Riassunto Merceologia

Merceologia

Produzione e uso delle merci

La produzione e l'uso delle merci si svolgono nel regno della natura, utilizzando materiali che si sono formati attraverso processi geochimici, biologici e biochimici durati miliardi di anni e che continuano a svolgersi intorno a noi sotto forma di grandi cicli naturali.

Biosfera e tecnosfera

Biosfera: quella parte del pianeta Terra in cui è presente la vita: sulle terre emerse, nei mari e nelle acque interne, nell'atmosfera e, in parte, nel sottosuolo.

Tecnosfera: l'insieme degli oggetti fabbricati dagli esseri umani, compresi i rifiuti, in seguito alla trasformazione delle risorse naturali e i prodotti di trasformazione di tali oggetti.

Le unità di misura

Le grandezze - lunghezza, superficie, volume, massa, calore, elettricità - devono essere espresse con numeri e unità di misura universali. Sistema Internazionale (S.I.) di unità di misura, basato su poche unità fondamentali e sui loro derivati. Le unità di misura fondamentali sono:

• Per la lunghezza: metro (m);
• Per la massa: grammo (g);
• Per il tempo: secondo (s);
• Per l'energia: joule, J (Energia = Forza per distanza, Forza = massa per accelerazione, accelerazione = velocità/sec., velocità = spazio/tempo);
• Per la potenza: watt (W).

Multipli e sottomultipli delle unità di misura

I multipli delle unità di misura sono:

• k (chilo) = 10³;
• M (mega) = 1.000.000 = 10⁶;
• G (giga) = 1.000.000.000 = 10⁹;
• T (tera) = 1.000.000.000.000 = 10¹²;
• P (peta) = 1.000.000.000.000.000 = 10¹⁵;
• E (esa) = 1.000.000.000.000.000.000 = 10¹⁸.

L'unità di massa uguale a 1.000.000 g, cioè a 1.000 kg viene chiamata tonnellata (t): 1 t = 1.000.000 g = 1.000 kg.

I sottomultipli si scrivono con la lettera minuscola e sono i seguenti (10 è elevato ad una potenza negativa):

• d (deci) = 0,1;
• c (centi) = 0,01;
• m (milli) = 0,001 = 10^-3;
• µ (micro) = 0,000.001 = 10^-6;
• n (nano) = 0,000.000.001 = 10^-9;
• p (pico) = 0,000.000.000.001 = 10^-12.

Unità di misura della superficie e del volume

Come unità di misura delle superficie si usa il metro quadrato, scritto m², il centimetro quadrato cm², il kilometro quadrato km², eccetera.

1 km² = (1.000 m x 1.000 m) = 1.000.000 m² = 10⁶ m²

1 m² = (100 cm x 100 cm) = 10.000 cm² = 10⁴ cm² eccetera.

Si usa soprattutto in agricoltura, l'unità di superficie ettaro (ha) = 10.000 m².

Come unità di misura del volume si usano il metro cubo m³ e i suoi multipli e sottomultipli, il centimetro cubo cm³, il decimetro cubo dm³, il chilometro cubo km³, eccetera.

Le equivalenze sono, come è ben noto:

1 km³ = (1.000 m x 1.000 m x 1.000 m) = 1.000.000.000 m³

1 m³ = (100 cm x 100 cm x 100 cm) = 1.000.000 cm³

1 dm³ = (10 cm x 10 cm x 10 cm) = 1.000 cm³

Il dm³ viene anche indicato con l'unità litro (L). Talvolta si usa l'unità hL, ettolitro, per indicare 100 litri.

Distinzione fra massa e peso

Il peso è la forza, proporzionale alla massa di un corpo, che lo attrae verso il centro della Terra. Il peso è quindi uguale al prodotto della massa m, in kg, per l'accelerazione di gravità, circa 9,8 metri al secondo per ogni secondo (9,8 m/s²). Si misura in Newton.

La massa è una proprietà intrinseca, assoluta, della materia; il peso è la grandezza che si misura con le bilance sulla superficie terrestre.

Molto importante, in tutti i corpi, è la conoscenza della massa per unità di volume, o massa volumica (densità) o peso specifico assoluto, espressa in unità di massa divisa per unità di volume: g/L, kg/m³.

Temperatura ed energia

La temperatura dei corpi si misura in gradi kelvin, scala che va dallo zero all'infinito.

Zero gradi kelvin è una temperatura bassissima, irraggiungibile (per il terzo principio della termodinamica), nella quale gli atomi e le molecole di qualsiasi corpo sono privi di movimento, una condizione che è impossibile osservare.

