Chimica misure e grandezze

 

 


Chimica misure e grandezze

 

LA CHIMICA
La Chimica studia la struttura, la composizione le proprietà della materia, le sue trasformazioni e le leggi che le governano.
La Chimica si divide in:
chimica generale: studia la struttura dell’atomo e del legame chimico;
chimica inorganica: studia sistematicamente tutti gli elementi chimici;
chimica organica: è la chimica dei derivati del carbonio;
chimica analitica: studia i metodi per individuare i singoli componenti di una miscela o di un composto e per determinarne le relative quantità;
chimica-fisica: studia da un punto di vista fisico alcuni aspetti della chimica generale quali la atomistica, termochimica, radioattività….

 

LA MATERIA
La materia: tutto ciò che ha massa e dimensioni ed è soggetto alla forza di gravità.


MISURE E GRANDEZZE

Siccome alla base dello studio della Chimica e della Fisica c’è l’esperimento, è importante sapere come condurre l’esperimento e come presentare i risultati nella maniera corretta. Effettuare e riportare correttamente le misure è una delle applicazioni più interessanti e utili della matematica. Le attività di misurazione richiedono la padronanza di un certo numero di concetti di geometria piana e solida e delle principali operazioni numeriche, come vedremo nei paragrafi finali di questa unità didattica.
Avrai sicuramente misurato con la bilancia il tuo peso oppure la tua altezza col metro, quindi sai come effettuare una misura di una proprietà di un corpo. Le basi concettuali della misura, che ti consentiranno di usare i sistemi di misura, gli strumenti e le tecniche, le conquisterai attraverso la diretta esperienza, comparando gli oggetti, contando le unità e facendo i collegamenti giusti fra i concetti spaziali e il numero.
Un altro principio base della scienza è il presupposto che ogni esperimento che tu fai possa essere verificato da altri ricercatori, prima di essere accettato dalla comunità scientifica internazionale. Per convalidare gli esperimenti tuoi o di altri ricercatori è necessario che si raggiunga un accordo sulle unità di misura delle grandezze, come  imparerai leggendo i paragrafi seguenti.

 

1. Il metodo sperimentale

Durante lo studio di questa disciplina sperimentale esaminerai parti limitate di materia. La parte più piccola di un materiale, sottoposta a indagine sperimentale, si denomina corpo, sistema oppure oggetto. Le tre parole sono intercambiabili e potrai usare liberamente ora l’una ora l’altra, a seconda del contesto sperimentale.
I corpi e gli oggetti che puoi vedere e toccare sono chiamati macroscopici. Ma esistono altri oggetti e corpi, infinitamente più piccoli, che denomini microscopici. Gli esperimenti hanno dimostrato che tutti gli oggetti macroscopici che ti circondano, compresi i pianeti e le stelle, sono fatti di oggetti microscopici che chiami atomi e molecole. Perché gli atomi si mettono insieme per formare le molecole ? Perché le molecole si aggregano per formare i corpi macroscopici ?  Secondo Aristotele (300 avanti Cristo) ‘’Essi (gli atomi) si muovono nel vuoto e, urtandosi a vicenda, si respingono; alcuni rinculano in tutte le possibili direzioni, altri si agganciano l’un l’altro in vari modi,……… e restano attaccati; così si giunge alla creazione di cose complesse ‘’.

Il grande sviluppo delle scienze sperimentali deriva, essenzialmente, dalla capacità di effettuare misure sempre più accurate e di interpretare i fatti accertati sperimentalmente. Misurare significa conoscere, sostengono gli scienziati. L’affermazione, tuttavia, ha senso soltanto se si stabiliscono regole precise, cioè si stabiliscono le unità di misura e le relative metodologie per raccogliere e analizzare i dati sperimentali.

 

OSSERVAZIONE
L’osservazione serve a inquadrare il fenomeno che si vuole studiare e a raccogliere informazioni al suo riguardo.

 

MISURAZIONE

La misurazione con l’uso di strumenti rende le osservazioni più precise e utili alle ricerche. Non basta dire, per esempio, "l’acqua è calda", ma occorre stabilire "quanto è calda" usando il termometro per misurarne la temperatura in quel determinato momento.

REGISTRAZIONE DEI DATI

I dati raccolti durante la ricerca vengono ordinati in tabelle ed eventualmente rappresentati utilizzando i grafici più opportuni.
Tabelle e grafici sono importanti perché permettono un più agevole confronto con altri dati ottenuti in precedenza dallo stesso ricercatore o da altri.

