Paolo Pistarà Principi di chimica moderna © Atlas
Copertina
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Paolo Pistarà Principi di chimica moderna © Atlas
CAPITOLO
1. Che cos’è la chimica
2. La misura in chimica
3. La notazione scientifica (o esponenziale)
4. La massa
5. Il volume
6. Incertezza di una misura e cifre significative
7. La densità
8. La pressione
9. L’energia
10. La temperatura
11. Il calore
12. Precisione e accuratezza
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Indice
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La chimica è la scienza che studia le proprietà della materia e le sue trasformazioni.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 21
Per il suo ampio campo d’azione, la chimica interagisce con una varietà di discipline per cui è definita “scienza centrale”.
Che cos’è la chimica
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In chimica tutte le misure sperimentali consistono di un numero e di una unità di misura.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 32
Se la massa di una capsula di porcellana è 20,93 g si ha: Bilancia tecnica monopiatto a due
decimali con capsula di porcellana.
20,93 g
numero unità
La misura in chimica
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Nel 1960 è stato adottato in campo scientifico il Sistema Internazionale di Unità di misura.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 32
Le unità di questo sistema sono chiamate unità SI.
Nome dell’unità di misuraGrandezza fisica Simbolo
kilogrammoMassa kg
MetroLunghezza m
SecondoTempo s
KelvinTemperatura K
MoleQuantità di sostanza mol
AmpèreCorrente elettrica A
CandelaIntensità luminosa cd
Le sette unità di misura di base.
La misura in chimica
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Le unità che sono definite dalla combinazione delle unità di base prendono il nome di unità derivate.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 32
Nome dell’unità di misuraGrandezza fisica Simbolo
newtonForza N; kg m/s2
pascalPressione Pa; N/m2
jouleEnergia J; kg m2/s2
metro cuboVolume m3
kilogrammo al metro cuboDensità kg/m3
Esempi di grandezze derivate del SI.
Unità derivate
La misura in chimica
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 42
Prefissi usati con le unità SI
SignificatoPrefisso Esempio
T
G
M
k
Tera-
Giga-
Mega-
Kilo-
1 terametro (Tm) = 1 × 1012 m
1 gigametro (Gm) = 1 × 109 m
1 megametro (Mm) = 1 × 106 m
1 kilometro (km) = 1 × 103 m
Prefissi usati con le unità SI e nel sistema metrico
Simbolo
1012
109
106
103
Multipli
d
c
Mm
μ
N
p
Deci-
Centi-
Milli-
Micro-
Nano-
Pico-
1 decimetro (dm) = 1 × 10-1 m
1 centimetro (cm) = 1 × 10-2 m
1 millimetro (mm) = 1 × 10-3 m
1 micrometro (μm) = 1 × 10-6 m
1 nanometro (nm) = 1 × 10-9 m
1 picometro (pm) = 1 × 10-12 m
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
Sottomultipli
La misura in chimica
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Un numero scritto in notazione scientifica è il prodotto di due fattori:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 53
Il fattore A è un numero decimale maggiore o uguale a 1 ma inferiore a 10, ed n è un numero intero.
A × 10n
In notazione scientifica
la distanza Terra-Luna è circa 3,84 ×108 m
il diametro di un virus è circa 1,0 × 10-6 m
mentre
La notazione scientifica (o notazione esponenziale)
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La massa (m) di un corpo è una misura della quantità di materia di cui è costituito e viene determinata con una bilancia.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 64
Il peso di un corpo, invece, è una forza e, nel SI, è misurato in newton (N).
Sulla Terra il peso di un corpo è
dove g è l’accelerazione di gravità 9,8 m/s2.
p = m × g
Nel SI l’unità di misura della massa è il kilogrammo (kg).
Masse più piccole sono espresse in grammi (g) o in milligrammi (mg).
Sulla Luna il peso di un corpo è circa 1/6 di quello sulla Terra.
La massa
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Il volume di un corpo (V) è lo spazio che esso occupa.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 75
1 millilitro (mL) corrisponde a 1/1000 di litro, per cui
1 mL = 1 cm3
Nel SI l’unità di misura di volume è il metro cubo (m3).
In chimica le unità di misura più adoperate sono il litro (L), una unità che non appartiene al SI, e il millilitro (mL).
Il volume
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Le cifre significative in una misura sperimentale corrispondono a tutte le cifre note con certezza più la cifra incerta.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 86
La lunghezza del metallo, oggetto della nostra misura, è compresa tra 6 e 7 cm: il valore stimato 6,8 cm presenta due cifre significative. La prima cifra (6) è nota con certezza, la seconda (8) è incerta.
La lunghezza del metallo è compresa tra 6,8 e 6,9 cm: il valore stimato è 6,85 cm, con tre cifre significative (le prime due sono note con certezza, la terza è incerta).
Incertezza di una misura e cifre significative
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Quando un numero deve essere arrotondato e il numero di cifre significative viene ridotto, si seguono le seguenti regole:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 96
Arrotondamento
a) Se la prima cifra che deve essere eliminata è cinque o un numero maggiore di cinque, si aumenta di uno l’ultima cifra trattenuta.
b) Se la prima cifra che deve essere eliminata è inferiore a cinque, l’ultima cifra trattenuta non subisce variazioni.
es. 1,863 arrotondato a due cifre significative diventa 1,9 poiché la prima cifra
scartata è 6.
es. 1,8498 arrotondato a due cifre significative diventa 1,8 poiché la prima cifra
scartata è 4.
