Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Conoscere la materia Per conoscere la materia è necessario: Effettuare misure rigorose Interpretare i risultati delle misure Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011 Autore, Autore, AutoreTitolo © Zanichelli editore 2009

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). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Sistema Internazionale (SI) • 1 Le grandezze fondamentali e le loro unità di misura Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Sistema Internazionale (SI) • 2 Alcune grandezze derivate Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Multipli e sottomultipli Principali prefissi delle unità di misura Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

1.3 Le grandezze possono essere intensive o estensive

Proprietà intensive ed estensive Le proprietà della materia Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Lunghezza • 2 È più comodo usare il nanometro: 1nm = 10-9 m O, più raramente, l’ Ångstrom: 1Å = 10-10 m Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Massa e Peso • 3 La misura della massa si effettua attraverso il confronto con masse note. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Massa e Peso • 7 Sulla Terra, una palla da bowling, che ha una massa pari a 4 kg, pesa 39 N Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Massa e Peso • 9 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Densità • 2 La densità è una proprietà intensiva perché non dipende dalla quantità di materia presente nel campione. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Densità • 3 Per quasi tutti i materiali un aumento di temperatura fa aumentare il volume, e quindi diminuire la densità (il ghiaccio fa eccezione). Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Densità • 4 Un aumento di pressione su un gas fa sempre diminuire sensibilmente il suo volume e quindi aumentare la sua densità. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Densità • 6 La densità di alcuni materiali Solidi Densità (g/cm3) Argento 10.5 Cemento 0.82 – 1.95 Vetro 2.5 – 2.8 Gas Densità (g/L) Aria 1.29 Idrogeno 0.089 Ossigeno 1.43 Liquidi Densità (g/cm3) Mercurio 13.6 Olio di oliva 0.92 Sangue 1.06 Materiale Densità relativa Acqua pura 1.00 Alcool etilico 0.794 Naftalene 1.15 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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! Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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) Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Una mole di alcuni elementi mercurio (Hg) 200.6 g grafite (C) 12.0 g zolfo (S) 32.0 g zinco (Zn) 65.4 g rame (Cu) 63.6 g Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Temperatura • 3 t (°C) = T (K) – 273.15 T (K) = t (°C) + 273.15 Scala Kelvin Scala Celsius t (°C) = T (K) – 273.15 T (K) = t (°C) + 273.15 Le due scale sono spostate di 273.15 gradi Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Taratura di un termometro Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Energia • 1 L’energia è la capacità di un corpo di eseguire lavoro o trasferire calore. L’energia esiste sotto varie forme. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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 Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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) Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Conservazione dell’energia • 2 Il peso, inizialmente, possiede energia potenziale Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Conservazione dell’energia • 3 Durante la caduta, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica. La forza esercitata dal peso spinge il palo nel terreno (compie lavoro) Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

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. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011

Calore • 2 Il corpo più caldo trasferisce calore al corpo piu freddo… … fino a quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura. Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011