 

FORMULAZIONE DI UN’IPOTESI

Sulla base delle osservazioni e dei dati raccolti è possibile farsi un’idea del fenomeno studiato e cercare di darne una spiegazione, cioè formulare un’ipotesi.

 

VERIFICA SPERIMENTALE
(realizzazione di un esperimento)
L’esperimento costituisce la parte più importante del metodo sperimentale. Per verificare la fondatezza dell’ipotesi occorre progettarne uno.
Se il risultato non conferma l’ipotesi, è necessario formulare un’ipotesi diversa dalla precedente e progettare un altro esperimento che possa convalidarla.

 

FORMULAZIONE DI UNA TEORIA

Sulla base dei risultati dell’esperimento, si giunge a formulare una teoria. La teoria rimane valida fino a quando non viene messa in discussione dai risultati di altri esperimenti.

 

   2. Il Sistema Internazionale di misura

I numeri che userai in fisica e in chimica derivano spesso da un esperimento di misura. Per questo motivo utilizzerai le quantità dimensionate cioè i numeri che moltiplicano un’unità di misura:

35 m                   rappresenta una lunghezza
35 kg                  rappresenta una massa
35 m3                  rappresenta un volume
35                       è un numero puro

Lo stesso numero, moltiplicato per unità diverse di misura, ha un significato differente. Allorquando misuri una grandezza determini il rapporto della grandezza esaminata rispetto a una specificata unità di misura. Per esempio, nel misurare la lunghezza di un tavolo trovi il numero di metri che, messi accanto l’uno all’altro, coprono la distanza fra le due estremità del tavolo. In effetti, confronti l’unità di misura con l’oggetto da misurare e calcoli quante volte l’unità di misura è contenuta nell’oggetto sottoposto a misura. L’unità di misura scelta ti consente pure di confrontare i risultati di misure fatte da altri allievi con i tuoi dati sperimentali. Ma che cos’è una grandezza fisica ?

 

Si chiamano grandezze fisiche le grandezze che si possono misurare.

I fisici e i chimici hanno stabilito un Sistema Internazionale (SI) di misure che è costituito da 7 grandezze fondamentali indipendenti: la lunghezza, la massa, il tempo, la intensità di corrente elettrica, la temperatura, l’intensità luminosa, la quantità di sostanza. Tutte le altre grandezze usate in fisica e chimica, con poche eccezioni, possono essere ricavate da queste 7 grandezze mediante relazioni matematiche opportune. In breve, quali sono le principali grandezze e le relative unità di misura ?

La comunità scientifica internzionale ha identificato sette grandezze indipendenti, le grandezze fondamentali, dalle quali si possono essere ricavate tutte  le altre cioè le grandezze derivate.

 

GRANDEZZA FISICA

SIMBOLO GRANDEZZA

NOME UNITA’ DI MISURA

SIMBOLO

LUNGHEZZA

l

Metro

M

MASSA

m

Kilogrammo

Kg

TEMPO

t

Secondo

S

CORRENTE ELETTRICA

I

Ampere

A

TEMPERATURA

T

Kelvin

K

QUANTITA’ DI SOSTANZA

n

Mole

Mol

INTENSITA’ LUMINOSA

iv

candela

cd

 

LUNGHEZZA
L'unità di misura della lunghezza è il metro, m, il cui campione, una barra in lega di platino-iridio, è conservato a Sèvres, vicino Parigi. Il campione del metro, oggi riconosciuto in campo internazionale, è ottenuto misurando lo spazio percorso dalla luce in una frazione di secondo (1/299.792.458 secondi).

