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Delia Picone » 1.La Materia e le sue Trasformazioni


Cos’è la Chimica

La chimica è bella, e si può capire!

La Chimica studia le proprietà della materia e le leggi che ne regolano le trasformazioni

  • Materia è tutto ciò che ha una massa e occupa spazio, cioè ha un volume

La descrizione delle proprietà chimiche della materia è basata su tre modelli:

  1. Modello atomico della materia
  2. Modello elettronico dell’atomo
  3. Modello del legame chimico
La materia plastica, usata per fabbricare bottiglie e altri oggetti di uso quotidiano, è fatta di atomi

La materia plastica, usata per fabbricare bottiglie e altri oggetti di uso quotidiano, è fatta di atomi

Anche il DNA, responsabile dell’informazione genetica, è fatto di atomi!

Anche il DNA, responsabile dell'informazione genetica, è fatto di atomi!


Stati di Aggregazione


Proprietà Fisiche e Chimiche

Gli stati di aggregazione appena descritti rappresentano un esempio di proprietà fisiche della materia, cioè di caratteristiche che si possono osservare senza alterare la composizione della materia stessa. Altri esempi di proprietà fisiche sono la temperatura, la densità, il calore specifico ecc.

Sono proprietà chimiche le caratteristiche della materia che si osservano quando avvengono trasformazioni che alterano la composizione delle sostanze.

Nell’immagine a lato, il legno che brucia trasformandosi in anidride carbonica e acqua rappresenta una reazione chimica

La sostanza meno densa (l’olio) galleggia su quella più densa (l’acqua)

La sostanza meno densa (l'olio) galleggia su quella più densa (l'acqua)

Il fuoco è una reazione chimica

Il fuoco è una reazione chimica


Proprietà Intensive ed Estensive


Classificazione della Materia

La materia si presenta solitamente sotto forma di miscele complesse, che possono essere omogenee o eterogenee. Queste vengono separate attraverso procedure basate sulle diverse proprietà fisiche e chimiche dei loro costituenti. L’immagine a lato illustra in modo schematico i vari stadi del processo di separazione dell materia (o dei materiali) nei loro componenti. Nella prima fase, la miscela viene suddivisa in sostanze pure mediante metodi fisici, come ad esempio la distillazione, che consente la separazione di sostanze con una diversa temperatura di ebollizione. Le sostanze pure vengono a loro volta classificate come sostanze elementari, cioè costituite da atomi tutti uguali, o sostanze composte, costituite da almeno due elementi diversi. Le sostanze composte, che a loro volta possono essere di tipo ionico o molecolare a seconda della natura delle interazioni esistenti tra le loro particelle,  possono essere ulteriormente separate negli elementi costituenti attraverso procedimenti chimici.
Per illustrare questi concetti nella pagina successiva sono riportate immagini di miscele, di sostanze elementari, e di alcune tipiche tecniche di separazione.


Miscele, Sostanze Pure e Metodi di separazione


Trasformazioni chimiche

Durante una trasformazione chimica non si altera la natura né il numero delle particelle, ma il modo in cui esse sono legate tra loro. Le immagini riportate di lato illustrano questo concetto. Osservando la figura in alto osserviamo che entrambi i recipienti contengono solo idrogeno (in azzurro) e ossigeno (in arancio). Nel contenitore di sinistra tuttavia ogni atomo di idrogeno è legato a un altro atomo identico, in una molecola biatomica. Come si può osservare, anche l’ossigeno è presente come molecola biatomica, quindi il contenuto del recipiente rappresenta una miscela di queste sostanze. Il recipiente di destra contiene invece una nuova sostanza, l’acqua, fatta a sua volta da idrogeno e ossigeno. In ogni molecola di acqua un atomo di ossigeno è legato a due atomi di idrogeno. Il confronto fra i due recipienti illustra inoltre il concetto di trasformazione chimica: gli atomi sono inalterati, ma risultano legati tra loro in modo diverso.

Nell’immagine riportata in basso,  è illustrato un altro esempio di trasformazione chimica, il processo di elettrolisi dell’acqua, che consiste nella decomposizione di questa sostanza in idrogeno (a destra) e ossigeno (a sinistra) ad opera della corrente elettrica.

Una miscela omogenea (a sinistra) e una sostanza pura (a destra)

Una miscela omogenea (a sinistra) e una sostanza pura (a destra)

La corrente elettrica scinde l’acqua nei suoi componenti, l’idrogeno e l’ossigeno

La corrente elettrica scinde l'acqua nei suoi componenti, l'idrogeno e l'ossigeno


Un po’ di storia

L’origine della Chimica come Scienza si fa risalire ad Antoine Lavoisier, e ai suoi studi quantitativi

delle reazioni chimiche. Nel 1774 enunciò la Legge di conservazione della massa:

La massa totale ottenuta alla fine di una reazione chimica è uguale alla massa delle sostanze messe a reagire.

