La chimica, La misurazione delle grandezze fisiche, La materia e i suoi stati fisici, La composizione della materia, Le trasformazioni chimiche e le s

La chimica.

La chimica studia la materia, la sua struttura e la sua composizione. La materia è tutto quello che ci circonda, si presenta in stato solido, liquido, gassoso o aeriforme. Un corpo è l'insieme di materia. Un sistema è un aggregato di corpi. La Sostanza è un tipo di materia che si distingue dalle altre per proprietà specifiche. Un evento ha un valore scientifico se si ha un' interpretazione oggettiva. Fenomeno è un evento che può avvenire spontaneamente o essere provocato e che quindi può essere oggetto di studio. I fenomeni possono essere riproducibili o irriproducibili, prevedibili e imprevedibili. Lo scienziato per studiare un fenomeno si avvale del metodo scientifico. 1) si identifica l'oggetto, si osserva, si fanno riflessioni; si cerca una certa regolarità del fenomeno e si mette a confronto con le conoscenze precedentemente acquisite da altri scienziati; successivamente si prova ad enunciare una legge sperimentale; se questa verrà verificata da sperimenti, la legge diventerà teoria. Le trasformazioni fisiche sono trasformazioni che non danno vita a nuove sostanze, mentre quelle chimiche danno vita a nuove sostanze. L'energia è l'attitudine a compiere un lavoro (f per S). Si misura in Joule. Energia cinetica è quella posseduta da un corpo in movimento. Energia potenziale è quella posseduta da un corpo in un campo di forze. L'energia si trasforma in un'altra energia, ma ne si crea ne si distrugge.

La misurazione delle grandezze fisiche.

Tutto ciò che è chimica può essere misurabile. Misurare significa confrontare la grandezza di cui vogliamo conoscere il valore con una unità di misura scelta, è trovare quante volte tale unita di misura è contenuta nella grandezza da misurare. Unita di misura è la grandezza a cui corrisponde il valore 1. Aver dato una misura ad una grandezza fisica significa aver creato una definizione operativa. Le grandezze fondamentali sono indipendenti da altre grandezze e si esprimono con un'unica unita di misura nel S.I. Le grandezze derivate sono correlate a più grandezze fondamentali e sono espresse da relazioni matematiche tra più grandezze fondamentali. Misure dirette si effettuano mediante un confronto diretto tra una grandezza assunta come campione e quella da misurare. Mentre la misura indiretta si ottiene attraverso una relazione matematica tra le grandezze misurate direttamente e la grandezza da determinare. La Lunghezza è una grandezza fisica che misura la distanza geometrica tra due punti. La sua unità di misure nel S.I. è il metro, esso corrisponde alla velocità percorsa nel vuoto dalla luce in un tempo di 1/300milioni di secondi. Quando le grandezze sono troppo grandi o troppo piccole si usano i multipli o i sottomultipli, come ad esempio l'Angstrom che è la deci-milionesima parte del millimetro. La superficie è l'estensione di un oggetto è si misura in m² . Il volume è invece lo spazio occupato da un corpo e si misura in m³ . Il volume e la superficie sono due grandezze derivate dalla lunghezza. La massa, grandezza fondamentale, è una proprietà intrinseca della materia (non cambia) e la massa di un corpo è la resistenza che questo oppone a essere spostato dal suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Si misura in chilogrammi. Il peso è la forza con cui un corpo è attirato verso il centro della terra (P= m ^. g) si misura in Newton. La densità è una grandezza derivata ed è data dal rapporto tra massa e volume e si misura in kg/m³ . Il peso specifico è dato dal rapporto tra peso e volume. Grandezza estensiva (massa) dipende dalla quantità di materia, intensiva, non dipende dalla materia ma dalla sua natura e dalle condizione nelle quali si trova. La temperatura, una grandezza intensiva è la misura di quanto un corpo è caldo o freddo, è una misura indiretta e si misura col termometro, L'unita di misura è la scala centigrada kelvin il cui punto di fusione dell'acqua corrisponde a 273,16 K, c'è anche la Celsius, il cui punto di fusione dell'acqua e 0 C° e i gradi Fahrenheit, il cui punto di fusione corrisponde a 32 F°, essa non è una scala centigrada perché si divide in 180 parti. Il calore, grandezza estensiva, è una forma di energia che può essere trasmessa da un corpo più caldo a uno più freddo. La sua unità di misura è la coloria (cal) ed è la quantità necessari per innalzare la temperatura di 1g d'acqua da 14,5 C° a 15,5 C° alla pressione di 1,01 per 10⁵ pascal. Portata è il valore massimo che uno strumento è in grado di misurare, La Sensibilità è la frazione più piccola della grandezza che uno strumento è in grado di apprezzare.

