Vai alla Home Page About me Courseware Federica Living Library Federica Federica Podstudio Virtual Campus 3D Le Miniguide all'orientamento Gli eBook di Federica La Corte in Rete
 
 
Il Corso Le lezioni del Corso La Cattedra
 
Materiali di approfondimento Risorse Web Il Podcast di questa lezione

Angelina Lombardi » 1.Introduzione alla Chimica


Cos’è la Chimica?

La Chimica è la scienza che studia la struttura e le proprietà della materia, ed in particolare le sue trasformazioni.

La Chimica aiuta a:

  • comprendere la struttura di materiali e sostanze esistenti in natura;
  • conoscerli nella loro complessità;
  • riprodurli in laboratorio;
  • persino progettarne e prepararne di nuovi, non presenti in natura.

La chimica, dunque, spazia dallo studio del mondo microscopico degli atomi, delle molecole e delle leggi che li governano, a quello delle sostanze e dei materiali naturali e sintetici utilizzati dall’uomo (ad esempio minerali, semiconduttori, polimeri, coloranti…).

La vita è chimica in azione.
Tutto, attorno a noi ed in noi, è chimica.
È attorno a noi nei fenomeni naturali indispensabili per la vita, come la fotosintesi, e nei prodotti artificiali di primaria importanza per la civiltà, come i farmaci, i fertilizzanti, le materie plastiche, i semiconduttori ed i detergenti.
È in noi perché il funzionamento o il mal funzionamento del corpo umano è regolato da reazioni chimiche.

Chimica: una Scienza Centrale

La Chimica è di fondamentale importanza, in quanto si colloca all’interfaccia di numerose discipline scientifiche.

Per questo motivo è spesso definita una
“SCIENZA CENTRALE”,
almeno da parte dei chimici!!!

La chimica è una scienza di base per molte altre discipline, che si sono sviluppate partendo dai suoi principi, ed è uno strumento utilizzato da tutte le altre scienze. È il caso, ad esempio, delle moderne biologia e medicina molecolare, le quali studiano i processi biologici e l’effetto dei farmaci a livello molecolare, cioè con un approccio di tipo chimico.
La chimica è assoluta protagonista anche nel campo delle nanotecnologie e delle biotecnologie. Le nanotecnologie, infatti, sono basate sulla applicazione a livello atomico e molecolare della chimica.
Analogamente, le biotecnologie possono essere viste come una speciale applicazione della chimica, dal momento che le cellule sono delle vere e proprie fabbriche chimiche, in cui in maniera incessante le molecole vengono metabolizzate (distrutte) e sintetizzate (prodotte).


Premi Nobel per la Chimica

È interessante sottolineare che i Premi Nobel per la chimica sono stati spesso assegnati a scienziati, le cui ricerche hanno dato un enorme contributo nel campo della biologia e della medicina.

Vincitori nel 1993 e nel 2006 sono stati rispettivamente Michael Smith e Kary B. Mullis, che hanno sviluppato le tecniche di mutagenesi sitospecifica e la “Polimerase Chain Reaction”, e Roger D. Kornberg, per i suoi studi sulle basi molecolari che regolano i processi di trascrizione nelle cellule eucariote.

Anche il premio Nobel 2009 è stato assegnato alla cosiddetta “chimica della vita”. Due americani e un’israeliana, Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz e Ada Yonath (prima donna del suo Paese a ricevere il riconoscimento) sono stati insigniti dall’Accademia di Stoccolma per la chimica per i loro studi sui ribosomi, le “fabbriche dei mattoni della vita“. I ribosomi sono, infatti, le strutture che traducono le istruzioni del codice genetico (Dna) nelle decine di migliaia di proteine presenti nell’organismo, ognuna con strutture e funzioni differenti.

Struttura tridimensionale delle due subunità del ribosoma. Fonte: prof. Ada E. Yonath, premio Nobel per la Chimica 2009

Struttura tridimensionale delle due subunità del ribosoma. Fonte: prof. Ada E. Yonath, premio Nobel per la Chimica 2009


Perché studiare la Chimica?

La chimica dispone di strumenti interdisciplinari indispensabili ad altri settori delle scienze e delle tecnologie moderne.

Solide conoscenze di chimica consentono di affrontare piuttosto facilmente problematiche in diversi settori delle Scienze, man mano che i propri interessi evolvono.

La chimica coinvolge ogni aspetto della nostra vita, del nostro ambiente e del nostro mondo (visita il sito “Chemistry and you“): la comprensione dei processi e dei fenomeni che avvengono dentro ed attorno a noi non può prescindere dalla sua conoscenza.

