale.
Non è una caratteristica costante di un corpo ma varia in
funzione del luogo in cui viene misurato.
La massa m e il peso P sono legati dalla relazione:
P=m・g
dove g indica il valore dell’accelerazione di gravità, 9,8 m/s2 sulla
Terra.
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Il lavoro
Il lavoro (L) è il prodotto della forza (F) per lo spostamento (s):
L=Fxs
L’unità di misura del lavoro, nel SI, è il joule (J):
1J=1Nx1m
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L’energia
L’energia è la capacità di compiere un lavoro.
L’unità di misura dell’energia (nel SI) è la stessa del lavoro, ossia il
joule (J).
Per indicare il contenuto energetico degli alimenti e i consumi
energetici di un organismo viene spesso ancora utilizzata la
kilocaloria, che corrisponde alla quantità di energia (calore)
necessaria per aumentare di 1 °C una massa di 1 kg di acqua.
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Le varie forme di energia
L’energia si manifesta in varie forme:
• l’energia meccanica (energia potenziale ed energia cinetica),
• l’energia termica,
• l’energia eolica (del vento),
• l’energia chimica (contenuta nei legami chimici di tutte le
molecole),
• l’energia elettrica,
• l’energia muscolare, che ci consente di muovere il nostro corpo;
• l’energia luminosa, per mezzo della quale nelle piante avviene la
fotosintesi;
• l’energia nucleare, contenuta nei nuclei degli atomi e che si libera
nelle reazioni nucleari (fusione e fissione nucleare).
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Le varie forme di energia
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L’energia nelle reazioni
chimiche
Nelle trasformazioni chimiche o reazioni chimiche si rompono i
legami chimici che formano le molecole dei reagenti e si formano
nuovi legami nelle molecole dei prodotti della reazione.
I legami chimici contengono energia (energia chimica).
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L’energia nelle reazioni
esotermiche
Se l’energia dei legami dei reagenti è maggiore dell’energia dei
legami dei prodotti si libera energia nell’ambiente e la reazione è
detta esoergonica (da eso = esterno ed ergon = lavoro) o esotermica
(se l’energia viene emessa sotto forma di calore).
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L’energia nelle reazioni
endotermiche
Le reazioni endoergoniche o endotermiche possono avvenire solo
se viene assorbita energia dall’ambiente esterno: infatti l’energia dei
legami chimici dei prodotti è maggiore dell’energia dei reagenti e la
differenza di energia deve necessariamente provenire dall’esterno
(ambiente).
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Il calore
Il calore è una forma di energia che si trasmette da un corpo più
caldo verso uno più freddo.
Il calore è l’energia termica che noi forniamo a un corpo per
aumentare lo stato di agitazione delle sue particelle.
Essendo una forma di energia, si misura in joule (J), l’unità
di misura dell’energia nel Sistema Internazionale.
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La temperatura
La temperatura è la misura di quanto un corpo è caldo o freddo.
È la misura (media) dello stato di agitazione delle particelle di cui
si compone il corpo.
Lo strumento che ci permette di
misurare la temperatura è il
termometro.
La temperatura nel S.I. si misura in
kelvin (K); sono molto usati i gradi
centigradi Celsius (°C), e nei Paesi
anglosassoni i gradi Fahrenheit (°F).
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