Chimica e didattica della chimica Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Materia ed energia

Materia: forme, struttura e qualità L'uomo vive in uno spazio riempito dalla materia La parola "materia" deriva dal latino "mater" La materia che più occupa spazio sulla Terra è l'acqua che copre il 71% della superficie del pianeta e, più o meno con la stessa percentuale, è il maggior costituente del corpo umano 2

Materia: forme, struttura e qualità L'uomo, man mano che ha appreso come utilizzare e plasmare la materia che lo circondava è evoluto, arrivando a esercitare un controllo sulla la natura L'Homo Sapiens è arrivato a controllare la materia con effetti a volte esaltanti, a volte devastanti 3

Materia: forme, struttura e qualità Il livello macroscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un batterio (10-6 m) a quelle usuali del mondo accessibile al nostro corpo (da 10-3 a 103 m) Il livello microscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un elettrone (10-15 m) a quelle di una grossa proteina (10-7 m) 4

Materia: forme, struttura e qualità Atomi, ioni, molecole La materia è costituita da atomi e molecole L’atomo è la più piccola porzione di un elemento che ne conserva tutte le caratteristiche ed è composto da una nuvola elettronica (10-10 m) e da un nucleo (10-15 m) 5

Materia: forme, struttura e qualità Il nucleo che è costituito da protoni (in numero uguale agli elettroni) e da neutroni Gli elettroni (e-) sono particelle leggere con carica elettrica negativa (-1.6×10-19 C) e spin ½ I protoni (p) sono particelle massicce (massa 1.7×10-27 kg cioè 1836 volte la massa dell’elettrone) con carica elettrica positiva (1.6×10-19 C) e spin ½ I neutroni (n) sono particelle massicce (massa 1839 volte la massa dell’elettrone) senza carica elettrica (neutre) e spin ½ 6

Materia: forme, struttura e qualità Uno ione è un atomo a cui siano stati aggiunti (tolti) uno o più elettroni e risulterà quindi carico negativamente (positivamente) La molecola è la più piccola porzione di un composto che ne conserva tutte le caratteristiche ed è composto da più atomi (da 10-10 a 10-8 m) 7

Materia: forme, struttura e qualità Elementi e composti (miscele o miscugli) Miscugli solidi, liquidi e gassosi Miscugli eterogenei ed omogenei (soluzioni) Granito: miscuglio solido ed eterogeneo Acqua e zucchero: miscuglio liquido ed omogeneo (soluzione) Acqua e sale: miscuglio liquido ed omogeneo (soluzione ionica) Aria: miscuglio gassoso ed omogeneo 8

Materia: forme, struttura e qualità Numero atomico, numero di massa (isotopi) 9

Materia: forme, struttura e qualità Composti inorganici (CO, CO2 e molecole prive di carbonio: H2O, NaCl, NH3…) Composti organici (naturali e sintetici) idrocarburi (metano) idrocarburi clorurati (DDT, PCB) clorofluorocarburi o CFC (freon) carboidrati (semplici e complessi) aminoacidi (~20) e proteine (milioni) nucleotidi (4) e acidi nucleici (DNA, RNA) geni (sequenze di nucleotidi) e cromosomi 10

Materia: forme, struttura e qualità 11

Materia: forme, struttura e qualità 12

Materia: forme, struttura e qualità Materia di alta qualità: utilizzabile organizzata disponibile 13

Energia: forme e qualità "capacità di compiere lavoro" luce, elettricità, calore (≠temperatura)… cinetica e potenziale radiazione elettromagnetica 14

Energia: forme e qualità Energia di alta qualità: utilizzabile organizzata disponibile 15

Trasformazioni fisiche e chimiche e la legge di conservazione della materia Trasformazione fisica: non implica cambiamento della composizione chimica (es.: scioglimento dei ghiacci) Trasformazione chimica: implica cambiamento della composizione chimica (es.: combustione del carbone C+O2→CO2+energia) Conservazione della materia (applicazione al ciclo dei rifiuti) 16

Trasformazioni nucleari Decadimento naturale radioattivo (radioisotopi) Raggi alfa, beta, gamma Tempo di dimezzamento: iodio-131: 8 giorni stronzio-90: 28 anni uranio-238: 4.5 miliardi di anni Livello sicuro: dopo 10 tempi di dimezzamento 17

Trasformazioni nucleari Fissione nucleare: massa critica reazione a catena 18

Trasformazioni nucleari Fusione nucleare: imparare dal Sole… … non è facile (ITER)! 19

Le due leggi fondamentali dell'energia Prima legge della termodinamica: conservazione dell'energia Seconda legge della termodinamica: nelle trasformazioni dell'energia avviene una perdita della sua qualità (es.: da elettricità a calore) L'energia si conserva ma – in pratica – quella utilizzabile è sempre meno L'energia non si ricicla: importanza dell'efficienza energetica 20

Le due leggi fondamentali dell'energia La seconda legge della termodinamica influenza la vita (produzione di calore e rifiuti) 21

Fine della lezione… 22