GRANDEZZE FONDAMENTALI - Cap. 1
Salerno - Giovedì, 25/04/2019.
BREVE PREFAZIONE
Quando le mie nipotine gemelle hanno iniziato a scuola lo studio della chimica, ho dato loro questo semplice consiglio: "Seguite attentamente le lezioni della vostra professoressa. Se poi a casa, studiando sul libro di testo, qualcosa degli argomenti spiegati non vi è chiaro, allora vi invito a consultare questi brevi appunti di chimica. Buon studio!"
Il nonno.
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Definizione di chimica.
La chimica è quella scienza che si occupa dello studio della struttura della materia e delle sue trasformazioni.
Metodo sperimentale, e formulazione delle leggi della chimica.
Il metodo sperimentale consiste nell’ osservazione dei fenomeni naturali, sia direttamente tramite i nostri sensi e sia con strumenti di misura.
I dati raccolti, assieme ai dati bibliografici disponibili di precedenti ricerche, vengono classificati e studiati in base ad una ipotesi. Se le verifiche sperimentali confermano l’ipotesi, si giunge alla formulazione di una legge.
Grandezze fondamentali:
La Materia.
Tutto ciò che ci circonda è formato da materia.
La materia è ciò di cui è costituito un corpo che occupa uno spazio e possiede una massa.
Massa e Peso.
La massa è la quantità di materia di un corpo.
Una definizione più accurata è la seguente: la massa di un corpo è dovuta alla sua inerzia, e cioè alla resistenza opposta a cambiare il suo stato di moto o di quiete.
Nel S.I. l’ unità di massa è il chilogrammo; il chilogrammo-campione è un cilindro di platino-rodio conservato nel Museo dei Pesi e delle Misure a Sèvres, vicino Parigi.
Nei laboratori di chimica o di fisica la massa viene misurata con la bilancia di precisione a piatti, che ha un elevato grado di accuratezza.
Su un piatto si mette la sostanza da pesare, e sull’altro tanti pesi campioni di vario valore fino a stabilire l’equilibrio, e cioè fino a quando
mx * g = mc * g
dove mx è la massa della sostanza da pesare ed mc è la massa dei pesi campione.
Poiché g ha lo stesso valore, può essere eliminato, e quindi un confronto tra pesi (m*g) si riduce ad un confronto tra masse; e quindi:
mx = mc
Con bilance di precisione di alta qualità, l’ accuratezza di una normale bilancia di precisione arriva fino alla quarta cifra decimale (decimi di milligrammi), ed anche oltre.
Il peso è una forza.
Il dinamometro invece misura una forza peso m*g, espressa in Newton:
1 Newton = 1 kgr. * 1 mt./sec2
e cioè m*g=massa*acceleraz. gravità = kgr*mt/sec2.
Oggi sono disponibili sul mercato moderne bilance analitiche a lettura diretta.
Quindi, in definitiva, il peso di un corpo è una forza peso uguale al prodotto m*g (e cioè massa m per accelerazione di gravità g), ed espressa in newton (1 newton=1 kgr.*1 mt./sec2).
L’ Energia.
L’ energia è l’attitudine che ha un sistema a compiere un lavoro.
L’ energia è distinta in energia cinetica ed energia potenziale:
- l’ energia cinetica è l’energia di un sistema in movimento, come ad esempio una cascata d’ acqua o le molecole di un gas in continuo movimento.
- l’ energia potenziale è l'energia immagazzinata in un sistema, come ad esempio un recipiente pieno d’ acqua posto ad una certa altezza dal suolo.
Energie primarie e secondarie.
Abbiamo due forme di energia, classificate in energie primarie e secondarie.
Sono energie primarie quelle forme di energia che possono essere convertite direttamente in lavoro, e cioè l’energia meccanica, l’energia termica, l’energia chimica e l’energia nucleare.
Sono invece energie secondarie quelle forme di energia che non possono essere erogate da nessuna fonte. L’ energia elettrica è la più importante fonte di energia secondaria; altre forme di energia secondaria sono l’aria compressa e l’acqua sotto pressione.
Le grandezze fondamentali nel S.I.
Il Secondo
Il secondo è l’intervallo di tempo impiegato dalla radiazione del cesio (una sostanza radioattiva) per fare 9.192.631.770 vibrazioni (nove mld,192 milioni, 631 mila, 770 vibrazioni).
Prima era 1 sec. = 1 gg. solare medio/86.400 (= 0.000011574 parte di 1 gg. = 1.1574*10-5 gg.)
Nota: 86.400 = 24 h * 60 min. * 60 sec.
Il Metro
Il metro è l’unita di misura della lunghezza nel sistema S.I.