La materia e i suoi stati fisici

La materia può esistere in tre stati fisici: solido, liquido e aeriforme (gas e vapore). I solidi possiedono forma e volume proprio e sono incomprimibili; I liquidi, posseggono volume proprio, ma assumono la forma del recipiente che li contiene. I gas non hanno ne forma e ne volume e possono essere facilmente comprimibili e tendono ad occupare l'intero volume del recipiente che li contiene. Il plasma è il quarto stato fisico della materia, si trova a centinai di milioni di gradi. E' una materia gassosa che ha subito profonde modificazioni interne. I fisici studiano il plasma perché genera un'enorme quantità di energia, infatti esso è contenuto nel sole. La materia a certe temperature può cambiare il suo stato fisico attraverso appunto i passaggi di stato. La Fusione è il passaggio tra solido e liquido, La Solidificazione è l'inverso, L' Evaporazione è il passaggio da liquido a aeriforme, e La Condensazione è l'inverso. Alcune sostanze possono cambiare il loro stato fisico, ad esempio da solido a gassoso senza diventare liquido; questo avviene attraverso la Sublimazione (solido-gassoso) e il brinamento (gassoso-solido). Riportando in un grafico i valori della temperatura in funzione del tempo di riscaldamento, otterremo un diagramma chiamato curva di riscaldamento. Se lasciamo scongelare un certa quantità di ghiaccio, con la temperatura iniziale di -20 C°, a temperatura ambiente vedremo che il ghiaccio lentamente comincerà a fondersi fino ad arrivare a temperatura 0 C°, che è la temperatura di fusione tra cui coesistono solido e liquido. Da qui si avrà uno sosta termica (dipende dalla quantità di ghiaccio) che cesserà quando il ghiaccio si sarà trasformato in acqua. Da qui la temperatura potrebbe risalire fino ai 100 C° e quindi bollire se la pressione atmosferica e di 1 atmosfera, da qui avremo la seconda sosta termica (che dipende dalla quantità d' acqua che evapora), da i 100 C° in poi, avremo solo vapore. Il vapore sprigionato dal riscaldamento esercita una pressione chiamata tensione del vapore, quindi la temperatura di ebollizione, è la temperatura a cui la tensione del vapore eguaglia la pressione sovrastante, più la pressione sovrastante è minore maggiormente veloce sarà l'ebollizione. Ogni sostanza avrà cosi dei punti fissi sia per la solidificazione che per la fusione. Calore latente di fusione e evaporazione, è la costante della temperatura durante i passaggi di stato. Si può creare anche una curva di raffreddamento che sarà l'inverso di quella di riscaldamento, a 100 C° il vapore si trasformerà in acqua attraverso la condensazione, poi raggiunti gli 0 C° avremo la solidificazione del liquido in ghiaccio.

