1 - la chimica, la materia, le misure

Introduzione al corso di chimica generale ed inorganica

Lo scopo delle scienze chimiche è di interpretare e razionalizzare la costituzione, il comportamento e le proprietà della materia.

Principi, leggi e postulati della chimica sono basati su tre pilastri, costituiti da 3 modelli:

il modello atomico

della materia

il modello elettronico

dell'atomo

il modello

del legame chimico

il modello atomico della materia il modello elettronico dell'atomo il modello del legame chimico

Fig.1.1 I tre modelli che costituiscono le basi della chimica attuale

 

I "modelli" non sono necessariamente eguali alla realtà, ma cercano di rappresentarla secondo una logica razionale che, partendo dai dati sperimentali, attraverso conoscenze matematiche e fisiche, arriva alla definizione del modello.

Un modello è tanto più adeguato alla realtà quanto più giustifica "tutti" i dati sperimentali, ma può cambiare se subentrano dati nuovi che siano in contrasto con esso; in tal caso non è certo la realtà che cambia, ma solo il "modello" di realtà che la comunità scientifica, o parte di essa, ha accettato.

La consapevolezza di ciò è fondamentale perché permette di capire che i modelli che usiamo sono solo finzioni (benché rigorosamente scientifiche), che vengono considerate valide solo fino a che non siano in contrasto con nuovi dati che i ricercatori ricavano dallo studio della realtà; di esempi di cambiamenti, o quantomeno di messa in crisi, di modelli accettati abbonda tutta la storia delle scienze (da quello del flogisto, distrutto da Lavoisier, a quello attuale della fusione nucleare, messo in crisi dalla cosiddetta "fusione fredda").

 

Oggetto di studio della chimica è la materia, che si presenta, all'indagine scientifica "come se" fosse costituita di atomi.

Il modello accettato attualmente vede la materia costituita da miscugli omogenei ed eterogenei di individui chimici; questi possono essere sostanze elementari o composti; ambedue le categorie sono costituite di atomi.

I miscugli, che costituiscono la materia, si presentano in tre stati di aggregazione, solido, liquido, gassoso; in effetti ne esisterebbe un quarto, lo stato di plasma (stato gassoso ad altissima temperatura costituito di ioni ed elettroni) che però, date le elevate energie in gioco, non è generalmente di interesse per il chimico; egli infatti opera a livelli di energia più moderati, benché possa farne uso in casi particolari.

Una miscela omogenea è un sistema monofasico.

Fase è una parte di un sistema, di composizione chimica determinata, con proprietà fisiche uniformi, separata da altre parti del sistema da superfici limite fisicamente definite.

Una miscela eterogenea è invece un sistema costituito da più fasi fisicamente distinte tra loro da superfici limite (chiamate anche "interfaccia" tra le fasi).

Una sostanza pura è un sistema omogeneo o eterogeneo a composizione definita e costante anche se sottoposto a moderate sollecitazioni esterne; come esempio, l'acqua può presentarsi come sistema omogeneo (solo fase gassosa o solo liquida o solo solida) oppure come sistema eterogeneo (fase liquida e fase solida).

Essa può essere una sostanza elementare se è costituita di unità formate solo da atomi della stessa specie o un composto se le unità sono formate da atomi di due o più specie diverse.

La materia è costituita da circa 90 specie atomiche, ma sistemi diversi presentano abbondanza relativa diversa di elementi; per esempio, mentre nell'universo si stima che l'abbondanza di H sia il 71%, di He il 27%, degli elementi da C a Ne 1,2%, di quelli da Na a Ti 0,2% circa, il sistema Terra presenta percentuali di abbondanza relativa molto diverse: O 46; Si 26; Al 7,5; Fe 4,7; Ca 3,4; Na 2,6; K 2,4; Mg 1,9; Cl 1,9; H 0,9; Ti 0,6.

 

Le sostanze sono caratterizzate da:

composizione: per le sostanze elementari è data dal tipo di atomo; per i composti dai tipi di atomi e dal loro rapporto numerico

struttura: cioè dal modo in cui gli atomi sono legati tra loro

stato di aggregazione, cioè dalla consistenza fisica; esso può essere:

- solido: ad una data temperatura, atomi e molecole sono legati da forze sufficienti perché il moto termico, sempre presente, salvo che allo zero assoluto, non modifichi le mutue posizioni permanentemente; perciò la forma ed il volume sono praticamente definiti;

- liquido: i legami interatomici e intermolecolari sono allentati, permettendo così una certa mobilità di atomi e molecole, ma non l'allontanamento definitivo; il volume resta perciò praticamente definito, mentre non lo è più la forma;

- gassoso: le particelle, avendo una energia termica molto superiore all'energia di interazione interatomica e intermolecolare, tendono ad allontanarsi l'una dall'altra e praticamente non si influenzano tra loro; si ha perciò la massima espansione nello spazio disponibile.