Nella pratica, si usa la scala dei gradi celsius nella quale lo zero è posto alla temperatura di fusione del ghiaccio e la gradazione 100 è posta alla temperatura di ebollizione dell'acqua.

La temperatura dello zero assoluto non può mai essere raggiunta. La temperatura, infatti, è una misura del movimento delle molecole e degli atomi. Fermarli completamente non è possibile, in quanto già procedere ad una misurazione comporta un loro movimento.

Nei paesi anglosassoni si usa ancora la scala delle temperature in gradi fahrenheit, mentre unità di misura dell'energia è il BTU (British Thermal Unit).

Unità di misura dell'energia

L'unità di misura dell'energia nel Sistema Internazionale, il joule, è definita come la quantità di calore necessaria per far aumentare la temperatura di 1 g di acqua distillata di 0,239 gradi kelvin.

Un'altra diffusa unità di misura dell'energia è la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria per far aumentare di un grado celsius (fra 14,5 e 15,5 °C) la temperatura di 1 g di acqua distillata. 1 J = 0,239 cal.

1 cal = 4,186 J

1 kJ = 1.000 J = 239 cal

1 MJ = 1.000.000 J = 239 kcal

Sempre nei paesi anglosassoni viene talvolta usata l'unità Therm uguale a 100.000 BTU, cioè a 105,5 MJ. In Francia viene talvolta usata l'unità termia, uguale a 1.000 kcal, cioè a 4,187 MJ.

Altra importante unità di misura dell'energia è il kilogrammetro, kgm, definito come l'energia necessaria per sollevare una massa di 1 kg all'altezza di 1 m o, viceversa, la quantità di energia che si ottiene quando una massa di 1 kg (per esempio 1 kg di acqua) supera un dislivello di un metro.

1 kgm = 9,8 J = 2,34 cal

La terza importante unità di misura dell'energia è il kilowattora (abbreviato kWh), uguale a 3.600.000 J.

1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ = 860 kcal

Potenza ed energia

La potenza è legata al tempo, ed è l’attitudine che ha una macchina a produrre energia. Per ottenere dell'energia occorre una fonte di energia (il calore liberato dalla combustione di un combustibile, la forza dell'acqua che supera un dislivello, eccetera) e una macchina che potrà essere una caldaia, una ruota che gira, e così via.

Ogni macchina ha una sua attitudine a produrre energia, attitudine che prende il nome di potenza della macchina. L'unità di misura della potenza è il watt, ossia J/sec (multipli di questa unità, come il kilowatt kW, il MW).

Se una macchina della potenza di un watt (una potenza piccolissima) funziona per un minuto secondo s (un tempo brevissimo) produce un joule di energia.

Se una macchina della potenza di 1 kilowatt funziona per un'ora (3.600 secondi) produce un kilowattora (kWh) di energia, una quantità di energia pari a 3.600 volte 1.000 J. Si spiega così l'equivalenza 1 W = J/sec.

1 kWh (con un riferimento al tempo, si intende una misura di energia) = 1.000 J/sec x 3.600 sec = 3,6 MJ.

Per altre macchine, per esempio per gli autoveicoli, ma anche per molti motori, si è usato finora, come unità di potenza il cavallo-vapore (o Horse Power, HP), equivalente a 0,735 kW. Una macchina della potenza di 1 HP che funziona per un'ora produce 2,65 MJ di energia.

1 HP = 0,735 kW

1 HP.ora = 2,65 MJ

Struttura della materia

È possibile caratterizzare ciascun atomo sulla base di un numero atomico definito uguale al numero dei protoni presenti nel nucleo, e quindi al numero degli elettroni esterni al nucleo.

Numero atomico = Numero protoni = Numero elettroni

Ciascun atomo viene caratterizzato anche sulla base del "peso atomico" (talvolta "numero di massa") approssimativamente uguale alla somma del numero dei protoni (e degli elettroni) e del numero dei neutroni presenti nel nucleo.

Peso atomico = Numero protoni + Numero neutroni

L'idrogeno ha nel suo nucleo un protone, in quanto dotato di carica positiva uno; questa carica positiva neutralizza la carica elettrica dell'unico elettrone.

Ma l'elemento idrogeno è costituito da tre atomi, tutti con numero atomico 1, cioè con un elettrone e un protone:

• L'idrogeno-1;
• L'idrogeno-2 o deuterio ha un numero di massa 2, cioè (circa) doppio di quello dell'idrogeno-1, perché ha nel nucleo, oltre al protone, anche un neutrone.
• L'idrogeno-3, o trizio, con numero di massa tre, ha un elettrone, e quindi ha nel nucleo un protone, e inoltre ha due neutroni.