 

IL VOLUME
Il volume è una grandezza derivata da una lunghezza (elevata al cubo) e si esprime in m3
1 litro = 1L = 1 dm3
1mL = 1 cm3

 

LA MASSA E IL PESO

 

MASSA

PESO

DEFINIZIONE

È la quantità di materia di un corpo

È la forza di gravità che esercita su ogni oggetto vicino a un corpo celeste

METODO DI MISURA

Bilancia

Dinamometro

UNITA’ DI MMISURA

Kg

Newton

CARATTERISTICHE

Rimane la stessa in tutti i luoghi

Cambia da luogo a luogo a seconda del valore di accelerazione di gravità

RELAZIONE

Il peso è in ogni luogo proporzionale alla massa e al valore locale dell’accelerazione di gravità
P = mg

 

La massa è la grandezza che misuri con la bilancia e, quindi, la confronterai con l’unità di misura il chilogrammo. L’unità di misura il chilogrammo  è un campione di platino-iridio conservato sempre a Sèvres. Le bilance in circolazione e i ‘’pesi ‘’, che accompagnano le bilance, sono stati costruiti per confronto con il campione di Sèvres.
I fisici dicono che la massa misura la resistenza del corpo a essere posto in moto o fermato, se in moto. Tale grandezza, che ti informa della quantità di materia di un corpo, non dipende dalla presenza della gravità e dal luogo ove si effettua la misura; non ha, cioè, nessuna relazione diretta col peso, che è una forza e lo misuri in newton N.

 

TEMPO
Per il Sistema Internazionale, l’unità di misura del tempo è il secondo, il cui simbolo è s. Sino al 1956 il secondo veniva definito con riferimento al giorno solare medio, il fenomeno periodico che si ripete quotidianamente. Sapendo che un giorno solare medio è formato da 24 ore e ciascuna ora da 3600 secondi (60 min × 60 s), un giorno è formato da 86400 secondi. Pertanto, il secondo rappresenta la 1/86400 parte di un giorno solare medio.
Tale intervallo di tempo subisce però delle minime variazioni sul lungo periodo. Gli atomi forniscono oscillazioni naturali più esattamente riproducibili, su cui si basano gli "orologi atomici". Tra questi, l'atomo di Cesio - 133, è usato per definire il secondo. Ci vogliono  9.192.631.770 cicli di vibrazione della radiazione emessa da tale atomo per coprire un secondo esatto.

GRANDEZZE DERIVATE
Dalla combinazione algebrica, principalmente mediante moltiplicazioni e divisioni, delle sette unità fondamentali riuscirai ad avere le unità di misura delle grandezze derivate della tabella 1.2. Per esempio, la grandezza fisica velocità la ottieni dalla divisione fra due grandezze fondamentali, la lunghezza e il tempo: velocità = lunghezza/tempo = l/t. L’unità di misura corrispondente della velocità è data dal rapporto fra l’unità di misura della lunghezza ossia il metro, m, e l’unità di misura del tempo cioè il secondo, s; quindi l’unità di misura della velocità è v = m/s.

 

 ALCUNE GRANDEZZE DERIVATE CON LE RISPETTIVE UNITÀ DI MISURA

Grandezza fisica

Simbolo

Dimensioni

Unità di misura

 Simbolo

Area

A

l 2

m2          

-

Volume

V

l 3

m3; dm3  o litro

-

Densità

d

m/V

g/cm3

 -     

Frequenza

f

1/t

hertz = 1/s

Hz

Velocità

v

l/t

m/s

-

Accelerazione

a

l/t2

m/s2

-

Forza

F

m × l/t2

newton = kg × m/s2

N

 

4.  Multipli e sottomultipli dell’unità di misura
Spesso in fisica e chimica userai multipli e sottomultipli dell’unità di misura.  A ogni multiplo o sottomultiplo corrispondono un prefisso, che deve precedere, senza spazi, il nome dell’unità di misura, e il simbolo, da anteporre alle lettere dell’unità di misura tabella 1.3.
Per esempio, se scrivi 10 km vuoi dire che la lunghezza corrisponde a 10 ´ 1000 m ossia è uguale a 10.000 m. A quanti metri corrispondono dieci millimetri, 10 mm ? Sai che il sottomultiplo del metro, il millimetro, è uguale a 0,001 m perciò il risultato finale è
10 ´ 0,001 m = 0,01 m. Riprenderai questo argomento sulla modalità di calcolo di multipli e sottomultipli dopo aver compreso l’uso della notazione esponenziale.