Le sostanze possono cambiare di stato di aggregazione senza subire modificazioni nella loro composizione chimica; usando le lettere iniziali dei tre stati, S, L, G, i processi legati ai passaggi da uno stato all'altro sono chiamati:

processo

passaggio

fusione

S ® L

sublimazione

S ® G

solidificazione

L ® S

evaporazione

L ® G

condensazione

G ® L

 

Caratteristiche come composizione, struttura, stato di aggregazione, sono dette proprietà intensive, che dipendono dalla natura delle sostanze ma non dalla loro quantità; altre proprietà intensive sono per esempio la densità, la conducibilità termica o elettrica, il calore specifico, ecc.

Dalle proprietà intensive è possibile individuare la sostanza, dato che esse sono caratteristiche della sostanza in questione.

Le proprietà estensive dipendono invece dalla quantità di sostanza (come massa e volume) e da esse non si può individuare una sostanza.

 

Per caratterizzare un sistema si effettuano esperienze e misure, sfruttando le proprietà delle sostanze; esperienze e misure possono essere di tipo fisico, generalmente non distruttive (si può ripetere l'operazione più volte sulla stessa quantità di materia) oppure di tipo chimico, generalmente distruttive (di solito comportano modificazioni e distruzione del "campione").

 

Effettuando una misura si assegna un valore numerico moltiplicato per una unità di misura.

Nel Sistema Internazionale S.I. vengono usate 7 unità base; tutte le altre possono derivare da queste:

quantità fisica

unità S.I.

simbolo

lunghezza

metro

m

massa

chilogrammo

kg

tempo

secondo

s

corrente elettrica

ampere

A

temperatura termodinamica

kelvin

K

intensità luminosa

candela

cd

quantità di sostanza

mole

mol

Fig.1.2 Unità di misura base del Sistema Internazionale

Vengono comunemente usate anche unità derivate dalle unità base:

quantità fisica unità S.I. simbolo definizione S.I.
energia

joule

J

m2 kg s-2

forza

newton

N

m kg s-2

pressione

pascal

Pa

m-1 kg s-2

potenza

watt

W

m2 kg s-3

carica elettrica

coulomb

C

sA

differenza di potenziale

volt

V

m2 kg s-3 A-1

resistenza elettrica

ohm

W

m2 kg s-3 A-2

frequenza

hertz

Hz

s-1

Fig.1.3 Unità di misura derivate dalle unità base del Sistema Internazionale

 

Spesso occorre usare multipli o sottomultipli delle unità, con ordini di grandezza molto diversi; piuttosto di usare esponenziali in base dieci, si preferisce aggiungere alle unità dei prefissi che rappresentano un ordine di grandezza specifico.

ordine di grandezza

prefisso

simbolo

1O12

tera

T

1O9

giga

G

1O6

mega

M

1O3

chilo

k

1O2

etto

h

1O1

deca

da

1O-1

deci

d

1O-2

centi

c

1O-3

milli

m

1O-6

micro

m

1O-9

nano

n

1O-12

pico

p

1O-15

femto

f

1O-18

atto

a

Fig.1.4 Multipli e sottomultipli che si utilizzano per le unità di misura, prefissi relativi e simboli.

 

Per tradizione si usano correntemente anche altre unità di misura, benché le indicazioni degli organismi internazionali siano quelle di sostituirle con quelle base o derivate, ma le abitudini sono dure a morire (basti pensare al sistema di misura inglese!).

quantità fisica

nome

simbolo

definizione

lunghezza

ångstrom

Å

10-10 m = 10-1nm

lunghezza

micron

mm

10-6 m

volume

litro

l

10-3 m3 = dm3

massa

tonnellata

t

103 kg = Mg

forza

dine

dyn

10-5 N

pressione

bar

bar

105 Pa

pressione

atmosfera

atm

101325 Pa

pressione

torr

Torr

101325/760 Pa

pressione

mm Hg convenzionale

mm Hg

101325/760 Pa

tempo

minuto

min

60 s

tempo

ora

h

60 min = 3600 s

energia

caloria termochimica

calth

4,184 J

energia

erg

erg

10-7 J

energia

elettronvolt

eV

1,60219 x 10-19 J

temperatura

grado Celsius

°C

K

Fig.1.5 Unità di misura di uso tradizionale che non fanno parte del Sistema Internazionale.

 

***E' molto importante, data la varietà delle unità di misura, far seguire sempre, al valore numerico, l'unità usata o, meglio, le sue "dimensioni", cioè la sua definizione in termini di unità S.I.; inoltre, quando si effettuano operazioni matematiche su misure, occorre applicare le stesse operazioni anche sulle unità o sulle loro dimensioni: ciò permette, fra l'altro, di accorgersi di eventuali errori di impostazione, dato che si otterrebbero, in caso di errore, dimensioni errate per l'unità di misura.


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