Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009
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Valitutti, Tifi, Gentile
La Chimica della
Natura
1. Misure e
grandezze
1.1 La chimica studia
la materia e le sue
trasformazioni
La chimica • 1
•
La chimica studia la composizione, la
struttura e le trasformazioni della
materia.
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La chimica • 2
•
Tutti i materiali sono formati da atomi
o ioni, che si aggregano in strutture
più grandi (es. molecole, solidi ionici..)
•
Atomi e ioni possono passare
inalterati da una struttura ad un’altra,
da un corpo ad un altro.
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La chimica • 3
Durante la nostra vita,
sicuramente abbiamo respirato
almeno una molecola dell’aria
già respirata da famosi
personaggi storici come
Cesare, Gesù e Galileo.
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Conoscere la materia
Per conoscere la materia è necessario:
1. Effettuare misure rigorose
2. Interpretare i risultati delle misure
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1.2 Il Sistema
Internazionale
Quantità dimensionate
59 m
rappresenta una lunghezza
59 m3
rappresenta un volume
59 kg
rappresenta una massa
59
è un numero puro
Una quantità dimensionata è un numero (spesso derivante
da un esperimento) moltiplicato per un’unità di misura.
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Le grandezze fisiche
•
Le grandezze fisiche sono grandezze
che si possono misurare.
•
La comunità scientifica ha identificato
sette grandezze fondamentali dalle
quali possono essere ricavate tutte le
altre (grandezze derivate).
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Sistema Internazionale (SI) • 1
Le grandezze fondamentali e le loro unità di misura
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Sistema Internazionale (SI) • 2
Alcune grandezze derivate
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Multipli e sottomultipli
Principali prefissi delle unità di misura
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Notazione scientifica esponenziale
Il diametro della Terra misura circa
12000000 m ovvero 1,2 x 106 m
Il raggio dell’atomo di idrogeno è circa
0,00000000005 m ovvero 5 x 10-11 m
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1.3 Le grandezze
possono essere
intensive o estensive
Proprietà intensive ed estensive
Le proprietà della materia
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Lunghezza • 1
•
Il metro è lo spazio percorso dalla
luce nel vuoto durante un intervallo di
tempo pari a 1/ 299 792 458 secondi.
•
Il metro è grande per esprimere le
dimensioni di atomi, molecole e
lunghezze d’onda della luce.
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Lunghezza • 2
•
È più comodo usare il nanometro:
1nm = 10-9 m
•
O, più raramente, l’ Ångstrom:
1Å = 10-10 m
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Tempo
•
Il secondo è definito come l’intervallo
di tempo necessario alla radiazione
emessa dal cesio-133 (133Cs) per
produrre 9 192 631 770 vibrazioni.
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Volume • 1
•
Il volume è una grandezza derivata.
•
La sua unità di misura SI è il
metro cubo (m3).
•
Le misure di volume sono molto
frequenti in laboratorio chimico, e
nella vita quotidiana.
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Volume • 2
Per convertire le misure
espresse in decimetri cubi o
centimetri cubi in millilitri
ricordiamo che:
1 L = 10-3 m3 = 1 dm3
= 1000 cm3 = 1000 mL
In figura:
1 mL = 1 cm3 = 10-3 dm3
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Massa e Peso • 1
•
Massa e peso sono due concetti
diversi.
•
La massa è una proprietà
fondamentale della materia.
•
Il peso (o forza peso) è la forza con
cui la Terra attira una certa massa.
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Massa e Peso • 2
•
La massa è la misura dell’inerzia di un
corpo, cioè della resistenza che esso
oppone alla variazione del suo stato
di quiete o di moto.
•
La sua unità di misura nel SI è il kg.
•
La massa campione è un cilindro di
Pt-Ir conservato a Sèvres.
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Massa e Peso • 3
La misura della massa si effettua attraverso il confronto
con masse note.
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Massa e Peso • 4
•
Il peso (o forza peso) è la forza con
cui la Terra attira una certa massa e
dipende dall’accelerazione di gravità:
g ≈ 9.8 m/s2.
•
P=m∙g
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Massa e Peso • 5
•
Il peso è una forza, e la sua unità di
misura nel SI è il Newton
•
1 N = 1 kg ∙ 1 m/s2
•
Una massa di 1 kg pesa circa 10 N:
P = m ∙ g = 1 kg ∙ 9.8 m/s2 = 9.8 N
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Massa e Peso • 6
È possibile determinare
il peso di un corpo
usando un
dinamometro:
il peso si ricava per
confronto con la forza di
richiamo della molla.
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Massa e Peso • 7
Sulla Terra, una palla
da bowling, che ha
una massa pari a 4
kg, pesa 39 N
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Massa e Peso • 8
Sulla Luna il peso
della stessa palla da
bowling è 6.4 N,
circa 1/6 di quello
che ha sulla Terra
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Massa e Peso • 9
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Densità • 1
Ogni corpo ha una densità
caratteristica, definita dal
rapporto tra la sua massa e il
suo volume:
densità = massa /volume
L’olio galleggia sull’acqua
perché è meno denso.
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Densità • 2
La densità è una proprietà intensiva perché non dipende
dalla quantità di materia presente nel campione.
