Chimica - Nozioni basilari

La chimica è la scienza che studia la composizione, la struttura e la trasformazione della materia.
Il pilastro fondante della chimica è la teoria atomica secondo la quale tutto ciò che ci circonda è un aggregato di atomi e ioni: le diverse combinazioni tra questi danno vita a solidi ionici o strutture molecolari differenti. Una caratteristica fondamentale degli atomi è che non hanno età: essi passano da una sostanza all'altra, da un corpo ad un altro, etc..
Per poter studiare la materia è necessario conoscere le leggi del nostro mondo basandoci sulle grandezze teorizzate, che possono essere misurate mediante opportuni strumenti e che servono per poter descrivere la materia.

Tutte le grandezze che si possono materialmente misurare sono dette grandezze fisiche. Fra tutte queste grandezze fisiche ve ne sono state individuate sette (tempo, mole, massa, lunghezza, intensità di corrente, intensità luminosa e temperatura) dette fondamentali, poiché da tutte queste ve ne possono essere trovate di altre in base a diverse combinazioni tra le grandezze fondamentali, come la velocità: esse sono dette grandezze derivate. Il sistema metrico fondato sulle sette grandezze è detto Sistema Internazionale (SI); a ciascuna grandezza fisica è assegnato un simbolo e una propria unità di misura, anch'essa semplificata in un simbolo. Transitivamente, per trovare le unità di misura delle grandezze derivate basta combinare le unità di misura delle fondamentali che tra loro divise o moltiplicate individuano una grandezza derivata.
Oltre a questo, tutte le unità di misura del SI hanno multipli e sottomultipli in cui possono essere convertite. Per di più, ci sono certe misure che non appartengono al SI e che comunque sono utilizzate enormemente in chimica per descrivere le grandezze fisiche (minuti, ore, litri, grammi su millilitri, joule, calorie etc.. ).
Tutte le grandezze fisiche sono distinte in altri due grandi gruppi: intensive sono dette quelle che non dipendono dalla quantità della materia, ma dal tipo di materia e dalla temperatura di misurazione, estensive sono dette quelle che dipendono dalla quantità di materia, ma non dalle circostanze o dalle temperature.

Lunghezza
L'unità di misura appartenente al SI è il metro che è definito come lo spazio percorso dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 secondi. L'antico metro campione in platino-iridio è conservato a Sevrès, vicino a Parigi. Il metro è l'unità di misura utile per descrivere elementi della nostra vita quotidiana, ma è troppo grande per descrivere atomi, molecole e lunghezze d'onda della luce. In questi casi è utilizzato più il sottomultiplo nanometro o più raramente l'angstrom.

Tempo
Fino al 1956 il secondo veniva definito con riferimento al giorno solare medio, più precisamente come la 1/86 400 parte di un giorno solare medio (24 h/giorno – 60 min/h – 60 s/min – 86 400 s/giorno). Tale campione risultava però impreciso, a causa delle lievi variazioni del moto di rotazione della Terra. Si è fatto allora ricorso agli orologi atomici: oggi il secondo, difatti, è definito come l'intervallo di tempo necessario alla radiazione emessa dal cesio-133 per compiere 9 192 631 770 vibrazioni. La precisione dell'orologio al cesio è mostruosamente mostruosa.

Volume
Il volume è una grandezza derivata da una lunghezza elevata al cubo e la sua unità di misura del SI è il metro cubo. Poiché è un'unità molto grande per i volumi usati normalmente nei laboratori chimici, si fa ricorso ai suoi sottomultipli o al litro (1 l = 1 dm^3).

Massa e peso
La massa è una proprietà fondamentale della materia. Ancora oggi il termine massa viene assimilato a quantità di materia. Ma in realtà la massa altri non è che la misura di inerzia di un corpo, ovvero la resistenza che il corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o moto. L'unità di misura prescelta è il kilogrammo (kg). La massa campione è un cilindro di platino - iridio conservato in Francia. La massa si misura per mezzo di una bilancia a due piatti e due bracci uguali o per mezzo di una bilancia digitale. La forza con cui la terra attira una certa massa verso il suo centro è detta accelerazione gravitazionale. Sulla terra il peso p è la relazione tra la massa e l'accelerazione con cui viene attratta verso il centro della terra (F = g * m). Poiché il peso è una forza la sua unità di misura è il Newton nel SI. Relativamente tra loro, la massa è una caratteristica intrinseca di tutti i corpi, il peso di un corpo varia da luogo a luogo in cui ci si trova (poiché varia l'accelerazione gravitazionale).

Pressione
Il termine pressione è spesso associato a quello di gas, e, in particolare, a pressione atmosferica. La pressione è data dal rapporto tra la forza agente e la superficie su cui la forza agisce.
La pressione è una grandezza intensiva poiché non dipende dalla quantità di materia contenuta nel campione. La pressione è data dai Pascal (Pa) nel SI, pari a 1 N/m^2.
Il primo a misurare una pressione fu Evangelista Torricelli, il quale per la misurazione utilizzò un barometro a mercurio. Vi sono tante unità di misura per la pressione e le più importanti sono : Pascal, Atmosfera, Millimetri su mercurio, barr.

Densità
La densità è differente da corpo a corpo. Essa è una grandezza intensiva e altri non è che il rapporto tra massa e volume.
Nel SI la sua unità di misura è il kg/m^3 ma molto frequentemente in chimica la troviamo espressa in g/cm^3 o in g/l (per i gas), che non sono unità di misura fondamentali del SI.
La densità varia solo all'oscillazione della pressione o della temperatura sotto cui la grandezza di densità di un corpo viene misurata (densità assoluta). La densità assoluta diminuisce all'aumentare della temperatura, e aumenta (nei gas) all'aumentare della pressione.
La densità relativa esprime invece il rapporto tra massa e volume di un corpo misurati a 20°C, e la massa di un egual volume di acqua distillata, misurata a 4°C (esso è un numero puro).
Inoltre va ricordato che densità e peso specifico sono due grandezze differenti: il peso specifico è una grandezza intensiva la cui unità di misura è il N/m^2, ed esprime il rapporto tra peso del corpo e il suo volume (corrisponde al prodotto di densità per accelerazione gravitazionale).