I tre atomi dell'elemento idrogeno prendono il nome di isotopi (dal greco isos, uguale e topos, luogo). Essi occupano cioè lo stesso "posto" nella tavola di Mendeleev, e quindi hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma hanno massa diversa. Gli isotopi hanno comportamento chimico uguale in quanto tale comportamento dipende dal numero degli elettroni.

Gli ioni

Si chiamano ioni gli atomi, o i gruppi di atomi o le molecole, che hanno acquistato una o più cariche elettriche mediante perdita di uno o più elettroni o cattura di uno o più elettroni.

Le molecole

Ad eccezione di casi abbastanza rari, gli atomi non si trovano mai da soli ma si trovano uniti fra loro in unità più grandi dette molecole. Le forze che tengono insieme gli atomi sono di natura complicata, ma possono essere schematizzate dicendo che ogni atomo è dotato di una "valenza", definita come l'attitudine di un atomo a legare a sé uno o più altri atomi.

Dire che l'atomo di carbonio è tetravalente, cioè "possiede" quattro valenze, induce a pensare che un atomo di carbonio possa unire a sé quattro atomi di idrogeno, ciascuno monovalente, oppure due atomi di ossigeno, ciascuno bivalente. Effettivamente si conosce l'esistenza di una molecola CH₄ (il metano).

Così come ogni atomo è caratterizzato da un peso atomico, ogni molecola è caratterizzata da un peso molecolare definito come la somma delle masse atomiche relative degli atomi componenti.

Torna comodo confrontare i rapporti fra i pesi molecolari, usando l'unità grammomolecola, definita come la massa di materia, misurata in g, uguale al numero che ne esprime il peso molecolare. Così una grammomolecola di acqua corrisponde a 16 + 1 + 1 = 18 g; una grammomolecola di metano corrisponde a 12 + 4 = 16 g; una grammomolecola di anidride carbonica corrisponde a 12 + 16 + 16 = 44 g, eccetera.

I nomi delle molecole

Spesso si dividono le molecole in due grandi classi: inorganiche e organiche. Le seconde contengono tutte l'elemento carbonio C. Si chiamano acidi le molecole che contengono un atomo di idrogeno che può essere sostituito con un atomo di un elemento metallico; il composto risultante prende il nome di sale.

Si chiamano idrati i composti che possiedono un gruppo monovalente (ossidrile), come l'idrato di sodio NaOH, l'idrato di calcio.

L'azoto può combinarsi con l'ossigeno in vari rapporti. I principali ossidi di azoto sono:

• N₂O ossido di azoto, ossido nitroso, protossido di azoto;
• NO monossido di azoto, ossido nitrico.

Cenni di chimica delle sostanze organiche

Gli idrocarburi sono numerosissime molecole costituite da carbonio e idrogeno, di grande importanza tecnica e scientifica. Negli idrocarburi gli atomi di carbonio e di idrogeno possono essere legati fra loro, in moltissimi modi.

Il metano, CH₄, è il primo termine della serie degli idrocarburi alifatici. Il secondo termine è l'etano C₂H₆. La serie degli idrocarburi alifatici C_nH_2n+2 continua con centinaia di altri composti nei quali gli atomi di carbonio e di idrogeno possono essere disposti nelle più varie maniere.

Già con l'idrocarburo con quattro atomi di carbonio, il butano C₄H₁₀, ci troviamo di fronte a due possibili differenti combinazioni dei quattro atomi di carbonio e dei corrispondenti dieci atomi di idrogeno. Per il butano, infatti, possiamo avere una formula "lineare", con i quattro atomi di carbonio disposti a catena.

Il primo dei due butani si chiama "butano normale" e il secondo si chiama "isobutano". Con l'aumentare del numero degli atomi di carbonio e di idrogeno aumenta anche rapidamente il numero dei composti, detti isomeri, che hanno uguale numero di atomi, ma differente struttura e anche differenti proprietà fisiche, chimiche e merceologiche.

La serie degli idrocarburi alifatici comprende molecole in cui il numero degli atomi di carbonio arriva ad una sessantina con milioni di differenti isomeri, gran parte dei quali ancora sconosciuti. Ad esempio, l'idrocarburo C₂₅H₅₂ ha oltre 36 milioni di isomeri.

Gli idrocarburi con sei atomi di carbonio si trovano in natura, nel petrolio e in molti altri prodotti naturali, anche con gli atomi di carbonio disposti ad anello con struttura ciclica, secondo due principali gruppi.

