Chimica e didattica della chimica

1. Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica Materia ed energia

2. Materia: forme, struttura e qualità • L'uomo vive in uno spazio riempito dalla materia • La parola "materia" deriva dal latino "mater" • La materia che più occupa spazio sulla Terra è l'acqua che copre il 71% della superficie del pianeta e, più o meno con la stessa percentuale, è il maggior costituente del corpo umano 2

3. Materia: forme, struttura e qualità • L'uomo, man mano che ha appreso come utilizzare e plasmare la materia che lo circondava è evoluto, arrivando a esercitare un controllo sulla la natura • L'Homo Sapiens è arrivato a controllare la materia con effetti a volte esaltanti, a volte devastanti 3

4. Materia: forme, struttura e qualità • Il livello macroscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un batterio(10-6 m) a quelle usuali del mondo accessibile al nostro corpo (da 10-3 a 103 m) • Il livello microscopico è occupato da oggetti le cui dimensioni vanno da quelle di un elettrone(10-15 m) a quelle di una grossa proteina (10-7 m) 4

5. Materia: forme, struttura e qualità • Atomi, ioni, molecole • La materia è costituita da atomi e molecole • L’atomo è la più piccola porzione di un elemento che ne conserva tutte le caratteristiche ed è composto da una nuvola elettronica (10-10m) e da un nucleo (10-15m) 5

6. Materia: forme, struttura e qualità • Il nucleo che è costituito da protoni (in numero uguale agli elettroni) e da neutroni • Gli elettroni (e-) sono particelle leggere con carica elettrica negativa (-1.6×10-19 C) e spin ½ • I protoni (p) sono particelle massicce (massa 1.7×10-27 kg cioè 1836 volte la massa dell’elettrone) con carica elettrica positiva (1.6×10-19 C) e spin ½ • I neutroni (n) sono particelle massicce (massa 1839 volte la massa dell’elettrone) senza carica elettrica (neutre) e spin ½ 6

7. Materia: forme, struttura e qualità • Uno ione è un atomo a cui siano stati aggiunti (tolti) uno o più elettroni e risulterà quindi carico negativamente (positivamente) • La molecola è la più piccola porzione di un composto che ne conserva tutte le caratteristiche ed è composto da più atomi (da 10-10a 10-8m) 7

8. Materia: forme, struttura e qualità • Elementi e composti (misceleo miscugli) • Miscugli solidi, liquidi e gassosi • Miscugli eterogenei ed omogenei (soluzioni) • Granito: miscuglio solido ed eterogeneo • Acqua e zucchero: miscuglio liquido ed omogeneo (soluzione) • Acqua e sale: miscuglio liquido ed omogeneo (soluzione ionica) • Aria: miscuglio gassoso ed omogeneo 8

9. Materia: forme, struttura e qualità • Numero atomico, numero di massa (isotopi) 9

10. Materia: forme, struttura e qualità • Composti inorganici (CO, CO2 e molecole prive di carbonio: H2O, NaCl, NH3…) • Composti organici (naturali e sintetici) • idrocarburi (metano) • idrocarburi clorurati (DDT, PCB) • clorofluorocarburi o CFC (freon) • carboidrati (semplici e complessi) • aminoacidi (~20) e proteine (milioni) • nucleotidi (4) e acidi nucleici (DNA, RNA) • geni (sequenze di nucleotidi) e cromosomi 10

11. Materia: forme, struttura e qualità 11

12. Materia: forme, struttura e qualità 12

13. Materia: forme, struttura e qualità • Materia di alta qualità: • utilizzabile • organizzata • disponibile 13

14. Energia: forme e qualità • Energia: • "capacità di compiere lavoro" • luce, elettricità, calore (≠temperatura)… • cinetica e potenziale • radiazione elettromagnetica 14

15. Energia: forme e qualità • Energia di alta qualità: • utilizzabile • organizzata • disponibile 15

16. Trasformazioni fisiche e chimiche e la legge di conservazione della materia • Trasformazione fisica: non implica cambiamento della composizione chimica (es.: scioglimento dei ghiacci) • Trasformazione chimica: implica cambiamento della composizione chimica (es.: combustione del carbone C+O2→CO2+energia) • Conservazione della materia (applicazione al ciclo dei rifiuti) 16

17. Trasformazioni nucleari • Decadimento naturale radioattivo (radioisotopi) • Raggi alfa, beta, gamma • Tempo di dimezzamento: • iodio-131: 8 giorni • stronzio-90: 28 anni • uranio-238: 4.5 miliardi di anni • Livello sicuro: dopo 10 tempi di dimezzamento 17

18. Trasformazioni nucleari • Fissione nucleare: • massa critica • reazione a catena 18

19. Trasformazioni nucleari • Fusione nucleare: • imparare dal Sole… • … non è facile (ITER)! 19

20. Le due leggi fondamentali dell'energia • Prima legge della termodinamica: conservazione dell'energia • Seconda legge della termodinamica: nelle trasformazioni dell'energia avviene una perdita della sua qualità (es.: da elettricità a calore) • L'energia si conserva ma – in pratica – quella utilizzabile è sempre meno • L'energia non si ricicla: importanza dell'efficienza energetica 20

21. Le due leggi fondamentali dell'energia • La seconda legge della termodinamica influenza la vita (produzione di calore e rifiuti) 21

22. Fine della lezione… 22