Tra le pietre miliari che hanno consentito lo sviluppo della chimica vanno sicuramente considerati i postulati di Dalton, uno studioso inglese che cercò di razionalizzare i risultati di numerosi esperimenti condotti in quegli anni e pose le basi della teoria atomica della materia.

Teoria Atomica di Dalton (1805)

  • Un elemento chimico è costituito da particelle indivisibili (atomi).
  • Gli atomi non possono essere creati, né distrutti, né trasformati.
  • Tutti gli atomi di un elemento hanno proprietà uguali tra loro e diverse da quelle degli altri elementi.
  • I composti si formano per combinazione di atomi di elementi diversi in rapporti espressi da numeri interi piccoli.
  • In un dato composto i tipi di atomo e il loro numero resta costante.

Metodo Scientifico

La chimica è una scienza sperimentale basata sul metodo scientifico.

Legge scientifica: Esperimento <=> Teoria

Nello scambio di informazioni tra i ricercatori sono importanti:

  • Le definizioni
  • Le unità di misura

Il valore di ogni misura dipende infatti dalla unità di misura con la quale viene espresso.

I termometri in figura, ad esempio, sono basati su diverse scale di temperatura, quindi la temperatura di ebollizione dell’acqua corrisponde a valori differenti. Analogamente, la misura di una lunghezza ha un valore differente se espressa in cm o in pollici.


Nei lavori scientifici si usano le unità S.I., basate sul sistema metrico decimale


Accuratezza e Precisione delle Misure

Tutte le misure sperimentali sono affette da errori.

La precisione di una misura indica il grado di riproducibilità. Dipende unicamente dallo strumento, cioè per cambiare il grado di precisione della misura bisogna cambiare strumento.

Le misure precise hanno un piccolo errore casuale e sono riproducibili.

L’accuratezza indica quanto una misura sia vicina al valore vero. Dipende dalle condizioni in cui è effettuata la misura.

Le misure accurate hanno un piccolo errore sistematico e forniscono un valore molto vicino al valore reale.

Strumenti da laboratorio per misure di precisione

Strumenti da laboratorio per misure di precisione


Valutazione dei Dati Sperimentali

I punti riportati in grafico si riferiscono a un caso ideale di un esperimento in cui viene seguito il decorso di una reazione chimica misurando i prodotti ottenuti in funzione del tempo. Ogni esperimento è stato ripetuto tre volte, a ciascun set di dati è contrassegno da un colore. La semiretta azzurra rappresenta l’andamento “teorico”.

Accuratezza e precisione (ingrandimento)

Le immagini illustrano il significato di accuratezza e precisione

Le immagini illustrano il significato di accuratezza e precisione


Cifre Significative

Quando un numero esprime il risultato di una misura, tutte le cifre si considerano note con esattezza tranne l’ultima, per la quale si assume una incertezza di ± 1. Il numero di cifre che costituiscono la misura, inclusa l’ultima, è detto numero di cifre significative. Il numero di cifre significative di una misura indica l’incertezza sulla misura stessa.

Quando un numero è il risultato di una operazione aritmetica, va arrotondato tenendo conto della precisione dei dati di partenza. Per determinare il numero di cifre significative con le quali esprimere il risultato di un calcolo si applicano alcune semplici regole:

Nella somma e nella differenza il risultato va arrotondato tenendo conto del termine che ha il numero di cifre decimali più basso. Es: 2.27 + 4.5= 6.8 (e non 6.78)

Nel prodotto e nella divisione il risultato va arrotondato tenendo conto del fattore che ha il numero di cifre significative più basso. Es: 2.27 x 4.5= 10 (e non 10.215)

Supponiamo di volerne calcolare il volume della scatola in figura: con quante cifre dovremo esprimere il risultato? Il volume della scatola sarà 33×103 cm3, risultato dall’arrotondamento di 36×21x43= 32508 cm3

Alcuni esempi sono riportati nella pagina successiva.

Con quante cifre significative sono state misurate le dimensioni di questa scatola?

Con quante cifre significative sono state misurate le dimensioni di questa scatola?

Per arrotondare al numero giusto di cifre significative usiamo la notazione esponenziale

Per arrotondare al numero giusto di cifre significative usiamo la notazione esponenziale


Cifre Significative: esempi


I materiali di supporto della lezione

Nota: Alcune figure utilizzate sono state prese da:

Principi di Chimica, P. Atkins e L. Jones, Zanichelli

Chimica-Un'introduzione, D.D. Ebbing e Wentworth, R.A., Idelson-Gnocchi

General Chemistry, Principles and Modern Applications, Petrucci, R.H., Harwood, W.S. and Herring, F.G., Pearson Education (http://cwx.prenhall.com/petrucci/)

Accuratezza e precisione (ingrandimento)

Esercizi

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