Incertezza di una misura e cifre significative
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In un calcolo numerico (moltiplicazione o divisione), il risultato non può mai essere espresso con più cifre significative del numero che ha il minor numero di cifre significative:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 96
Calcoli
1,5 × 4,52 = 6,78 si arrotonda a 6,8
due cifre significative
tre cifre significative
due cifre significative
10,5
65,55quattro cifre significative
= 0,160183066 si arrotonda a 0,160
tre cifre significative
Incertezza di una misura e cifre significative
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Nelle operazioni di addizione e di sottrazione, il risultato deve essere riportato con un numero di cifre decimali uguale al termine che ne ha di meno:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 106
4,56 +2,4182 +1,368 =
8,3462 si arrotonda a 8,35
Calcoli
Incertezza di una misura e cifre significative
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Si definisce densità (d) il rapporto tra la massa di un oggetto e il suo volume:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 10 - 117
massa
volumedensità =
oppurem
Vd =
Tre campioni che rappresentano volumi uguali ma massa diversa.
La densità
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 117
Indipendentemente dalle dimensioni di un oggetto, il rapporto tra la massa e il suo volume si mantiene sempre costante.
Massa (g)
12,4
24,8
37,2
Volume (cm3)
28,9
57,8
86,7
La densità
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La pressione è la forza esercitata su una superficie unitaria e viene espressa con la formula:
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 138
F
SP =
dove F è una forza e S una superficie.
L’unità di misura della pressione nel SI è il pascal (Pa).
L’unità più adoperata è il kilopascal (kPa) uguale a 1 × 103 Pa.
L’unità pratica di pressione, accettata dal SI, è il bar: 1 bar = 1 × 105 Pa.
La pressione atmosferica standard (atm) non fa parte del SI: 1 atm = 1 × 105 Pa = 1,013 bar.
La pressione
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L’energia (E) è la capacità di compiere un lavoro o di produrre calore.
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 149
Si distinguono due tipi di energia:
Ec = ½ m × v2
dove m è la massa e v la velocità di un corpo.
l’energia cinetica (Ec) ossia quella posseduta da un corpo in movimento:
Ep = m × g × h
dove m è la massa, g l’accelerazione di gravità e h l’altezza.
l’energia potenziale (Ep) ossia quella posseduta da un corpo in virtù della sua posizione:
L’energia
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 159
Nel SI l’unità di misura dell’energia è il joule (J).
Unità di misura dell’energia
Comunemente viene usato il kilojoule (kJ) che corrisponde a 1000 joule.
Un’altra unità usata, anche se non appartiene al SI, è la caloria (cal).
Un multiplo della caloria è la kilocaloria (kcal) che corrisponde a 1000 cal.
1 cal = 4,18 J
L’energia
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 16 - 1710
La temperatura è una misura di quanto è caldo o freddo un oggetto.
Per misurare la temperatura si possono usare:
• Termometri a dilatazione di liquidi
• Termometri elettronici
• Termometri a raggi infrarossi
L’unità di temperatura nella scala Celsius è il grado centigrado o grado Celsius (°C)
T (in kelvin) = t (in Celsius) + 273
In campo scientifico viene adoperata la scala di temperatura assoluta o scala Kelvin in cui l’unità di misura è il kelvin (K).
La relazione tra le due scale è:
La temperatura
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 18
Il calore è energia trasferita in seguito ad una differenza di temperatura.
Il trasferimento di calore avviene sempre secondo una direzione precisa: dal corpo a temperatura maggiore (più caldo) a quello a temperatura minore (più freddo).
Temperatura dell’acqua 20,5 °C. Temperatura dell’acqua 36,7 °C.
Il calore11
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 18 - 19
Il calore specifico è la quantità di energia termica necessaria per alzare o diminuire la temperatura di 1 grammo di sostanza di un grado Celsius (1 °C) o di un kelvin (1 K).
La quantità di energia termica (q) fornita o sottratta ad una data massa di sostanza con il riscaldamento o il raffreddamento è calcolata con la seguente equazione:
Il calore specifico
q = C × m × ΔT
dove
q = energia trasferita (J)
C = calore specifico (J/gK)
m = massa (g)
ΔT = variazione della temperatura (K)
Il calore11
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CAPITOLO 1. MISURE E CALCOLI PAG. 19 - 20
L’accuratezza indica se i valori forniti dalla misura di una grandezza ed il valore vero, o accettato come tale, sono in accordo tra di loro.
La figura riportata ci aiuta a visualizzare e comprendere la differenza tra precisione e accuratezza.
La precisione (o riproducibilità) indica se una serie ripetuta di misure di una grandezza dà valori che sono vicini tra loro.
Il metodo è preciso ma poco accurato.
Il metodo è preciso e accurato.
Il metodo è poco preciso e poco accurato
Precisione e accuratezza12