La composizione della materia

Se prendiamo in esame un bicchiere d'acqua, vedremo che questa sarà uguale in tutte le sue parti, avrà lo stesso sapore, colore e densità. L'acqua è infatti costituita da un'unica fase; la fase e una porzione di materia che presenta le medesime proprietà in tutte le sue parti. Le fasi costituiscono un Sistema, che potrà essere omogeneo se ha una sola fase e eterogeneo se ne ha due o più. Un sistema può essere puro quando e costituito da una sola sostanza, ma può essere sia omogeneo che eterogeneo. Infatti l'acqua distillata e la sostanza pura per eccellenza, ma presa ad esempio a 0 C° diventa una sostanza eterogenea perché ha due fasi. Una sostanza è pura se non vi sono presenti altre sostanze, sei i loro punti fissi sono costanti. I miscugli sono l' unione di due o più sostanze pure. Il miscuglio può essere omogeneo, quando è costituito da un'unica fase e i suoi componenti non sono distinguibili, mentre eterogeneo, quanto ha più fasi e i suoi componenti sono distinguibili.

I miscugli possono avvenire tra solidi e liquidi, ad esempio facendo disciogliere un solido, (lo zucchero) in un liquido (l'acqua) avremo una soluzione, il solido ai chiamerà soluto, e il liquido solvente. Se proviamo a mescolare invece la farina nell'acqua, vedremo che questa non si scioglierà, resterà in sospensione nell'acqua e dopo si andrà a posare sul fondo. Se un solido ha una rete che non consente al liquido di fluire liberamente con quindi una fase intermedia, avremo il gel, che non è altro che un semi-solido. I miscugli di liquidi. Se i liquidi sono miscibili, come acqua e alcool, avremo un soluzione con un' unica fase; se sono immiscibili, come olio e acqua, avremo due diverse fasi stratificate, se agitiamo però questi due liquidi avremo un 'emulsione, infatti i due liquidi si mescoleranno sotto forma di microscopiche goccioline. I miscugli tra gas e liquidi possono avvenire come l'acqua frizzante che contiene appunto l'acqua e l'anidride carbonica, o come la schiuma che rimane sospesa sottoforma di bollicine nelle bevande. I miscugli poi si possono separare attraverso delle tecniche: La filtrazione è la tecnica che si utilizza per separare i solidi dai miscugli liquidi e gassosi attraverso filtri di carta assorbente, che permettono il passaggio del filtrato (la parte liquida) e lasciano quella solida. La centrifugazione e la separazione dei solidi molto piccoli; il miscuglio contenuto in una provetta viene fatto girare con la centrifuga, il solido rimarrà sul fondo della provetta, mentre il liquido si allontanerà. La distillazione è il processo che consente di separare due liquidi sfruttando la loro diversa temperatura di ebollizione. Se la distillazione riguarda una soluzione solido-liquida, la separazione prenderà il nome di distillazione semplice. Quando si vuole separare un liquido da una miscela di liquidi, la separazione si chiamerà distillazione frazionari. Il processo ha inizio facendo bollire i diversi liquidi e raccogliere la loro condensazione in diversi contenitori; il primo liquido con il più basso punto di ebollizione sarà il primo a separarsi, dopo verranno gli altri. Se i liquidi hanno punti di ebollizione vicini si useranno le colonne di frazionamento. La Cromatografia permette la separazione di miscugli molto complessi, questa tecnica si divide in: cromatografia su colonna su carta e su strato sottile. Nella prima si utilizza una colonna di vetro munita di rubinetto e riempita da una fase stazionaria, nella parte superiore della colonna si mette il miscuglio e gradualmente si mettono solventi che provocano l'eluizione, cioè l'uscita dei vari elementi. La cromatografia su carta si usa un solvente che per capillarità trascina i componenti del miscuglio, questa operazione viene fatto su carta ma anche su uno strato sottile di vetro. Un elemento è una sostanza pura che non può più essere scomposta in altre sostanze più semplici. Un composto è una sostanza che può essere scomposta i due o più sostanze semplice. Ad esempio l'acqua è un composto composta da due elementi, idrogeno e ossigeno. Gli elementi noti sono 108 di cui 89 sono presenti in natura, mentre gli altri sono artificiali prodotti da reazioni nucleari. Il dome degli elementi deriva a volte dalle loro proprietà come, cloro da cloros, ho dal nome degli scienziati scopritori. Ogni elemento ha un simbolo. Gli elementi si possono classificare in metalli, non metalli e semi metalli. I metalli sono quegli elementi buoni conduttori di calore o di elettricità, sono più di 80 e sono solidi malleabili e duttili tranne che per il mercurio. I non metalli, sono quelli cattivi conduttori di calore e di elettricità e il loro stato fisico varia da quello aeriforme a quello solido. I semimetalli sono quelli che hanno caratteristiche intermedie tra i metalli e non, sono impiegati nella fabbricazione dei transistor.