Il primo è quello della serie che ha come primo termine il cicloesano, C₆H₁₂. Questi idrocarburi prendono il nome di naftenici C_nH_2n.

Nel secondo gruppo di molecole con atomi di carbonio disposti ad anello, ciascun atomo di carbonio impegna una valenza con uno degli atomi di carbonio adiacenti. Il capostipite della serie è il benzolo, C₆H₆. Anche in questo caso si conoscono molti derivati del benzolo: gli idrocarburi di questa serie prendono il nome di aromatici C_nH_n.

La ragioneria della natura

Il principio di conservazione della massa impone che tutti gli atomi che si trovano alla sinistra di una equazione si devono ritrovare alla destra, sia pure con diversa disposizione, e quindi che vi sia una rigorosa uguaglianza delle entrate e delle uscite.

La reazione fra idrogeno e ossigeno va quindi scritta:

H₂ + ½ O₂ → H₂O

La precedente reazione si legge: una grammomolecola di idrogeno, 2 g, reagisce con "mezza" grammomolecola di ossigeno, 1/2 x 16 x 2 = 16 g di ossigeno, con formazione di una molecola d'acqua, cioè di 18 g di acqua.

Per il principio di conservazione della massa la quantità di materia che si trova a sinistra della freccia deve avere lo stesso peso di quella che si trova a destra: in entrambi i casi 18 g.

Le reazioni chimiche sono accompagnate da liberazione o assorbimento di energia. La precedente reazione va perciò completata con l'indicazione dell'energia in gioco:

H₂ + ½ O₂ → H₂O + 0,240 MJ

Questo significa che la reazione fra idrogeno e ossigeno porta alla formazione di acqua con liberazione di 0,240 MJ di calore per ogni grammomolecola di idrogeno entrato in reazione.

Prendiamo adesso un'altra reazione, quella del metano CH₄ con ossigeno (è la reazione che avviene in cucina quando si accende "il gas" per scaldare l'acqua della minestra):

Combustione del metano:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + 0,805 MJ

L'equazione si legge come segue: una grammomolecola di metano (12 g + 4 g = 16 g) reagisce con due grammomolecole di ossigeno (2 x 32 g) trasformandosi in 12 g + 16 g + 16 g = 44 g di anidride carbonica CO₂ e 2 x 18 g = 36 g di acqua.

Da notare che nella seconda reazione pur essendo l’idrogeno presente in quantità maggiore (seppur contenuto nella molecola di metano) non vi è un aumento proporzionale di produzione di energia rispetto alla prima reazione. Questo testimonia come l’idrogeno sia il combustibile ideale quando considerato allo stato naturale.

Passaggi di stato

Qualsiasi sostanza si trova in natura in uno dei tre stati: solido, liquido, gassoso. Lo stato in cui si trova una sostanza dipende dalla temperatura e dalla pressione. Qualsiasi sostanza passa da uno stato all'altro assorbendo o cedendo calore. I principali cambiamenti di stato sono i seguenti:

• Fusione: passaggio dallo stato solido a quello liquido con assorbimento di calore;
• Evaporazione: passaggio dallo stato liquido a quello gassoso, con assorbimento di calore;
• Sublimazione: passaggio dallo stato solido direttamente a quello di vapore con assorbimento di calore;
• Condensazione: passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido con cessione di calore;
• Congelamento: passaggio dallo stato liquido a quello solido con cessione di calore.

Per ciascun corpo esiste una temperatura e una pressione alla quale coesistono i tre stati: solido, liquido e gassoso.

Alcune proprietà dei gas

Nel caso dei gas la massa volumica, cioè la massa di gas per unità di volume, dipende dalla temperatura, dalla pressione e dal numero di molecole esistenti. Per la legge di Avogadro, valida abbastanza bene per la maggior parte dei gas, a parità di temperatura e di pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di molecole.

Nelle condizioni "normali", cioè al livello del mare, a 0 gradi celsius e ad una pressione di 1,013 bar, una grammomolecola di qualsiasi gas occupa, all'incirca, il volume di 22,4 L.

Cenni sui caratteri della Terra

La biosfera è una parte della Terra, un pianeta del sistema solare, un corpo quasi sferico, le cui dimensioni sono le seguenti:

• Raggio circa 6.370 km;
• Superficie circa 510.000.000 km²;
• Volume circa 1.083.000.000.000 km³;
• Massa circa 6 x 10²⁴ kg;
• Massa volumica circa 5,52 g/cm³.