Chimica

Indice

1. Chimica
2. Altre nozioni di chimica

Chimica

La chimica è la scienza che svolge la funzione di comprensione dei fenomeni naturali, si occupa della materia e delle trasformazioni che essa subisce. Possiamo trovarne molti esempi nell’interazione con: l’agricoltura, i farmaci, l’ambiente e la vita quotidiana. La chimica è una scienza centrale poiché interagisce con le altre discipline scientifiche: biologia, medicina, fisica, geologia, ecologia.

Essa chimica si basa sul metodo scientifico, un processo creativo, intuitivo e sperimentale: il ricercatore identifica il problema eseguendo una documentazione, progetta ed esegue i test necessari, propone un modello teorico, esegue ulteriori test e a seconda che il modello sia confermato o no progetta nuovi e sperimenti o cambia tesi. Di rilevante importanza per la misurazione delle grandezze è il Sistema Internazionale (SI) di misura, l’insieme delle sette grandezze di base da cui derivano le ulteriori grandezze derivate. Per indicare quantità più o meno grandi della misura di base vengono usati ad esempio dei prefissi come unità di misura.
La materia è tutto ciò che possiede una massa ed occupa un volume. Essa può avere tre diversi stati di aggregazione: stato solido, stato liquido e stato gassoso. In tutti e tre gli stati la materia è costituita da particelle piccolissime in continuo movimento(modello particellare della materia). I solidi sono costituiti da particelle che si attraggono in conseguenza di forze di coesione; mantengono posizioni fisse ed hanno forma e volume definiti. I liquidi possiedono particelle con minor forza di coesione e più libertà di movimento; hanno un volume proprio ed assumono la forma del recipiente che li contiene. Gli aeriformi possiedo particelle con forze di coesione debolissime ed hanno la massima libertà di movimento; non hanno né un volume, né una forma propria. La bilancia è lo strumento che misura la massa di un corpo, l’unità di misura della massa è il grammo. La terra è schiacciata ai poli quindi è minore la distanza dei poli rispetto all’equatore, ma poiché la forza di attrazione gravitazionale ( prodotto delle masse/ distanza al quadrato) è inversamente proporzionale al quadrato delle distanze, perché è maggiore la forza di attrazione gravitazionale quanto minore è la distanza, al polo è minore la distanza e maggiore è l’attrazione gravitazionale e viceversa l’equatore. Il corpo pesa di più al polo rispetto all’equatore.
In chimica una sostanza è pura se costituita da un solo tipo di materia e si riconosce per le sue proprietà fisiche e chimiche. Ogni sostanza però contiene delle piccole percentuali di impurità, non rilevanti se non ne modificano le proprietà. Le proprietà di una sostanza pura si dividono in fisiche e chimiche; le proprietà fisiche sono quelle che possono essere osservate e misurate senza cambiare la composizione della sostanza, sono: il calore, il sapore, lo stato fisico della sostanza, la densità, la temperatura di fusione e la temperatura di ebollizione; le proprietà chimiche descrivono invece ciò che accade quando una sostanza interagisce con altre sostanze.

Altre nozioni di chimica

La massa di un corpo è la misura della quantità di materia di cui è costituito, essa è data dalla somma delle masse delle particelle che lo compongono. Le misure più usate sono il kg, il g e il mg. Il peso è diverso dalla massa, il peso di un corpo, infatti, oltre a dipendere dalla sua massa, dipende anche dall’accelerazione di gravità a cui è sottoposto. Il volume di in corpo è la misura dello spazio che esso occupa, le unità di misura più usate sono il L e il mL. La densità (simbolo d) viene definita come la massa per unità di volume ( d = m/V). Essa è generalmente espressa in grammi al centimetro cubo o al millilitro, ma nel SI la densità è data in kilogrammi al metro cubo. Ogni sostanza pura presenta un valore di densità che ne permette la sua identificazione. La densità è una grandezza caratteristica delle sostanze pure, mentre la massa ed il volume non lo sono. Le proprietà della materia sono divise in: grandezze estensive e grandezze intensive; le grandezze estensive dipendono dalla quantità della sostanza e ne fanno parte massa e volume; le grandezze intensive non dipendono dalla quantità della sostanza e sono utilizzate per identificare una sostanza, ne fa parte la densità. È importante distinguere temperatura e calore. Assegniamo a due campioni una proprietà detta temperatura percependo con il tatto se un campione è più caldo e l’altro è più freddo. Per eseguire però misure oggettive di temperatura occorre fare riferimento a proprietà fisiche dei corpi che dipendono dalla temperatura come la dilatazione termica o la variazione di resistenza elettrica di un filo di metallo con la temperatura. La temperatura è una proprietà intensiva in quanto non dipende dalla massa dell’oggetto preso in esame. L’unità di misura usata per essa è il grado centigrado o grado Celsius, ma in campo scientifico viene anche adoperata come unità di misura la scala assoluta o scala Kelvin. Il calore è una forma di energia che si trasferisce da un corpo all’altro, il trasferimento di calore avviene sempre secondo una direzione precisa: dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore. Un’altra proprietà della materia è l’energia. Essa è definita come la capacità che ha la materia di compiere un lavoro, cioè di spostare una forza. Tale proprietà fisica si presenta sotto diverse forme: potenziale, cinetica, chimica, elettrica, termica, luminosa (luce). Uno dei principi della fisica è appunto quello della conservazione dell’energia: “l’energia non può essere né creata, né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra”. Ad esempio l’energia chimica della benzina in combustione si trasforma in energia cinetica durante il movimento del veicolo, in energia elettrica nel caricamento della batteria e in energia termica durante la dispersione nell’ambiente. L’unità di energia nel SI è il joule (j). Un’altra unità che viene usata dai chimici è la caloria (cal).