Conoscenze di chimica contribuiscono ad aprire sbocchi professionali in svariati settori, ad esempio in campo industriale, nella difesa dell’ambiente, nel controllo della sicurezza degli alimenti e dei prodotti, nella ricerca.
Sempre più frequentemente, la chimica gioca un ruolo importante in settori inconsueti per le “scienze”: ad esempio nella giurisprudenza, dove analisi chimiche sono spesso fondamentali per la soluzione di un caso giudiziario, o nell’archeologia, in cui conoscenze chimiche sono fondamentali per il restauro e la conservazione dei beni culturali.

Studiare la chimica è una buona scelta.

Supera i luoghi comuni!

Che cos’è la chimica: schema riassuntivo


Chimica: mondo macroscopico e microscopico

La Chimica è la scienza che studia la materia e le trasformazioni che questa è in grado di subire.
In particolare, si occupa:

  • della struttura e composizione della materia;
  • delle proprietà delle varie sostanze in relazione alla loro struttura e composizione;
  • del comportamento delle varie sostanze, cioè della loro reattività;
  • della relazione tra energia e trasformazioni della materia.

La Chimica opera su due livelli: il macroscopico e il microscopico.

Il livello macroscopico è costituito da ciò che si può conoscere da una diretta osservazione delle proprietà fisiche della materia (ad esempio massa, volume, etc.) e delle sue trasformazioni (una foglia che muta colore durante l’autunno; il sangue che coagula).

Il livello microscopico implica conoscenze di dettagli atomici o sub-atomici (ad esempio, gli atomi e le molecole di cui la materia è costituita). A livello microscopico, la chimica interpreta i fenomeni rifacendosi alla variazione di composizione e di organizzazione strutturale della materia.

Materia e sue proprietà

Materia: tutto ciò che occupa uno spazio e possiede una massa.

La massa è la misura della quantità di materia. Nel Sistema Internazionale, l’unità di misura della massa è il Kg.

La massa è spesso confusa con il peso, che rappresenta la forza con cui un corpo di massa m è attratto dal campo di forza gravitazionale in cui si trova: P = m · g

Il peso di un corpo è dunque una grandezza variabile; la massa invece è un dato costante. Ad esempio, un astronauta è “senza peso” in una stazione spaziale in assenza di gravità, ma la sua massa è la stessa rispetto a quella che ha sulla terra.

La materia si presenta sotto forma di sostanze (elementi e composti) diverse tra loro per composizione, struttura e proprietà.

Proprietà: una caratteristica che può essere usata per descrivere una sostanza.

Alcune proprietà osservabili a livello macroscopico: dimensioni, colore e temperatura.

Alcune proprietà osservabili a livello microscopico: composizione chimica, struttura chimica.


Proprietà fisiche e chimiche

Le proprietà che possono essere osservate senza che vari la composizione della sostanza sono dette proprietà fisiche. Le proprietà fisiche descrivono il modo di comportarsi di una sostanza in fenomeni che non ne alterino la natura (fenomeni fisici).

Le proprietà estensive dipendono dalla quantità di sostanza presente. Massa e volume sono proprietà o grandezze estensive.

Le proprietà intensive non dipendono dalla quantità di sostanza. La densità o il punto di fusione sono, ad esempio, proprietà o grandezze intensive.

Le variazioni delle proprietà fisiche sono denominate trasformazioni fisiche. In una trasformazione fisica è preservata l’identità di una sostanza.

Le proprietà chimiche identificano il modo di comportarsi di una sostanza, o meglio la sua reattività. Le trasformazioni chimiche alterano l’identità delle sostanze.


Gli stati della materia

Una proprietà fisica della materia facilmente osservabile è il suo stato (stato di aggregazione).
La materia può esistere in tre stati di aggregazione:

Solido, Liquido e Gas.

Solido: una sostanza con forma rigida e volume definito.

Liquido: una sostanza con volume definito ma priva di forma propria. È un fluido che assume la forma del recipiente che lo contiene.

Gas: una sostanza fluida, che non ha né volume definito né forma propria.

Lo stato di aggregazione di una sostanza dipende dai parametri fisici temperatura e pressione variando i quali (o anche uno solo di essi) la sostanza può cambiare stato fisico.

Comunemente alle sostanze si associa lo stato fisico che esse presentano in condizioni ambiente. Ad esempio, si dice che l’acqua è un liquido perché nelle condizioni di temperatura e pressione ambiente si trova in questo stato.

