1 CAPITOLO Misure e calcoli Indice 1 Che cos’è la chimica Il metodo sperimentale Le Unità di Misura SI La notazione scientifica (o notazione esponenziale) La massa Il volume Precisione di una misura e cifre significative La densità La pressione L’energia La temperatura Il calore Precisione, accuratezza, errore percentuale 1

CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Che cos’è la chimica La chimica è la scienza che studia le proprietà della materia e le sue trasformazioni. Per il suo ampio campo d’azione, la chimica interagisce con una varietà di discipline per cui è definita “scienza centrale”. 2

Il metodo sperimentale 2 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Il metodo sperimentale 3

20,93 g numero unità CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 3 Le Unità di Misura SI Bilancia tecnica monopiatto a due decimali con capsula di porcellana. In chimica tutte le misure sperimentali consistono di un numero e di una unità di misura. Se la massa di una capsula di porcellana è 20,93 g si ha: 20,93 g numero unità 4

Nome dell’unità di misura 3 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Le Unità di Misura SI Nel 1960 è stato adottato in campo scientifico il Sistema Internazionale di Unità di misura. Le unità di questo sistema sono chiamate unità SI. Nome dell’unità di misura Grandezza fisica Simbolo kilogrammo Massa kg Metro Lunghezza m Secondo Tempo s Kelvin Temperatura K Mole Quantità di sostanza mol Ampère Corrente elettrica A Candela Intensità luminosa cd Le sette unità di misura di base. 5

Nome dell’unità di misura 3 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Le Unità di Misura SI Unità derivate Le unità che sono definite dalla combinazione delle unità di base prendono il nome di unità derivate. Nome dell’unità di misura Grandezza fisica Simbolo newton Forza N; kg  m/s2 pascal Pressione Pa; N/m2 joule Energia J; kg  m2/s2 metro cubo Volume m3 kilogrammo al metro cubo Densità kg/m3 Esempi di grandezze derivate del SI. 6

CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Le Unità di Misura SI 3 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Le Unità di Misura SI Prefissi usati con le unità SI Significato Prefisso Esempio T G M k Tera- Giga- Mega- Kilo- 1 terametro (Tm) = 1 × 1012 m 1 gigametro (Gm) = 1 × 109 m 1 megametro (Mm) = 1 × 106 m 1 kilometro (km) = 1 × 103 m Prefissi usati con le unità SI e nel sistema metrico Simbolo 1012 109 106 103 Multipli d c mm μ N p Deci- Centi- Milli- Micro- Nano- Pico- 1 decimetro (dm) = 1 × 10-1 m 1 centimetro (cm) = 1 × 10-2 m 1 millimetro (mm) = 1 × 10-3 m 1 micrometro (μm) = 1 × 10-6 m 1 nanometro (nm) = 1 × 10-9 m 1 picometro (pm) = 1 × 10-12 m 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 Sottomultipli 7

La notazione scientifica (o notazione esponenziale) 4 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI La notazione scientifica (o notazione esponenziale) Un numero scritto in notazione scientifica è il prodotto di due fattori: A × 10n Il fattore A è un numero decimale maggiore o uguale a 1 ma inferiore a 10, ed n è un numero intero. In notazione scientifica la distanza Terra-Luna è circa 3,84 ×108 m mentre il diametro di un virus è circa 1,0 × 10-6 m 8

p = m × g CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 5 La massa 9 La massa (m) di un corpo è una misura della quantità di materia di cui è costituito e viene determinata con una bilancia. Nel SI l’unità di misura della massa è il kilogrammo (kg). Masse più piccole sono espresse in grammi (g) o in milligrammi (mg). Il peso di un corpo, invece, è una forza e, nel SI, è misurato in newton (N). Sulla Terra il peso di un corpo è p = m × g dove g è l’accelerazione di gravità 9,8 m/s2. Sulla Luna il peso di un corpo è circa 1/6 di quello sulla Terra. 9

1 mL = 1 cm3 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 6 Il volume 10 Il volume di un corpo (V) è lo spazio che esso occupa. Nel SI l’unità di misura di volume è il metro cubo (m3). In chimica le unità di misura più adoperate sono il litro (L), una unità che non appartiene al SI, e il millilitro (mL). 1 millilitro (mL) corrisponde a 1/1000 di litro, per cui 1 mL = 1 cm3 10

Precisione di una misura e cifre significative 7 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Precisione di una misura e cifre significative Le cifre significative in una misura sperimentale corrispondono a tutte le cifre note con certezza più la cifra incerta. La lunghezza del metallo, oggetto della nostra misura, è compresa tra 6 e 7 cm: il valore stimato 6,8 cm presenta due cifre significative. La prima cifra (6) è nota con certezza, la seconda (8) è incerta. La lunghezza del metallo è compresa tra 6,8 e 6,9 cm: il valore stimato è 6,85 cm, con tre cifre significative (le prime due sono note con certezza, la terza è incerta). 11

Precisione di una misura e cifre significative 7 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Precisione di una misura e cifre significative Arrotondamento Quando un numero deve essere arrotondato e il numero di cifre significative viene ridotto, si seguono le seguenti regole: Se la prima cifra che deve essere eliminata è cinque o un numero maggiore di cinque, si aumenta di uno l’ultima cifra trattenuta. es. 1,863 arrotondato a due cifre significative diventa 1,9 poiché la prima cifra scartata è 6. Se la prima cifra che deve essere eliminata è inferiore a cinque, l’ultima cifra trattenuta non subisce variazioni. es. 1,8498 arrotondato a due cifre significative diventa 1,8 poiché la prima cifra scartata è 4. 12