L’ antico metro campione, in platino-iridio, è conservato nel Museo dei pesi e delle misure a Sèvres, vicino Parigi.
La definizione moderna del metro oggi è questa: 1 mt equivale allo spazio percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo, definito e piccolissimo, uguale a 1/299.792.458 secondi.
Sottomultipli piccolissimi del metro sono il nanometro (1nm = 10-9 mt.) e l’ Angstrom (1°A = 10-10 mt.)
Il Volume.
Il volume è la porzione di spazio occupata da un corpo.
Il volume di un corpo cresce al crescere della temperatura., specie per i gas (come idrogeno, ossigeno, aria, ecc.); l’aumento di volume è minore per i liquidi, ed è minimo per i solidi.
Nel sistema S.I. l’ unità di misura dei volumi è il m3, che però è troppo grande per il chimico.
Il chimico usa comunemente i sottomultipli del litro, specie i millilitri, che equivalgono ai cm3.
Precisamente: 1 ml equivale ad 1 cm3, uguale a sua volta ad 1/1000 di lt.
Gli strumenti usati dal chimico in laboratorio per misurare i volumi sono, nell’ ordine: la pipetta tarata, il pallone tarato, la buretta graduata, che sono strumenti abbastanza precisi; uno strumento meno preciso è il cilindro graduato (vedi fig. pipetta graduata e fig. cilindro graduato).
La densità.
La densità di una sostanza, specie se gassosa, varia con la temperatura e la pressione. Ad esempio, la densità dell’aria a 0° C e ad 1 Atm. è uguale a 0,001293 gr/cm3. Aumentando la temperatura di un gas, la sua densità diminuisce. Infatti, riscaldando un gas, il suo volume a denominatore aumenta, e quindi il rapporto diminuisce. Pertanto è necessario, quando si determina la densità di un corpo, specificare la temperatura e la pressione.
Se si riempiono completamente due recipienti identici, uno di acqua e uno di olio, e li mettiamo su una bilancia, troviamo che il recipiente di acqua pesa di più di quello dell’ olio, pur essendo uguali i volumi. Ciò si spiega con il fatto che la massa d’ acqua è maggiore della massa di un egual volume di olio perché la massa d’ acqua è più compatta, e cioè le particelle dell’ acqua stanno più vicine tra di loro rispetto a quelle dell’ olio. La grandezza fisica che descrive questa proprietà si chiama densità. Quindi, a parità di temperatura, l' acqua è più densa dell' olio (anche se sembra il contrario, in quanto l' olio ha un aspetto meno fluido, più viscoso).
Definizione: Si definisce densità il rapporto tra la massa di un corpo e il volume che occupa.
d = massa /volume (kg./m3 nel S.I., e gr./cm3 nel sistema C.G.S.)
Per passare da kg./m3 a gr./cm3 basta dividere per 1000, mentre al contrario per passare da gr./cm3 occorre moltiplicare per 1000.
Nella tabella seguente si trovano i valori di densità di alcune sostanze:
|
Sughero |
250 kg/m3 |
0,25 g/cm3 |
|
Legno di abete |
500 kg/m3 |
0,5 g/cm3 |
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Olio di oliva |
920 kg/m3 |
0,92 g/cm3 |
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Acqua a 4°C |
1000 kg/m3 |
1 g/cm3 |
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Marmo |
2600 kg/m3 |
2,6 g/cm3 |
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Platino* |
21450 kg/m3 |
21,45 g/cm3 |
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Ferro |
7800 kg/m3 |
7,8 g/cm3 |
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Piombo |
11400 kg/m3 |
11,4 g/cm3 |
|
Oro |
19300 kg/m3 |
19,30 g/cm3 |
* = superato di poco solo dall' osmio (22.61), il più denso degli elementi fino ad oggi conosciuti (1 lt. di osmio pesa 22.61 Kgr., e di conseguenza 1 kgr. di osmio occupa il volume di 1000 cm3/22.61 = 44,22 cm3).
L’acqua, distillata (cioè pura) e alla temperatura di 4 °C, ha una densità di 1000 Kg/m3. Ciò vuol dire che un metro cubo di acqua pesa una tonnellata o, equivalentemente, che 1 Kg di acqua occupa uno spazio di 1dm3. Per questo motivo si può usare l’acqua come riferimento e indicare la densità di un'altra sostanza contando quante volte il suo valore rientra in quello - unitario - posseduto dall’acqua. In questo caso di parla di densità relativa (adimensionale).
La densità è una proprietà intensiva della materia che dipende dalla temperatura e dalla pressione (specialmente per i gas).
Per quasi tutti i materiali, un aumento di temperatura causa un aumento di volume (volume che figura nella formula a denominatore), e quindi una diminuzione del valore della densità.