I tre stati di aggregazione della materia. Fonte: Splung e ridisegnata da Flavia Nastri

I tre stati di aggregazione della materia. Fonte: Splung e ridisegnata da Flavia Nastri

Lo iodio è un solido lucente nero-bluastro, che sublima in un gas violetto

Lo iodio è un solido lucente nero-bluastro, che sublima in un gas violetto


Alcune proprietà dei diversi stati della materia


Classificazione della materia

La materia può essere distinta in omogenea ed eterogenea.

Sistema: Porzione delimitata di materia, oggetto di indagine.

  • Un sistema è eterogeneo se presenta proprietà non uniformi in diverse regioni di un campione: è costituito da due o più fasi nettamente separate.
  • Un sistema è omogeneo se presenta le stesse proprietà in qualunque parte del campione: è costituito da una sola fase.

Fase: Porzione di materia, fisicamente distinguibile, che ha proprietà intensive uniformi. In un campione eterogeneo, una fase è separabile dalle altre attraverso metodi fisici.

Sostanze e miscele

La materia può essere suddivisa in due categorie: sostanze e miscele.

Sia le sostanze che le miscele possono essere omogenee o eterogenee.

  • Sostanza: in chimica, si definisce sostanza la materia con composizione definita e costante, che non può essere separata in sostanze più semplici attraverso trasformazioni fisiche. Proprietà fisiche, quali densità, indice di rifrazione, conducibilità elettrica, punto di fusione, etc., caratterizzano una sostanza. Queste proprietà sono comuni a tutti i campioni della stessa sostanza, indipendentemente da come sono stati ottenuti o purificati.
  • Miscela: è composta da due o più sostanze; le proprietà di una miscela possono variare in funzione della composizione (quantità relativa dei componenti presenti).

Sostanze: sistemi omogenei ed eterogenei

Un sistema costituito da una sola sostanza può essere sia omogeneo sia eterogeneo.

L’acqua distillata purissima allo stato liquido è un esempio di sistema omogeneo.

Alla temperatura di 0 °C l’acqua distillata si trova in parte in fase solida (ghiaccio) ed in parte in fase liquida: il sistema è fisicamente eterogeneo. Infatti, anche se costituito da una sola sostanza, il sistema è formato da due fasi distinte.

Sistema eterogeneo. In ciascun becher l’acqua pura è presente in due fasi: liquida e ghiaccio; liquida e vapore

Sistema eterogeneo. In ciascun becher l'acqua pura è presente in due fasi: liquida e ghiaccio; liquida e vapore

Sistema omogeneo. In ciascun becher l’acqua pura è presente in una sola fase: solida (ghiaccio) e liquida

Sistema omogeneo. In ciascun becher l'acqua pura è presente in una sola fase: solida (ghiaccio) e liquida


Miscele: sistemi omogenei ed eterogenei

Le miscele eterogenee possono talvolta apparire uniformi, ma ad un esame più attento non lo sono. Esempi di miscele eterogenee sono il sangue e il latte.

I componenti del sangue, di differente densità, possono essere separati mediante centrifugazione, come riportato in figura.

Le miscele omogenee presentano le stesse proprietà in ogni punto del campione, anche se osservate ad un potente microscopio.

Le miscele omogenee sono spesso chiamate soluzioni. Esse possono esistere in tutti e tre gli stati di aggregazione (solido, liquido o gas).

Esempi comprendono l’aria (miscela gassosa di azoto ed ossigeno), la benzina (miscela di idrocarburi).

Una soluzione di acqua e zucchero è una miscela omogenea. Se però la quantità di zucchero aggiunta all’acqua supera il valore della solubilità, lo zucchero non si scioglie e si deposita come solido sul fondo del recipiente (corpo di fondo). La miscela da omogenea è diventata eterogenea.

Una miscela eterogenea si ottiene anche quando si mescolano tra loro sostanze non miscibili.

Il sangue è una miscela eterogenea costituita da liquidi e particelle sospese

Il sangue è una miscela eterogenea costituita da liquidi e particelle sospese


Costituenti dell’aria

L’aria è una miscela omogenea di gas diversi

L'aria è una miscela omogenea di gas diversi


Sistemi omogenei ed eterogenei: schema riassuntivo


Elementi e composti

Le sostanze possono essere costituite da elementi o da composti.