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Densità • 3
•
Per quasi tutti i materiali un aumento
di temperatura fa aumentare il
volume, e quindi diminuire la densità
(il ghiaccio fa eccezione).
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Densità • 4
•
Un aumento di pressione su un gas
fa sempre diminuire sensibilmente il
suo volume e quindi aumentare la
sua densità.
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Densità • 5
•
Nel SI la densità si misura in kg/m3.
•
Si usano anche g/cm3, g/mL
•
Per i gas si usano i g/L.
•
La densità relativa è il rapporto tra la
massa di un corpo a 20°C e la
massa di un uguale volume di acqua
distillata a 4°C.
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Densità • 6
La densità di alcuni materiali
Solidi
Densità (g/cm3)
Gas
Densità (g/L)
Argento
10.5
Aria
1.29
Cemento
0.82 – 1.95
Idrogeno
0.089
Vetro
2.5 – 2.8
Ossigeno
1.43
Liquidi
Densità (g/cm3)
Materiale
Densità relativa
Mercurio
13.6
Acqua pura
1.00
Olio di oliva
0.92
Alcool etilico
0.794
Sangue
1.06
Naftalene
1.15
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Peso specifico
Il peso specifico è il rapporto tra il peso di un corpo e il suo
volume. Nel SI si esprime in Newton/m3.
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La mole • 1
•
La mole ci permette di sapere quante
particelle (mondo microscopico) sono
contenute in una massa di sostanza
(mondo macroscopico) che pesiamo
con la bilancia.
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La mole • 2
•
Una mole è una quantità di sostanza
che contiene 6.022 x 1023 particelle
(costante di Avogadro).
•
Una mole contiene sempre lo stesso
numero di particelle ma una mole di
idrogeno pesa meno di una mole di
mercurio!
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La mole • 3
•
Definizione: la mole è la quantità di
sostanza che contiene un numero di
particelle elementari uguale al numero
di atomi contenuti in 12 g di 12C.
•
È l’unita di misura SI della quantità di
sostanza (grandezza fondamentale)
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Una mole di alcuni elementi
grafite (C)
12.0 g
zinco (Zn)
65.4 g
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mercurio (Hg)
200.6 g
zolfo (S)
32.0 g
rame (Cu)
63.6 g
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Temperatura • 1
•
La temperatura di un oggetto è una
misura del suo stato termico.
•
Non va confusa con il calore, che è
invece un modo di trasferire energia.
•
È una grandezza intensiva.
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Temperatura • 2
•
La temperatura si misura con il
termometro, sfruttando la capacità dei
liquidi (es. alcool, mercurio), i solidi e i gas
di dilatarsi all’aumentare della
temperatura.
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Temperatura • 3
Scala Celsius
Scala Kelvin
t (°C) = T (K) – 273.15
T (K) = t (°C) + 273.15
Le due scale
sono spostate di
273.15 gradi
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Taratura di un termometro
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Energia • 1
•
L’energia è la capacità di un corpo di
eseguire lavoro o trasferire calore.
•
L’energia esiste sotto varie forme.
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Energia • 2
•
Il lavoro compiuto da una forza
costante su un oggetto che si sposta
nella stessa direzione e verso della
forza è il prodotto della forza per lo
spostamento: L = F ∙ s
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Energia • 3
•
Lavoro ed energia nel SI si misurano in
Joule ( J = N ∙ m = kg ∙ m2/s2 ).
•
L’energia termica si può esprimere in
calorie ( 1 cal= 4,18 J ).
•
Altri tipi di energia sono l’energia
potenziale e l’energia cinetica.
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Energia • 4
Un corpo in movimento possiede energia cinetica.
La relazione vale sia per una palla da tennis, sia per un
atomo, sia per un’auto.
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Energia • 5
•
L’energia chimica (ad es. contenuta
nei combustibili o nei cibi) è energia
potenziale.
•
Può essere trasformata in calore o altra
forma di energia mediante reazioni
chimiche.
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Energia • 6
•
L’energia potenziale è l’energia
posseduta da un corpo in virtù della
sua posizione o composizione.
•
Per esempio l’energia potenziale
gravitazionale è Ep = m ∙ g ∙ h
(massa ∙ accelerazione di gravità ∙ altezza dal suolo)
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Conservazione dell’energia • 1
•
L’energia si trasforma, cambia aspetto
ma non scompare né si crea dal nulla.
•
La legge di conservazione dell’energia
sancisce che, in qualsiasi processo,
l’energia totale si conserva.
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Conservazione dell’energia • 2
Il peso, inizialmente,
possiede energia
potenziale
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Conservazione dell’energia • 3
La forza esercitata
dal peso spinge il
palo nel terreno
(compie lavoro)
Durante la
caduta, l’energia
potenziale si
trasforma in
energia cinetica.
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Calore • 1
•
Il calore è una modalità di
trasferimento di energia da un corpo a
temperatura più elevata a uno a
temperatura più bassa.
•
Il trasferimento cessa quando i due
corpi hanno la stessa temperatura.
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Calore • 2
Il corpo più caldo trasferisce
calore al corpo piu freddo…
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… fino a quando i due corpi
raggiungono la stessa temperatura.
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