Riassunto esame Elementi di Chimica e Didattica della Chimica, Prof. Formica. Appunti e rielaborazione personale attraverso la frequenza a tutte le lezioni

Elementi di chimica e didattica della chimica

La chimica è secondo:

• Enciclopedia multimediale della UTET: Scienza che studia, osserva e indaga le sostanze, naturali o artificiali, sia dal punto di vista della loro composizione e struttura, sia da quello delle trasformazioni che portano alla loro formazione.
• Zingarelli: Parte della scienza che studia le proprietà, la composizione, l’identificazione, la preparazione, la capacità e il modo di reagire delle sostanze naturali e artificiali del regno inorganico e di quello organico.

La chimica non è amata dai giovani

Una statistica effettuata nel 2004 ha rivelato che fra le materie di insegnamento delle scuole superiori questa disciplina è la meno amata; nella migliore delle ipotesi viene considerata una materia difficile, astrusa e per nulla attraente, tutt’ora ancora è così.

→Perché la chimica non è amata? Le ragioni sono molteplici:

• Perché solitamente è associata a qualcosa di alchimista, a qualcosa di strano, che fa male e paura. Solitamente è questa la prima associazione.
• Chimica è una parolaccia? Si direbbe di sì, a giudicare dalle reazioni della opinione pubblica che associa i pesticidi chimici all’inquinamento delle acque, gli additivi chimici alla contaminazione dei cibi, le industrie chimiche agli incidenti. Non è quindi mai associata a qualcosa di positivo.

→ Prosciutto di Parma: sembra che la colpa sia proprio della chimica. Abolire la chimica? Non si può, il mondo è fatto di chimica.

Aspetti positivi

Il mondo che ci circonda è chimica, i paesaggi sono pieni di chimica.

• La chimica è nei processi naturali come la fotosintesi, la formazione della ruggine, la fermentazione dell’uva, la lievitazione del pane, la combustione.
• La Chimica è in noi: nel concepimento, nella crescita, nella morte, nella memoria, nel pensiero, nell'esperienza, nelle emozioni ecc.
• La Chimica è il nostro vivere quotidiano: Tutto ciò che i chimici hanno creato e continuamente creano per rendere la nostra vita più facile, migliore e piacevole. Prodotti per l’igiene personale e cosmetici; Air Bag; Farmaci; Cibo;
• Tessuti Microfibre: strutture macroscopiche con cavità e nicchie per la raccolta di particelle solide; Pigmenti; Materiali polimerici; Collanti e materiali adesivi; Materiali per immagazzinare e trasportare informazioni.

Tutto è Chimica, ma a vari gradi di complessità. Tutto ciò che succede intorno a noi e dentro di noi è Chimica. È necessario conoscere la Chimica, la scienza che spiega i “perché” e i “come” delle cose usando un suo linguaggio: Il linguaggio degli atomi e delle molecole. Si cercherà di comprendere quello che è il linguaggio della chimica in quanto essa usa le sue lettere, il suo alfabeto e il suo linguaggio.

Il sistema internazionale di unità di misura

La chimica utilizza le grandezze che appartengono al Sistema Internazionale di Unità di misura. Le grandezze che si possono misurare sono dette grandezze fisiche. Una grandezza fisica è una proprietà di un fenomeno, di un corpo o di una sostanza che può essere misurata. Secondo il sistema internazionale (SI) ci sono sette grandezze fondamentali: → per tutto il mondo queste grandezze sono usate in egual modo. Vengono considerate fondamentali perché sono l’una indipendente dall’altra. Dalle grandezze fondamentali si ricavano le grandezze derivate. Ogni grandezza fondamentale ha una sua unità di misura la cui combinazione fornisce le unità di misura delle grandezze derivate. Misurare una grandezza vuol dire fissare un’unità di misura e stabilire quante volte questa unità è contenuta nella grandezza data. Le grandezze derivate sono quindi grandezze fisiche dipendenti: ricavabili dalle grandezze fondamentali mediante semplici operazioni aritmetiche.