In natura esistono diversi fenomeni che comportano delle trasformazioni di sostanza. Tali trasformazioni possono essere fisiche (per esempio ghiaccio) o chimiche (pastiglie effervescenti). Una trasformazione è fisica quando la stessa sostanza è presente prima e dopo la trasformazione; una trasformazione è chimica ( reazione chimica) quando durante essa si sviluppano nuove sostanze. Molte sostanze possono essere convertite in due o più sostanze più semplici mediante decomposizione. Si definisce elemento una sostanza che non può essere decomposta in due o più nuove sostanze (carbone, idrogeno, ossigeno). Si definisce composto una sostanza che può essere decomposta in due o più nuove sostanze (acqua, zucchero). I composti presenti in natura sono moltissimi, gli elementi invece sono 109 e solo 90 di questi si trovano in natura. Gli elementi vengono rappresentati con simboli chimici che sono abbreviazioni del loro nome mediante una o due lettere. Gli elementi vengono classificati come: metalli, non metalli e semimetalli. I metalli rappresentano la maggior parte degli elementi, sono tutti solidi (tranne il mercurio), buoni conduttori di elettricità e di calore, duttili e malleabili (es: ferro, rame alluminio e titanio). I non metalli non sono conduttori di elettricità e di calore, non sono né duttili, né malleabili; possono essere solidi (zolfo), liquidi (bromo) o aeriformi (ossigeno). I semimetalli o metalloidi sono alcuni elementi ( come il silicio) aventi alcuni aspetti dei metalli ed altri dei non metalli. John Dalton ha formulato nel 1803 la teoria atomica che spiegava molte proprietà della materia. Essa è costituita da particelle piccolissime indivisibili dette atomi; un elemento è costituito da atomi di un solo tipo; un composto è costituito da almeno due atomi di diverso tipo; gli atomi sono gli agenti più piccoli in una reazione chimica e si separano per formare altre sostanze; gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di un altro elemento; le trasformazioni chimiche avvengono tra numeri interi e atomi. Un atomo è la più piccola particella di un elemento che possiede le proprietà chimiche di quell’elemento; ogni atomo di un elemento possiede come proprietà caratteristiche la massa, la forma e le dimensioni. In un composto troviamo le molecole, la molecola è la più piccola parte di un composto che possiede le proprietà chimiche di quel composto, ovvero le capacità della sostanza di dare determinate reazioni. Per rappresentare il raggruppamento degli atomi in una molecola si utilizzano diversi modelli molecolari. Nel modello a “sfere e bastoncini” ogni sfera rappresenta un atomo e i bastoncini mostrano come gli atomi sono legati tra loro. Il modello a “forma compatta” rappresenta gli atomi come sfere adattate le une alle altre. Ogni sfera ha un colore per ciascun tipo di atomo ed inoltre i modelli molecolari rispettano le proporzioni degli atomi. La composizione di un elemento o di un composto è rappresentata dalla sua formula chimica. La maggior parte degli elementi chimici è formata da un solo atomo. Altri elementi sono formati da due atomi uguali: molecole diatomiche in cui il numero scritto in basso accanto al simbolo dell’elemento è detto indice ed indica il numero di atomi legati alla molecola. I composti invece sono costituiti da molecole formate da almeno due atomi di diversi tipo. l’acqua è costituita da molecole triatomiche, ciascuna formata da un atomo di ossigeno legato a due atomi d’idrogeno. Secondo la legge della conservazione della massa del chimico francese Antoine Lavoisier, in una reazione chimica la massa si conserva, cioè la massa dei prodotti risulta uguale alla massa dei reagenti, perché si ha conservazione del numero di atomi. Joseph Proust affermò, nel 1799, che un dato composto chimico contiene sempre gli stessi elementi combinati nelle stesse proporzioni. Secondo la legge della composizione costante o legge di Proust differenti campioni di un composto puro contengono gli stessi elementi negli stessi rapporti in massa, in quanto secondo la teoria atomica gli atomi degli elementi in un composto sono combinati in un rapporto numerico fisso; quindi ciascun elemento in un composto è presente secondo una massa costante. John Dalton ha elaborato la legge delle proporzioni multiple che afferma che: quando due elementi formano due composti differenti, con una massa fissa di un elemento si trovano combinate masse dell’altro elemento che possono essere espresse da un rapporto di numeri interi e piccoli.
Vi è differenza fra composti e miscele. Un composto è una sostanza costituita da almeno due atomi di tipo diverso chimicamente combinati in definiti rapporti. Una miscela è un insieme di due o più sostanze in cui ciascuna sostanza mantiene la sua identità. In natura la materia è costituita da miscele di sostanze. Una miscela è detta eterogenea quando le sostanze che la compongono sono distinguibili visivamente oppure con l’aiuto di un microscopio. Una miscela è detta omogenea quando le sostanze che la compongono non sono distinguibili neanche con un microscopio. Tali miscele sono chiamate anche soluzioni. In una miscela omogenea si presentano soluto e solvente e le proprietà della miscela sono le stesse in qualunque parte del campione. Vi sono diverse tecniche di base per la separazione dei componenti di una miscela. La filtrazione è un processo che separa i componenti di una miscela eterogenea sfruttando le differenti dimensioni delle particelle. La filtrazione avviene separando il liquido dal solido tramite un cono di carta, o attraverso l’aspirazione detta anche sotto vuoto. La centrifugazione è un processo che separa i componenti di una miscela eterogenea sfruttando la loro differente densità. Ciò avviene attraverso la centrifugazione di una provetta su di un paniere che tramite la forza gravitazionale porterà verso il basso della provetta l’elemento con maggior densità. La tecnica della distillazione sfrutta la differente facilità che hanno i componenti di una miscela omogenea di passare allo stato di vapore, infatti, ogni sostanza è più volatile di un’altra. Se i componenti della miscela presentano piccole differenze di volatilità si esegue una distillazione frazionata utilizzando una colonna di frazionamento in modo che solo un componente riesca a superare il recipiente.