Le trasformazioni chimiche e le sue leggi

La materia presenta fondamentalmente due diversi aspetti: Il primo riguarda le sue caratteristiche macroscopiche, che siamo in grado di distinguere e osservare, il secondo riguarda le sue caratteristiche microscopiche e quindi la sua composizione. E' opportuno indagare su tipi di trasformazioni più profonde che sono le trasformazioni chimiche. I reagenti sono le sostanze presenti all'inizio di una  trasformazioni chimica, i prodotti di reazione sono le sostanze ottenute alla fine della trasformazione. La trasformazione chimica è una trasformazione che fa variare profondamente la composizione della materia. In passato molti scienziati sono riusciti a misurare le masse dei reagenti e dei prodotti e individuare importanti aspetti delle trasformazioni chimiche. Nel 1783 il chimico Lavoisier, provò a misurare le masse dei reagenti e dei prodotti di una trasformazione chimica. Si accorse che se la trasformazione avveniva in recipienti chiusi la massa delle sostanze era uguale, se lo stesso veniva fatto in recipienti aperti la massa non risultava più la stessa perché l'anidride carbonica che si creava dopo la trasformazione si disperdeva nell'atmosfera. Arrivò all'enunciazione della legge della conservazione della massa, nulla si crea e nulla può essere distrutto, cioè la somma delle masse dei prodotti ottenuti è uguale alla somma delle masse dei reagenti. Nel 1799 Proust purificando la pirite, un minerale, si accorse che il composto manteneva costante il rapporto tra le quantità degli elementi quali zolfo e ferro. Provo a fare lo stesso con altri composti avendo sempre gli stessi risultati. Enunciò cosi la legge delle proporzioni definite che dice: gli elementi che costituiscono un composto puro sono sempre presenti secondo rapporti di peso definiti e costanti. La dimostrazione della legge di Proust: 3,2g di zolfo + 5,6g di ferro= 8,8g di solfuro ferroso; se raddoppiamo o l'uno o l'altro elemento avremo sempre lo stesso risultato perché il rapporto è costante. Se raddoppiamo entrambi gli elementi avremo il risultato differente. Pochi anni più tardi Dalton si accorse che due elementi possono reagire secondo rapporti diversi ma dando luogo a composti diversi. Infatti egli provò a sommare 1g di carbonio e 1,33g di ossigeno ottenendo così un gas velenoso, ossido di carbonio. Poi raddoppiò la quantità di ossigeno ottenendo così l'anidride carbonica. Arrivo all'enunciazione della legge delle proporzioni multiple che dice: la quantità di un elemento che si combina con la stessa quantità di un altro elemento per formare composti diversi stanno in rapporti semplici esprimibili con i numeri interi piccoli. L'atomo secondo Dalton è la più piccola quantità di un elemento che può essere presente nei composti soltanto come multiplo intero. Riferendosi all'ossido di carbonio, egli ipotizzò che questo fosse formato da 1 atomo di carbonio e 1 di ossigeno, mentre l'anidride carbonica da 1 atomo di carbonio e da 2 di ossigeno; per questo si possono definire atomi di un elemento, le sue piccole particelle che da sole o riunite in molecole danno luogo all'elemento stesso. Si definiscono molecole le più piccole particelle di atomi, uguali se sono molecole di elementi, diverse se sono molecole di composti.