Grandezze estensive e grandezze intensive

È necessario riflettere se l’unità di misura che stiamo adottando è una grandezza di tipo intensivo o estensivo. Le grandezze estensive, come lunghezza, volume e massa, dipendono dalle dimensioni del campione. Le grandezze intensive, come densità, peso specifico, temperatura di ebollizione e temperatura di fusione, non dipendono dalle dimensioni del campione.

Il volume è una grandezza di tipo estensivo perché il volume varia a seconda di quanti litri ho. È chiaro che, ad esempio, la temperatura non è legata alla quantità di campione che si ha.

La massa e il peso sono due cose completamente diverse tra loro

• La massa è la misura della resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete e di moto.
• Sulla Terra il peso di un corpo (misurato in newton) è pari alla forza con cui la sua massa viene attratta dalla Terra. Si chiama forza-peso ed è una grandezza proporzionale alla massa (m) del corpo. La forza-peso si calcola con la seguente formula.
• M massa del corpo misurata in chilogrammi (kg).
• G è l’accelerazione di gravità, uguale per tutti i corpi in uno stesso luogo ma diversa da luogo a luogo.

Mentre la massa è una grandezza intrinseca di un corpo, il peso corrispondente dipende dal luogo in cui viene misurato. Ciò dipende dal fatto che il valore dell’accelerazione di gravità non è costante ma dipende dal luogo in cui ci si trova. Sulla Luna il peso di un corpo è circa sei volte inferiore che sulla Terra: la forza di gravità diminuisce a mano a mano che ci si allontana dal centro della Terra. Quindi, mentre la massa di un corpo è la stessa sia sulla Luna che sulla Terra, il valore del suo peso non è solo diverso sulla Luna e sulla Terra ma, sulla Terra, è diverso da località a località.

• Sulla terra una palla da bowling, che ha una massa pari a 4 kg, pesa 39 N (Newton).
• Sulla Luna il peso è di 6,4 N circa 1/6 di quello sulla terra.

Riassumento

• La massa è la quantità di materia contenuta in un oggetto. Mentre il peso è una forza, è la forza con cui questa massa viene attratta (è una grandezza vettoriale).
• La massa si misura in kg mentre il peso in Newton.
• La massa è una grandezza scalare mentre il peso è una grandezza vettoriale.
• La massa è una grandezza fondamentale mentre il peso è una grandezza derivata.
• La massa è una grandezza intrinseca di un corpo, mentre il peso di un corpo dipende dal luogo in cui viene misurato.
• Conoscendo la massa di un corpo il suo peso può essere calcolato con la formula P = m . g

La densità e il peso specifico

La densità (kg/m³) di un corpo è il rapporto fra la sua massa e il suo volume, cioè quanto pesa quel volume. Aumentando la massa (tenendo il volume costante) la densità aumenta; aumentando il volume (tenendo la massa costante) la densità diminuisce. La densità è una proprietà intensiva della materia poiché dipende dalla temperatura e dalla pressione. Per la maggior parte dei materiali, l’aumento di temperatura comporta un aumento del volume e quindi una diminuzione di densità, eccezion fatta per il ghiaccio e poche altre sostanze. La densità relativa esprime invece il rapporto tra la massa di un corpo e la massa di un ugual volume di acqua distillata misurata alla temperatura di 3,98 gradi.

Il peso specifico (N/m³) di un corpo è il rapporto fra il suo peso e il suo volume, ovvero corrisponde al prodotto della densità per l’accelerazione di gravità. È opportuno tener presente che mentre la densità è un rapporto tra una massa e un volume, il peso specifico è un rapporto tra un peso (quindi una forza) e un volume.

Valori di densità di alcune sostanze e di altri materiali

In generale la densità assoluta dei solidi è maggiore della densità dei liquidi che a sua volta è maggiore della densità dei gas, ma esiste un'importante eccezione, l'acqua: il ghiaccio (solido) galleggia sull'acqua (liquida) perché la sua densità è minore di quella dell'acqua.

La materia e le sue caratteristiche

Il mondo che ci circonda è costituito da materia. La chimica è lo studio delle proprietà più nascoste della materia. Un sistema è una porzione del mondo che ci circonda, quindi una proporzione delimitata di materia.