 
Principali prefissi delle unità di misure

 

Multiplo

Prefisso

Simbolo

Nome comune

1018

exa

E

quintilione

1015

peta

P

quadrilione

1012

tera

T

trilione

109

giga

G

miliardo

106

mega

M

milione

103

kilo

k

mille

102

etto

h

cento

101

deca

da

dieci

10-1

deci

d

decimo

10-2

centi

c

centesimo

10-3

milli

m

millesimo

10-6

micro

m(greca mu)

milionesimo

10-9

nano

n

miliardesimo

10-12

pico

p

trilionesimo

10-15

femto

f

quadrilionesimo

10-18

atto

a

quintilionesimo

 

     5. Misure dirette e indirette

Le misure che farai ti serviranno per raggiungere uno o più obiettivi: ottenere informazioni su un fenomeno fisico, trovare il valore di una costante universale, controllare i processi in atto e così via. Studierai due tipi di misure: le misure dirette e le misure indirette.
Le misure dirette si effettuano con strumenti di misura convenientemente calibrati. Per esempio, le lunghezze le misuri col metro. Le masse le determini con la bilancia. Il volume di un liquido lo valuti quantitativamente con recipienti che sono stati opportunamente tarati e/o calibrati.
Ci sono poi le misure indirette. Per esempio, l’area di un rettangolo la calcoli moltiplicando fra loro le due lunghezze della base per l’altezza. Come puoi notare l’area, che viene espressa in m2, la ottieni da una relazione matematica ossia in maniera indiretta.

6  Notazione scientifica
I numeri molto grandi o molto piccoli si usano con difficoltà nei calcoli. Per questo motivo gli scienziati preferiscono scrivere tali numeri ricorrendo alla notazione scientifica o notazione esponenziale ossia si trasformano i numeri grandi e i numeri piccoli in un prodotto costituito da due parti: da un numero semplice (in genere a una, due o tre cifre dopo la virgola), chiamato mantissa, per il numero dieci elevato a una potenza negativa o positiva:

 

in cui M è la mantissa, cioè un numero maggiore o uguale a 1 e minore di 10 (1 £ M ³ 10).
Per esempio:
1000 = 1,000 ´ 103
1500 = 1,500 ´ 103
0,00018 = 1,8/10000 = 1,8/104 = 1,8 ´ 10-4

Le regole generali, per trasformare i numeri grandi e piccoli in esponenziali, devi impararle riscrivendo più volte i dati contenuti nella tabella seguente.

 

Tabella: Regole generali per i numeri esponenziali

 

 

Regola

Esempio

1

an = a ´ a ´ a ´ … (n volte)

105 = 10 ´ 10 ´ 10 ´ 10 ´ 10 = 100 000

2

a-n = 1/an

10-5 =1/105 = 0,00001

3

a0 = 1

100 = 1

4

an ´ am = an+m

103 ´ 105 = 103+5 = 108

5

an/am  = an-m

104/109 = 104-9 = 10-5

6

(an)m = an ´ m

(104)5 = 104 ´ 5 = 1020

7

(a ´ b)n = an ´ bn

(10 ´ 7)2 = 102 ´ 72 = 100 ´ 49 = 4900

8

a1/n = nÖa

(64)1/3 = 3Ö64 = 4

 

Per mutare il numero nella notazione esponenziale, sposta la virgola nell’appropriata direzione:

  • disponi la virgola a destra della prima cifra diversa da zero e compresa fra 1 e 10;
  • se la virgola la sposti da destra verso sinistra, moltiplicherai la cifra iniziale per 10 elevato a una potenza positiva, uguale al numero di cifre decimali superate durante il movimento;
  •  se la virgola la sposti da sinistra verso destra, moltiplicherai la cifra iniziale per 10 elevato a una potenza negativa, uguale al numero di cifre decimali superate durante il movimento.

Per quanto concerne la distanza dal Sole applica le prime due regole, spostando la virgola da destra verso sinistra:  150.000.000 = 1,5 ´ 108

Esempio
La massa di un atomo di idrogeno è 0,000 000 000 000 000 000 000 00166 g . Qual è la massa espressa con la notazione esponenziale ?