Il Peso specifico.
Il peso specifico di una sostanza è uguale al rapporto tra il suo peso ed il volume da essa occupato:
p.sp. = peso/volume (Newton/m3)
Calore, temperatura e termometri.
Il calore è una forma di energia, detta energia termica, che passa da un corpo (o sistema) a temperatura maggiore ad un altro corpo con temperatura minore (attenzione, il calore si manifesta solo con il passaggio dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa).
La temperatura indica la tendenza che ha il calore a passare da un corpo (o sistema) più caldo(e cioè a T maggiore) ad un corpo più freddo (e cioè a T minore).
Si dice pertanto che due corpi (due sistemi) hanno una diversa temperatura se, posti a contatto, si verifica il passaggio di calore dal corpo (sistema) a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore, fino a raggiungere la stessa temperatura (equilibrio termico).
Ovviamente, il Calore è una grandezza estensiva (parliamo di maggiore o minore quantità di calore), mentre la Temperatura è una grandezza intensiva ( e cioè parliamo di uno stessolivello di stato di agitazione termica, che si traduce in uno stesso livello di temperatura, uguale per tutti i corpi).
Per capire meglio i concetti di calore e di temperatura, si può paragonare il trasferimento di caloreda un corpo a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore a quello della massa di un liquido, ad esempio acqua, da un recipiente posto ad un livello superiore ad un altro recipiente situato ad un livello inferiore. E così, come l’acqua passa dal recipiente più in alto a quello più in basso, così il calore passa da un corpo a temperatura maggiore ad un altro a temperatura minore. Cioè:
- lamassa d’ acqua equivale al caloretrasmesso
- ildislivello dei due recipienti equivale alla differenza di temperatura
Siccome il calore passa spontaneamente sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo, possiamo definire la temperatura anche come il livello (la misura) a cui è disponibile il calore (energia termica) che può essere trasmesso da un corpo (tra 1000 calorie di un corpo a 300 °C e 1000 calorie di un altro corpo a 100 °C c' è una bella differenza: le 1000 calorie a 100 °C non possono essere trasmesse ad un corpo che si trova a 200 °C; invece lo possono quelle del corpo a 300 °C).
Temperatura e scale termometriche
La temperatura del corpo umano è comunemente misurata con il termometro che tutti conosciamo, e che però, a seguito di una direttiva del Parlamento europeo del 3 aprile 2009 vieta in tutti i Paesi della zona euro l’uso del mercurio, tossico. Al suo posto oggi si usa il galinstan, una lega di gallio, indio e stagno (gal=gallio, in=indio, stan=stagno), che non è tossica.
La scala termometrica di Celsius.
In Italia e in molti altri Paesi il valore della misura che si ottiene con i termometri è determinato in base alla scala termometrica chiamata scala Celsius, poiché fu ideata nel 1742 dal fisico e astronomo svedese A. Celsius. Nei termometri di questo tipo la dilatazione (o la contrazione) di un liquido avviene all’interno di un sottile capillare di vetro e si traduce quindi in una variazione di lunghezza. La temperatura corrisponde al livello del liquido e si legge direttamente sulla scala graduata.
I punti fissi del termometro Celsius sono:
a) lo 0° C, corrispondente alla temperatura costante di un sistema acqua/ghiaccio (ghiaccio fondente)
b) 100° C, corrispondente alla temperatura costante dell’acqua bollente, alla pressione costante di 1 Atm.
La scala Kelvin.
La scala Kelvin ha la caratteristica di non presentare valori negativi e infatti la scala inizia dal cosiddetto zero assoluto.
In questa scala la temperatura di fusione del ghiaccio vale 273 K e la temperatura di ebollizione dell’acqua distillata è di 373 K. In base a questi dati si può capire che nella scala Kelvin la variazione di una unità di temperatura (1 K) corrisponde esattamente alla variazione di 1 °C e pertanto è piuttosto facile convertire un valore di temperatura da una scala all’altra.
Nota a): la temperatura dello zero assoluto, che corrisponde a – 273 °C, è la più bassa temperatura esistente nell’ Universo (ovviamente negli spazi lontanissimi anni luce da qualsiasi stella!), e che è possibile sfiorare (ma non raggiungere) solo in laboratori del freddo altamente specializzati.
Nota b): la temperatura assoluta è una delle sette grandezze fondamentali nel S.I.
La scala Fahrenheit.
La scala Fahrenheit è molto diffusa negli Usa.
Ai punti fissi 0° C e 100° C della scala Celsius corrispondono, nella scala Fahrenheit, rispettivamente i punti fissi -32° F e 212° F.