Gli stati fisici in cui la materia si può trovare sono denominati stati di aggregazione:

• Solido
• Liquido
• Aeriforme (Gas)

Le proprietà caratteristiche dei tre stati della materia dipendono dai cambiamenti di volume, pressione, forma e densità.

• Solidi: hanno volume e forma propria poiché le particelle sono trattenute da intense forze di coesione, sono pressoché incomprimibili (non posso comprimere un solido). Inoltre, gli atomi che compongono i solidi si trovano in posizioni ordinate nello spazio (sono fissi, non si muovono) ed è ciò che segna la differenza tra un solido e un liquido. Nei solidi le particelle non si muovono ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise.
• Liquidi: non hanno forma propria, ma hanno volume proprio. Le particelle non sono disposte in posizione ordinata e si muovono continuamente ed è ciò che permette al liquido di possedere un proprio volume pur assumendo la forma del recipiente che lo contiene. Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di movimento.
• Gas: non hanno né volume né forma propria. Sono comprimibili. Le particelle sono libere di muoversi in tutto lo spazio a disposizione. Le particelle dei gas hanno massima libertà di movimento con un moto totalmente disordinato.

Come è fatto un sistema?

I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei

Si definisce sistema un certo insieme, cioè una certa porzione, di materia con un preciso comportamento chimico, fisico o chimico-fisico. La fase di un sistema è esattamente lo stato di aggregazione delle molecole in cui si trova il componente del sistema stesso. Dunque si definisce fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi.

→La materia si distingue in omogenea ed eterogenea:

• Quando un sistema è costituito da una sola fase si dice che è omogeneo. Un sistema omogeneo può comprendere delle sostanze semplici o degli elementi.
• Quando un sistema è costituito da due o più fasi si dice che è eterogeneo.

→Esempio: Se prendi due sistemi, di cui il primo è l’acqua e il secondo è il sale, e provi a mescolarli insieme fino a sciogliere il sale nell’acqua, avrai un sistema con due componenti ma con le stesse caratteristiche in tutte le sue parti: si parlerà quindi di un sistema a una sola fase. Versando invece dell’olio in un bicchiere che contiene acqua, noterai che il sistema ottenuto non è uniforme come il sistema ottenuto dal mescolamento del sale nell’acqua, ma si potranno distinguere ancora i due sistemi di partenza (olio e acqua): si parlerà quindi di un sistema a due fasi.

Le sostanze pure e miscugli

Sostanze Pure: Un sistema formato da una singola sostanza si dice puro. Le sostanze pure hanno caratteristiche e composizione costanti.

→Esempio: L’acqua distillata è un sistema puro perché al suo interno ci sono solamente molecole di H₂O. Per identificarla è sufficiente la sua formula chimica: H₂O.

Miscugli: Un sistema formato da due o più sostanze pure è un miscuglio. I miscugli hanno composizione chimica variabile.

→Esempio: L’acqua potabile è una soluzione costituita da più componenti. I miscugli possono essere omogenei o eterogenei.

• I miscugli possono essere omogenei, quando non si possono separare con la centrifugazione perché gli elementi hanno una densità troppo simile. I componenti non sono quindi distinguibili all’osservazione diretta e si presenta in un’unica fase.

→Esempio: L’acqua che conosciamo, quella del rubinetto, è un miscuglio omogeneo, perché è formato da acqua più sali minerali, quali calcio, iodio, potassio. Una soluzione è un miscuglio di due o più sostanze fisicamente omogeneo. Il componente più abbondante della soluzione si chiama solvente, gli altri si chiamano soluti.

→Esempio: Se osservate un bicchiere di vino, o di caffè, le parti che compongono la miscela sono perfettamente omogenee, ciò viene detto miscuglio omogeneo e viene chiamato comunemente soluzione.