  • Elemento: un tipo di sostanza che non può essere scissa in sostanze più semplici con mezzi chimici e fisici a bassa energia. Idrogeno ed ossigeno sono esempi di elementi.
  • Composto chimico: una sostanza formata da due o più elementi chimicamente combinati. Esso può essere scissa, con metodi chimici, in sostanze più semplici. Ad esempio, l’acqua può essere scissa negli elementi idrogeno ed ossigeno per effetto del passaggio di una corrente elettrica. Un composto si rappresenta con la formula chimica (es. acido solforico H2SO4). I composti hanno una composizione definita e costante.
Miscele omogenee, sostanze ed elementi. Fonte: Mark Bishop e ridisegnata da Flavia Nastri

Miscele omogenee, sostanze ed elementi. Fonte: Mark Bishop e ridisegnata da Flavia Nastri


Elementi

Gli elementi attualmente conosciuti sono più di 100. Di questi solo 90 sono di origine naturale; gli altri elementi sono stati ottenuti artificialmente mediante metodi fisici o chimici.

Ciascun elemento è caratterizzato da un simbolo.

  1. Una o due lettere sono usate per rappresentare l’elemento.
  2. La prima lettera è in carattere maiuscolo e la seconda minuscolo.
  3. Alcuni simboli derivano dal nome moderno dell’elemento.
  4. Molti elementi hanno nomi e simboli di origine greca o latina. Per esempio “Na” per il sodio deriva dal latino Natrium.
  5. Gli elementi sono classificati nella Tavola Periodica.

L’atomo è la particella più piccola di un elemento che conservi le proprietà chimiche caratteristiche dell’elemento stesso.

La Tavola Periodica consiste di riquadri per ogni elemento in cui compare il numero atomico, il simbolo e la massa atomica dell’elemento

La Tavola Periodica consiste di riquadri per ogni elemento in cui compare il numero atomico, il simbolo e la massa atomica dell'elemento

La Tavola Periodica degli elementi

La Tavola Periodica degli elementi


Elementi benefici per la salute: alcuni esempi


Sostanze elementari

Le sostanze elementari sono costituite da atomi della stessa specie, cioè di un solo elemento.

Le sostanze elementari possono essere formate da:

  1. atomi isolati, come nel caso dei gas nobili He, Ne, Ar;
  2. da aggregati discreti di atomi, cioè da unità distinte e separate le une dalle altre, ciascuna delle quali formata da due o più atomi legati tra loro (molecole). Esempi sono l’ossigeno O2, lo iodio I2 il fosforo P4, lo zolfo S8;
  3. da un insieme costituito da atomi legati tra loro da legami covalenti (boro, silicio, carbonio nella grafite o nel diamante), o da legami metallici (sodio, zinco, rame).

Le sostanze elementari costituite da unità distinte si dicono molecolari; quelle costituite da un insieme continuo di atomi si dicono polimeriche se gli atomi sono legati da legami covalenti, metalliche se i legami sono di tipo metallico.

Di alcuni elementi è indicato lo stato di aggregazione in condizioni ambiente. Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES

Di alcuni elementi è indicato lo stato di aggregazione in condizioni ambiente. Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES


Composti

Composto chimico: una sostanza formata da due o più elementi chimicamente combinati, tenuti insieme cioè da legami chimici.

I composti possono essere formati da molecole, da concatenazioni di atomi o da ioni. I composti si dicono molecolari, polimerici o ionici.

La composizione di qualsiasi sostanza elementare o composto è rappresentata dalla sua formula chimica.

Alcuni esempi di composti chimici molecolari. Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES

Alcuni esempi di composti chimici molecolari. Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES

Uno dei più noti composti chimici di tipo ionico il cloruro di sodio (NaCl). Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES

Uno dei più noti composti chimici di tipo ionico il cloruro di sodio (NaCl). Fonte: Kotz, Treichel, Townsend; Chimica, IV ed., EdiSES


Miscele e composti

Confronto tra le caratteristiche di una miscela e quelle di un composto

Confronto tra le caratteristiche di una miscela e quelle di un composto


Classificazione della materia: schema riassuntivo


Conoscenze ed abilità acquisite

Conoscenze ed abilità acquisite

Al termine di questa lezione lo studente dovrebbe essere capace di:

  • Descrivere alcune proprietà macroscopiche e microscopiche.
  • Fornire esempi di proprietà fisiche e chimiche e di proprietà intensive ed estensive.
  • Classificare la materia come omogenea o eterogenea.
  • Distinguere sostanze e miscele.
  • Definire elementi e composti.
  • Fornire esempi di sostanze elementari, molecolari, polimeriche e metalliche.
  • Fornire esempi di composti molecolari, polimerici e ionici.
  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
  • Condividi su FriendFeed
  • Condividi su Facebook
  • Segnala su Twitter
  • Condividi su LinkedIn
Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion