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1 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas CAPITOLO 1.Perché studiare chimicaPerché studiare chimica 2.Il metodo scientificoIl metodo scientifico 3.La misura in chimicaLa misura in chimica 4.La notazione scientifica (o esponenziale)La notazione scientifica (o esponenziale) 5.La massaLa massa 6.Il volumeIl volume 7.Incertezza di una misura e cifre significativeIncertezza di una misura e cifre significative 8.La densitàLa densità 9.La pressioneLa pressione 10.L’energiaL’energia 11.La temperaturaLa temperatura 12.Il caloreIl calore 13.Precisione, accuratezza, errore percentualePrecisione, accuratezza, errore percentuale 1 1 Indice

2 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas La chimica è la scienza che studia le proprietà della materia e le sue trasformazioni. 2 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 1 Per il suo ampio campo d’azione, la chimica interagisce con una varietà di discipline per cui è definita “scienza centrale”. Perché studiare chimica

3 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 3 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 2 Il metodo scientifico

4 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas In chimica tutte le misure sperimentali consistono di un numero e di una unità di misura. 4 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 3 Se la massa di una capsula di porcellana è 20,93 g si ha: Bilancia tecnica monopiatto a due decimali con capsula di porcellana. 20,93 g numero unità La misura in chimica

5 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Nel 1960 è stato adottato in campo scientifico il Sistema Internazionale di Unità di misura. 5 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 3 Le unità di questo sistema sono chiamate unità SI. Nome dell’unità di misuraGrandezza fisicaSimbolo kilogrammoMassakg MetroLunghezzam SecondoTempos KelvinTemperaturaK MoleQuantità di sostanzamol AmpèreCorrente elettricaA CandelaIntensità luminosacd Le sette unità di misura di base. La misura in chimica

6 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Le unità che sono definite dalla combinazione delle unità di base prendono il nome di unità derivate. 6 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 3 Nome dell’unità di misuraGrandezza fisicaSimbolo newtonForzaN; kg  m/s 2 pascalPressionePa; N/m 2 jouleEnergiaJ; kg  m 2 /s 2 metro cuboVolumem3m3 kilogrammo al metro cuboDensitàkg/m 3 Esempi di grandezze derivate del SI.  Unità derivate La misura in chimica

7 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 7 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 3  Prefissi usati con le unità SI SignificatoPrefissoEsempio TGMkTGMk Tera- Giga- Mega- Kilo- 1 terametro (Tm) = 1 × 10 12 m 1 gigametro (Gm) = 1 × 10 9 m 1 megametro (Mm) = 1 × 10 6 m 1 kilometro (km) = 1 × 10 3 m Prefissi usati con le unità SI e nel sistema metrico Simbolo 10 12 10 9 10 6 10 3 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 La misura in chimica

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

9 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas La massa (m) di un corpo è una misura della quantità di materia di cui è costituito e viene determinata con una bilancia. 9 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 5 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 dove g è l’accelerazione di gravità 9,8 m/s 2. p = m × g Nel SI l’unità di misura della massa è il kilogrammo (kg). Masse più piccole sono espresse in grammi (g) o in milligrammi (mg). Sulla Luna il peso di un corpo è circa 1/6 di quello sulla Terra. La massa

10 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Il volume di un corpo (V) è lo spazio che esso occupa. 10 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 6 1 millilitro (mL) corrisponde a 1/1000 di litro, per cui 1 mL = 1 cm 3 Nel SI l’unità di misura di volume è il metro cubo (m 3 ). In chimica le unità di misura più adoperate sono il litro (L), una unità che non appartiene al SI, e il millilitro (mL). Il volume

11 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas Le cifre significative in una misura sperimentale corrispondono a tutte le cifre note con certezza più la cifra incerta. 11 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 7 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). Incertezza di una misura e cifre significative

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

13 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 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: 13 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 7  Calcoli 1,5 × 4,52 = 6,78 si arrotonda a 6,8 due cifre significative tre cifre significative due cifre significative 10,5 65,55 quattro cifre significative = 0,160183066 si arrotonda a 0,160 tre cifre significative Incertezza di una misura e cifre significative

14 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 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: 14 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 7 4,56 + 2,4182 + 1,368 = 8,3462 si arrotonda a 8,35  Calcoli Incertezza di una misura e cifre significative

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

16 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 16 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 8 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 (cm 3 ) 28,9 57,8 86,7 La densità

17 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas La pressione è la forza esercitata su una superficie unitaria e viene espressa con la formula: 17 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 9 F S P = 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 × 10 3 Pa. L’unità pratica di pressione, accettata dal SI, è il bar: 1 bar = 1 × 10 5 Pa. La pressione atmosferica standard (atm) non fa parte del SI: 1 atm = 1,013 bar. La pressione

18 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas L’energia (E) è la capacità di compiere un lavoro o di produrre calore. 18 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Si distinguono due tipi di energia: E c = ½ m × v 2 dove m è la massa e v la velocità di un corpo.  l’energia cinetica (E c ) ossia quella posseduta da un corpo in movimento: E p = m × g × h dove m è la massa, g l’accelerazione di gravità e h l’altezza.  l’energia potenziale (E p ) ossia quella posseduta da un corpo in virtù della sua posizione: L’energia 10

19 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 19 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI Nel SI l’unità di misura dell’energia è il joule (J).  Unità di misura dell’energia 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 L’energia 10

20 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 20 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 11 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) T ( in kelvin ) = t ( in Celsius ) + 273 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: La temperatura

21 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 21 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 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. Il calore 12

22 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 22 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 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:  Il calore specifico q = C × m × ΔT dove q = energia trasferita (J) C = calore specifico (J/g  K) m = massa (g) ΔT = variazione della temperatura (K) Il calore 12

23 © Paolo Pistarà © Istituto Italiano Edizioni Atlas 23 CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI 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. La precisione (o riproducibilità) indica se una serie ripetuta di misure di una grandezza dà valori che sono vicini tra loro. Il metodo è preciso ma poco accurato. Il metodo è preciso e accurato. Il metodo è poco preciso e poco accurato Precisione, accuratezza, errore percentuale 13