Per quanto concerne la massa di un atomo di idrogeno applica la regola 1 e la regola 3. e sposta la virgola da sinistra verso destra: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 00166 g = 1,66 ´ 10-27 kg

7.  Grandezze estensive e grandezze intensive
Tutte le grandezze possono essere suddivise in due categorie: le grandezze intensive e le grandezze estensive.
Sono estensive quelle grandezze il cui valore aumenta al crescere dell'estensione del campione misurato.
Per esempio, la massa, il volume e il tempo sono grandezze estensive che dipendono dalla estensione dei corpi.
Le grandezze intensive, che tu conosci, sono la temperatura e la densità. Infatti, la temperatura e la densità dell’acqua la puoi determinare sia su campioni piccolissimi, come una goccia, che su campioni più grandi, come una vasca piena d’acqua.
Si dicono intensive le grandezze che non dipendono dall'estensione o quantità del campione.
Le grandezze intensive di due distinti campioni le puoi sommare, come invece puoi fare per le proprietà estensive come la massa e il volume dei corpi esaminati. Per esempio, se hai due recipienti con 200 g d’acqua ciascuno a due diverse temperature (rispettivamente a 10 °C e 40 °C) e li mescoli, quali saranno la massa, il volume e la temperatura finali ? Il calcolo della massa e del volume (grandezze estensive) è semplice perché sarà uguale alla somma delle due masse e dei due volumi e cioè 400 g e 400 mL. Le due temperature, invece, non le puoi sommare e quindi la temperatura finale (grandezza intensiva) non sarà 50 °C ma  sempre una temperatura intermedia fra 10 °C e 40 °C. La temperatura del miscuglio, nel caso esaminato, sarà 25 °C.

 

GRANDEZZE ESTENSIVE E GRANDEZZE INTENSIVE

 

PROPRIETA’ INTENSIVE

PROPRIETA’ ESTENSIVE

DEFINIZIONE

Non dipendono dalla dimensione del campione

Dipendono dalla dimensione del campione

ESEMPI

Peso specifico
Densità
temperatura

Massa
Volume
lunghezza

 

    8  Una grandezza intensiva: la densità
La densità è una grandezza intensiva che userai per identificare una particolare sostanza o materiale, per esempio acqua, ferro, vetro. La densità è la massa di un volume unitario di una data sostanza. Se prendi 1 dm3 di piume, 1 dm3 d'acqua, 1 dm3 di ferro, noterai che le piume hanno una massa ridotta, mentre l'acqua ha la massa di 1 kg e il ferro di quasi otto chili. Nel linguaggio comune dici che ''le piume sono leggere '', ma è più corretto dire che le piume hanno densità bassa. Di conseguenza, il ferro non ''è più pesante '' ma più denso sia delle piume che dell'acqua. La confusione, circa il concetto di densità, deriva dalla mancanza di chiarezza fra proprietà estensive e intensive.
Il volume e la massa sono entrambe grandezze estensive. Se raddoppi la quantità di un campione di ferro raddoppia la massa e raddoppia il suo volume. Ma il rapporto, fra la massa dell'oggetto di ferro e il suo volume, rimane costante. A questa costante, proprietà specifica e caratteristica di  ciascun materiale, darai il nome di densità.
La densità è la massa dell'unità di volume di ogni sostanza o materiale.
Le sue unità di misura sono g/mL, g/cm3, kg/m3, g/L, ecc…

                                                                                                                                                                                                                        

La maggior parte dei liquidi hanno densità comprese fra 0,5 g/cm3 e 13,6 g/cm3, che rappresenta la densità del mercurio. I solidi hanno densità in genere più elevate e raggiungono sulla Terra il valore massimo di 22,48 g/cm3 con l'osmio, il metallo più denso della crosta terrestre. Siccome i gas sono molto meno densi dei liquidi, misurerai la loro densità in grammi per litro (g/L). La tabella seguente riporta le densità di alcuni materiali.

 

Densità di alcuni materiali a 20 °C e 1 atm
Materiale                                                     Densità in  g/cm3
Solidi
Osmio, Os                             22,48
Platino, Pt                             21,45
Piombo, Pb                           11,34
Rame, Cu                               8,92
Ferro, Fe                               7,86
Diamante, C                           3,52
Sodio, Na                               0,97
Liquidi                                        g/cm3
Mercurio, Hg                         13,6
Acqua                                      1,00
Olio di oliva                             0,92
Etanolo, C2H5OH                      0,79
Gas                                               g/L
Anidride carbonica,CO2             1,8
Ossigeno, O2                          1,3
Aria                                       1,19
Idrogeno, H2                           0,089

 

La densità indica quanto pesa l’unità di volume della materia ed essa è indipendente dalla sua massa e dal suo volume per cui essa non cambia variando la massa e il volume. Per cui la densità e una grandezza intensiva.

 

Fonte: http://www.liceocottini.it/documenti/FAD/chimica/1_misure%20e%20grandezze.doc

 

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