• Un miscuglio eterogeneo è formato da componenti chimicamente definiti e da due o più fasi fisicamente distinguibili. I miscugli eterogenei possono presentare aspetti anche molto diversi al variare dello stato di aggregazione delle fasi che li costituiscono. La schiuma (Es. panna), la nebbia, il fumo e l’emulsione (Es. Maionese) sono esempi di miscugli eterogenei in fasi diverse. I miscugli possono essere eterogenei, quando la densità degli elementi è diversa, e possono essere separati in qualunque modo.

Metodi per separare i miscugli: Centrifugazione; Distillazione; Filtrazione; Distillazione.

→Esempio: L’acqua può essere anche un composto eterogeneo, per esempio l’acqua di mare, perché sia con la distillazione che con la filtrazione il sale può essere separato dall’acqua.

→Esempio 2: Se ad esempio versate olio dentro un bicchiere d’acqua, vedi perfettamente che sia acqua che olio saranno distinti: questo è un tipico miscuglio eterogeneo costituito da due fasi, una fase è l’acqua e l’altra fase è l’olio.

I Colloidi

I colloidi costituiscono una classe di materiali che ha caratteristiche intermedie tra quelle dei miscugli omogenei e quelle dei miscugli eterogenei. Una dispersione colloidale si distingue da una soluzione per l’effetto Tyndall: un raggio luminoso viene deviato dalle grandi particelle della fase dispersa favorendo una luminosità diffusa.

• Se la fase disperdente, liquida o gassosa, prevale su quella solida si ha un sol.
• Se prevale la fase solida sulla fase disperdente, si ha un gel.

I passaggi di stato

I passaggi di stato implicano la trasformazione della materia da uno stato fisico all’altro per variazioni di temperatura e pressione. A parità di massa, nel passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme, il volume aumenta e la densità diminuisce. Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito, aumenta. Eccezione: Il ghiaccio è un’eccezione perché è meno denso dell’acqua.

• La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
• L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore.
• La condensazione è il passaggio dallo stato di vapore allo stato liquido.
• La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
• La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido allo stato di vapore.
• Il brinamento è il passaggio diretto dallo stato di vapore allo stato solido.

Quando una sostanza aeriforme è al di sopra della sua temperatura critica è definita gas, si è al di sotto è definita vapore.

Curva di riscaldimento

Ecco cosa accade alla temperatura, nel tempo, durante un processo partendo dal solido fino ad arrivare allo stato aeriforme. Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato. I tratti B-C e D-E della curva di riscaldamento si chiamano soste termiche. Si ha anche la curva di raffreddamento, va al senso contrario. La curva di riscaldamento di una sostanza pura è un grafico che mostra i valori della temperatura in funzione del tempo durante il processo di riscaldamento della sostanza.

→Esempio: Curva di riscaldamento dell’acqua distillata

Iniziando a riscaldare del ghiaccio alla temperatura iniziale di -18°C e rilevando la sua temperatura per mezzo di un termometro posto a contatto con la sostanza, la curva di riscaldamento mostra alcuni tratti caratteristici:

• Tratto A-B: la temperatura del ghiaccio aumenta sino ad arrivare alla temperatura di 0°C che è la temperatura di fusione del ghiaccio.
• Tratto B-C: pur continuando a somministrare calore, la temperatura della sostanza non aumenta e il calore fornito viene utilizzato per fondere il ghiaccio. Il tratto B-C corrisponde alla sosta termica e la sua ampiezza dipende dalla quantità di ghiaccio sottoposta a riscaldamento e dalla quantità di calore fornita nell'unità di tempo. La sosta termica si conclude (punto C) quando tutto il ghiaccio si è fuso. Il calore fornito in questo tratto di curva viene definito calore latente di fusione. Qui può essere osservato un fenomeno, si osserva la contemporanea coesistenza di ghiaccio e acqua, il ghiaccio si sta sciogliendo. In questa fase, in cui si ha la coesistenza di solido e liquido, la temperatura resta invariata. Solo quando tutto il ghiaccio si è completamente sciolto, continuando a scaldare, la temperatura aumenterà.
• Tratto C-D: continuando il riscaldamento, dal punto C in poi la curva riprende a salire fino a raggiungere la temperatura di 100°C.