La cristallizzazione sfrutta la proprietà della solubilità di una sostanza solida in un dato solvente che di norma risulta maggiore a caldo che non a freddo. La solubilità di una sostanza è la quantità massima che si scioglie in una quantità fissa di solvente ad una data temperatura. L’estrazione con solvente è una tecnica molto familiare che si basa sulla divisione dei componenti attraverso un trattamento con due solventi diversi che presentano differente solubilità. La cromatografia è una tecnica che permette di separare le sostanze costituenti una miscela omogenea sfruttando la diversa velocità con cui le particelle vengono spostate sulla superficie di un solido da un solvente in movimento; la cromatografia può essere in colonna o su carta e quindi ascendente.
La materia si presenta in tre stati: solido, liquido e gassoso. Il calore e la pressione modificano lo stato fisico di una sostanza. La fusione, ovvero il passaggio di una sostanza dallo stato solido a quello liquido, avviene fornendo calore ad una sostanza solida ed aumentando la sua temperatura. La temperatura di fusione di una sostanza è quella temperatura in cui nella sostanza coesistono lo stato solido e quello liquido. Durante la fusione la temperatura rimane costante, nonostante si continui a fornire calore. Il calore fornito, infatti, non provoca un aumento della temperatura della sostanza, per cui è detto “calore latente di fusione”.

Il processo di solidificazione invece si sviluppa inversamente, la sostanza liquida subisce un abbassamento di temperature fino a diventare solida. Anche in questo caso la temperatura rimane costante perché le particelle del liquido per solidificarsi emettono calore. Per ogni sostanza pura la temperatura di solidificazione coincide con quella di fusione. Quando un liquido viene scaldato passa allo stato di vapore, se tale passaggio coinvolge solo le particelle in superficie si definisce evaporazione, se coinvolge anche le particelle che sono all’interno della massa si chiama ebollizione. La temperatura di ebollizione rimane costante fino a che vi è presenza di liquido. Quando i vapori di un liquido incontrano una parete fredda condensano. Il passaggio di una sostanza dallo stato di vapore a quello liquido è detto condensazione. Durante la condensazione la temperatura rimane costante perché, pur continuando a raffreddare, il vapore per passare allo stato liquido libera calore. Nel caso dei gas il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido è detto liquefazione. La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido a quello di vapore. La formazione del vapore da un solido prende il nome di sublimazione. Il passaggio dallo stato di vapore a quello solido è detto sbrinamento.

per approfondimenti, vedi anche:
Chimica - Definizione
Chimica - Di cosa si occupa
La chimica
Base della chimica
Chimica - Introduzione generale