Energia, lavoro e calore
L'energia è la capacità di un corpo di eseguire lavoro o di trasferire calore. L'energia è intrinseca di tutti i corpi è ci si presenta con diverse forme: solare, elettrica, chimica e termica. Tali forme sono interconvertibili l'una con l'altra e possono essere utilizzate per compiere lavoro. Misurare energia significa infatti rilevare il lavoro ipotetico che quell'energia potrebbe compiere. Il lavoro poi non è altri che l'energia che serve per spostare un corpo applicando una forza, difatti: L = F*s
Energia e lavoro nel SI hanno la stessa unità di misura ossia il joule (dal fisico ononimo), che corrisponde al kg*m^2/s^2 (massa per acc.gravitazionale per spostamento). Più comunemente al joule in chimica troviamo la caloria, la quale viene definita come energia necessaria a scaldare di un grado centigrado (da 14,5°C a 15,5°C) un grammo di acqua. La caloria vale 4,186 joule.
Tutte le forme di energia possono essere ricondotte a due categorie fondamentali: energia cinetica e energia potenziale.
Qualsiasi oggetto in movimento è ricco di energia ed è capace di produrre lavoro. Con il termine energia cinetica indichiamo l'energia associata al movimento dei corpi. Tale energia dipende dalla massa m del corpo e dalla velocità v con cui esso si sposta. La relazione che lega queste grandezze, che è valida se la velocità del corpo è molto più piccola di quella della luce è: Ec = ½ m • v^2.
L'energia “muscolare“ necessaria per sollevare da terra una valigia non va dispersa ma resta immagazzinata nella valigia stessa grazie alla forza di gravità con la quale è in grado di compiere lavoro come attrazione verso il basso. Questa energia è detta energia potenziale gravitazionale.
Ep = m •g •h
Tuttavia la gravitazionale non è l'unico tipo di energia potenziale esistente: l'energia potenziale è l'energia posseduta da un corpo in virtù della sua posizione o della sua composizione. Ogni volta che si trasforma l'energia cambia aspetto ma non si crea o si dissipa nel nulla : la sua quantità prima e dopo la trasformazione resta uguale.

Temperatura e calore
Temperatura e calore sono due grandezze fisiche tra loro differenti. La temperatura di un corpo indica il suo stato termico, ma non ci da alcuna informazione sulla quantità di calore che ha consentito di raggiungere quel determinato stato.
La temperatura di un corpo è una grandezza intensiva che ci fornisce indicazioni relative all'energia cinetica media delle particelle che costituiscono il corpo. Lo strumento che adoperiamo per misurare una temperatura è il termometro, che si basa sul principio di dilatazione all'aumentare della temperatura intrinseco di solidi, liquidi e gas (mercurio e alcool). I termometri sono tarati con diverse scale termiche, le più celebri sono la Celsius, la Fahrenheit e la Kelvin. La più utilizzata comunemente è la Celsius, ma nel SI la temperatura è misurata con la scala Kelvin. La scala Celsius , proposta nel 1742 da Anders Celsius, sfrutta due punti fissi: la temperatura dell'acqua distillata mentre bolle e mentre fonde a pressione a livello del mare. La temperatura di ebollizione è fissata a 100°C mentre quella di fusione a 0°C. Per tarare un termometro lo si immerge in una soluzione acqua-ghiaccio e si segna con lo 0°C il livello raggiunto dal mercurio, poi si ripete l'operazione immergendo il termometro nell'acqua in ebollizione.
La distanza tra i due segni viene divisa in 100 parti uguali, ciascuna delle quali vale un grado centigrado. La scala Kelvin proposta da Lord Kelvin più di un secolo dopo, mantiene gli stessi punti fissi della scala centigrada ma ne varia i valori: ebollizione 373,15 fusione 273,15. Un suo grado si chiama kelvin e si indica con K. Le due scale appaiate risultano spostate l'una rispetto all'altra di 273,15 gradi, valore che è detto zero assoluto, e la scala kelvin scala assoluta delle temperature.
Per convertire in celsius i kelvin esiste la relazione:
T(K) = t(°C) + 273,15
Il calore è l'energia in transito che si trasferisce da un corpo a una temperatura più elevata, cioè più caldo, a uno più freddo. Il trasferimento cessa quando i due corpi hanno raggiunto la stessa temperatura definita in temperatura di equilibrio termico. Il calore è un trasferimento di energia tra due corpi che si trovano inizialmente a temperature diverse.
La quantità di energia che un corpo caldo trasferisce a uno più freddo non dipende soltanto dalla differenza tra le due temperature ma anche dalla massa del corpo più caldo : il calore quindi è una grandezza estensiva. La sua unità di misura è la stessa dell'energia, ovvero il joule.
L'effetto provocato dal calore su un corpo dipende dalla natura dello stesso : ne consegue che al variare della natura del corpo è diversa la quantità di calore necessaria per far aumentare di un K la temperatura di un kg di massa. Tale quantità di calore è detta calore specifico.
Il calore specifico è la quantità di energia assorbita ( o ceduta ) da 1 kg di materiale che provoca un aumento (o diminuzione) di temperatura di 1 K. L'unità di misura del calore specifico è il J/kg•K
Per misurare l'energia che provoca una reazione calorica si usa la formula: Q = m • c • ( t2 – t1).