Precisione di una misura e cifre significative 7 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Precisione di una misura e cifre significative Calcoli In un calcolo numerico (moltiplicazione o divisione), il risultato non può mai essere espresso con più cifre significative del numero che ha il minor numero di cifre significative: 1,5 × 4,52 = 6,78 si arrotonda a 6,8 due cifre significative tre cifre significative due cifre significative 10,5 65,55 = 0,160183066 si arrotonda a 0,160 quattro cifre significative tre cifre significative 13

Precisione di una misura e cifre significative 7 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Precisione di una misura e cifre significative Calcoli Nelle operazioni di addizione e di sottrazione, il risultato deve essere riportato con un numero di cifre decimali uguale al termine che ne ha di meno: 4,56 + 2,4182 + 1,368 = 8,3462 si arrotonda a 8,35 14

Tre campioni che presentano volumi uguali ma massa diversa. 8 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI La densità Si definisce densità (d) il rapporto tra la massa di un oggetto e il suo volume: massa m d = densità = oppure volume V Tre campioni che presentano volumi uguali ma massa diversa. 15

CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI La densità 8 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI La densità Indipendentemente dalle dimensioni di un oggetto, il rapporto tra la massa e il suo volume si mantiene sempre costante. Massa (g) 12,4 24,8 37,2 Volume (cm3) 28,9 57,8 86,7 16

F P = S CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 9 La pressione 17 La pressione è la forza esercitata su una superficie unitaria e viene espressa con la formula: F P = S dove F è una forza e S una superficie. L’unità di misura della pressione nel SI è il pascal (Pa). L’unità più adoperata è il kilopascal (kPa) uguale a 1 × 103 Pa. L’unità pratica di pressione, accettata dal SI, è il bar: 1 bar = 1 × 105 Pa. La pressione atmosferica standard (atm) non fa parte del SI: 1 atm = 1,013 bar. 17

Ec = ½ m × v2 Ep = m × g × h CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 10 L’energia L’energia (E) è la capacità di compiere un lavoro o di produrre calore. Si distinguono due tipi di energia: l’energia cinetica (Ec) ossia quella posseduta da un corpo in movimento: Ec = ½ m × v2 dove m è la massa e v la velocità di un corpo. l’energia potenziale (Ep) ossia quella posseduta da un corpo in virtù della sua posizione: Ep = m × g × h dove m è la massa, g l’accelerazione di gravità e h l’altezza. 18

1 cal = 4,18 J CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 10 L’energia 19 Unità di misura dell’energia Nel SI l’unità di misura dell’energia è il joule (J). Comunemente viene usato il kilojoule (kJ) che corrisponde a 1000 joule. Un’altra unità usata, anche se non appartiene al SI, è la caloria (cal). Un multiplo della caloria è la kilocaloria (kcal) che corrisponde a 1000 cal. 1 cal = 4,18 J 19

T (in kelvin) = t (in Celsius) + 273 11 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI La temperatura La temperatura è una misura di quanto è caldo o freddo un oggetto. Per misurare la temperatura si possono usare: Termometri a dilatazione di liquidi Termometri elettronici Termometri a raggi infrarossi L’unità di temperatura nella scala Celsius è il grado centigrado o grado Celsius (°C) In campo scientifico viene adoperata la scala di temperatura assoluta o scala Kelvin in cui l’unità di misura è il kelvin (K). La relazione tra le due scale è: T (in kelvin) = t (in Celsius) + 273 20

CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Il calore 12 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Il calore Il calore è energia trasferita in seguito ad una differenza di temperatura. Il trasferimento di calore avviene sempre secondo una direzione precisa: dal corpo a temperatura maggiore (più caldo) a quello a temperatura minore (più freddo). Temperatura dell’acqua 20,5 °C. Temperatura dell’acqua 36,7 °C. 21

q = C × m × ΔT CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 12 Il calore 22 Il calore specifico Il calore specifico è la quantità di energia termica necessaria per alzare o diminuire la temperatura di 1 grammo di sostanza di un grado Celsius (1 °C) o di un kelvin (1 K). La quantità di energia termica (q) fornita o sottratta ad una data massa di sostanza con il riscaldamento o il raffreddamento è calcolata con la seguente equazione: q = C × m × ΔT dove q = energia trasferita (J) C = calore specifico (J/gK) m = massa (g) ΔT = variazione della temperatura (K) 22

Precisione, accuratezza, errore percentuale 13 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Precisione, accuratezza, errore percentuale La precisione (o riproducibilità) indica se una serie ripetuta di misure di una grandezza dà valori che sono vicini tra loro. L’accuratezza indica se i valori forniti dalla misura di una grandezza ed il valore vero, o accettato come tale, sono in accordo tra di loro. La figura riportata ci aiuta a visualizzare e comprendere la differenza tra precisione e accuratezza. Il metodo è preciso ma poco accurato. Il metodo è preciso e accurato. Il metodo è poco preciso e poco accurato 23