Le relazioni che permettono di passare da una scala termometrica all’ altra sono le seguenti
°F = 32 + 1,8 °C
K = °C + 273,16
Accuratezza, precisione e cifre significative.
La qualità di una misura dipende sia dall’abilità dell’operatore e sia dall'affidabilità degli strumenti utilizzati.
L' accuratezza indica quanto siamo vicini al valore verocon una data misura.
La precisione indica quanto si avvicinano tra di loro le varie misure.
Le cifre significative sono le cifre che hanno significato perché sono quelle effettivamente lette allo strumento compatibilmente alla sua sensibilità. Cioè, se pesiamo un oggetto su una bilancia tecnica e leggiamo 1,12 gr. , allora 1 e 1 sono le cifre certe, e 2 è la cifra incerta, e le cifre significative sono tre (1,1,2). Se poi pesiamo lo stesso oggetto su una bilancia di precisione e leggiamo 1,1234 gr., allora 1 1 2 3 sono le cifre certe e 4 è la cifra incerta, e le cifre significative sono 5 (1,1,2,3,4). Ovviamente, il valore vero* di una grandezza è un valore ideale, impossibile da raggiungere qualunque sia la sensibilità dell’apparecchio utilizzato per la misura. Possiamo solo dire che una misura è tanto più accurata quanto più si avvicina al suo valore vero ipotizzato (qualità del metodo di misura), ed è tanto più precisa quanto più i valori misurati sono vicini tra di loro (qualità dello strumento predisposto per la misura).
Bisogna però stare attenti nella valutazione di una misura in cui sono presenti degli zeri.
Valgono le seguenti regole:
- gli zeri all’inizio di un numero non sono significativi; essi servono solo per poter localizzare la virgola decimale. Così 0,00123 g ha tre cifre significative, e cioè 1,2,3;
- sono invece significative sia gli zeri all’ interno che quelli alla fine di un numero, ad es. 0,000123 (6 cifre significative) che quelli alla fine 1230000 (7 cifre significative)
- conviene esprimere una misura con la notazione scientifica, perché si valutano meglio le cifre significative e si fa prima a calcolare il risultato in caso di operazioni da fare; il valore 0,00123 al punto 1) dovrebbe essere riportato come 1,23*10-3.
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Sommario Cap. 1
La chimica studia la struttura della materia e delle sue trasformazioni mediante il metodo sperimentale, che consiste di due fasi:
- l'osservazione dei fenomeni naturali, sia direttamente mediante i nostri sensi (e cioè vista, udito, tatto, olfatto e gusto), e sia - e più spesso! - con strumenti di misura;
- la successiva classificazione ed interpretazione dei dati raccolti in base ad una ipotesi, che, se verificata, diventa legge.
La materia di un corpo occupa uno spazio e possiede una massa; dalla massa dipende l’ inerzia del corpo stesso, e cioè la resistenza opposta a cambiare il suo stato di moto o di quiete.
L’unità di massa è il chilogrammo, il cui prototipo è un cilindro di platino-rodio conservato nel Museo dei Pesi e delle Misure a Sèvres, vicino Parigi.
La massa di un corpo viene misurata mediante la bilancia; nei laboratori si usa la bilancia di precisione a piatti, che ha un elevato grado di accuratezza.
Il peso di un corpo, espresso in newton, è invece misurato tramite il dinamometro (attenzione! massa e peso sono due grandezze ben distinte: infatti, mentre la massa è la resistenza opposta da un corpo a variare il suo stato di moto o di quiete, e cioè è caratterizzata da una maggiore o minore inerzia, il peso è invece una forza, misurata con il dinamometro.
L’ energia è l’attitudine che ha un sistema a compiere un lavoro, ed è distinta in energia cinetica (es. cascata d’ acqua, massa di gas in movimento), ed energia potenziale (un macigno sull’ orlo di un burrone).
Vengono poi definite le grandezze fondamentali del S.I. (il secondo, il metro, il volume, e alcune grandezze derivate, come la densità (=m/v), ed il peso specifico.
Viene poi definito il calore (e cioè l’ energia termica), e la Temperatura, espressa nelle varie scale termometriche (Celsius, assoluta, e Fahrenheit), e che rappresenta il livello a cui è disponibile il calore (o energia termica), per cui il calore può passare naturalmente solo da corpi a temperatura maggiore a corpi a temperatura minore. Infine, viene definita l’accuratezza di una misura (e cioè il maggiore o minore discostamento di una misura dal suo valore vero, che non potrà mai essere misurato con assoluta precisione!), e la precisione di una misura, e cioè il suo maggiore o minore grado di ripetitività.
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BREVE QUESTIONARIO.
