INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE · 2016-12-23 · ∘ Il metodo sperimentale ... il fenomeno che osservi secondo l’applicazione del metodo sperimentale. 1 ... altre

INTRODUZIONEALLA CHIMICA:MISUREE GRANDEZZE

∘ La chimica come scienza sperimentale∘ Il metodo sperimentale∘ Significato delle grandezze e proprietà

estensive ed intensive∘ Unità base di misura del SI∘ Le grandezze: volume, massa,

forza, peso, densità∘ Energia: capacità di compiere lavoro

e di trasferire energia∘ Calore e temperatura∘ Pressione∘ Significato della misura

Conoscenze

Abilità

∘ Essere in grado di utilizzare adeguatamenteil linguaggio specifico

∘ Utilizzare il SI nelle 7 unità base di misura∘ Utilizzare le grandezze derivate∘ Distinguere la massa dal peso∘ Definire il concetto di volume e di densità∘ Identificare le forme in cui l’energia

si presenta∘ Distinguere il concetto di calore da quello

di temperatura

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CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI 7

1

8 CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI

La chimica: una scienza sperimentale

Lo studio della chimica, come di qualsiasi altra materia scientifica, si presen-ta complesso perché avviene su tre livelli: macroscopico, sub–microscopicoe simbolico (mediante uso di simboli, formule ed equazioni). A volte, il solouso di simboli e formule rende astratti anche prodotti comuni ed impedisce dimettere in relazione la chimica con la realtà circostante.Per questo è bene considerare, ogni volta che è possibile, il legame tra i trelivelli, per comprendere meglio l’importante ruolo della chimica oggi.

La chimica è una scienza relativamente giovane, che in soli due secoli haavuto uno sviluppo rapidissimo, diventando uno strumento basilare e indi-spensabile per tutti i settori della ricerca scientifica.

La chimica è la scienza sperimentale che studia leproprietà della materia e la composizione delle sostan-ze che costituiscono la materia e le trasformazioni chene modificano la natura.Si può affermare che:∘ nei fenomeni chimici si modifica la composizione

delle particelle che formano una porzione di materia(es. fiamma di un cerino);

∘ nei fenomeni fisici può cambiare la disposizio-ne spaziale delle particelle, ma non cambia la lorocomposizione chimica (es. evaporazione dell’acqua).

La chimica non si limita alla sola osservazione qualitativa dei materiali (es.osservazione dell’aspetto di un metallo, se è duttile, malleabile, argenteo,ecc.) ma affronta la conoscenza scientifica di tipo quantitativo, in quanto ri-chiede dati numerici relativi alle proprietà dei materiali osservati.Tali dati si ottengono mediante la misurazione delle proprietà in esame, ov-vero dal confronto di ciascuna di esse con un’unità di misura opportuna. Tal-volta le proprietà non sono misurabili (come, per esempio, la duttilità e lamalleabilità dei metalli). Le proprietà della materia che si possono misura-re sono dette grandezze fisiche o semplicemente grandezze (es. la massa,il volume, la lunghezza, la temperatura, ecc).

La chimica studiale trasformazionidella materia.

MACROSCOPICO

SUB-MICROSCOPICO SIMBOLICO

“ La chimicaè la scienza

che studia la

composizione,

la strutturae le proprietà

delle sostanze

naturali e

sintetiche, e le loro

interazionireciproche”

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Il metodo sperimentale

Il metodo di studio della ricerca scientifica viene detto metodo sperimen-tale e viene seguito dai ricercatori allo scopo di osservare un qualsiasifenomeno naturale secondo una indagine scientifica rigorosa, in gradodi portare alla scoperta di proprietà, caratteristiche e leggi universal-mente valide. La chimica, come la fisica, la biologia, la geologia, ecc. èuna scienza che, partendo dalla osservazione dei fenomeni naturali, siserve di esperienze per chiarire aspetti essenziali dei fenomeni stessi.Alla base della ricerca scientifica vi è prima di tutto la curiosità che è unadelle caratteristiche più significative del pensiero umano. La curiositàinnesca una serie di eventi che in successione si possono così sintetiz-zare: osservazione → domanda → risposta.

Si deve a Galileo Galilei (1564–1642), astronomo, matema-tico, fisico e filosofo italiano, nato a Pisa nel 1564 e morto adArcetri nel 1642, l’introduzione del metodo sperimentale.Egli infatti per la prima volta applicò in alcuni suoi impor-tanti lavori di fisica ed astronomia il metodo sperimentaledi sua invenzione, basato sull’esperienza controllata, ovveroosservazione-esperimento e successiva interpretazione delfenomeno naturale. Con Galileo Galilei, intorno al 1600, simise in moto quel particolare processo di evoluzione delpensiero scientifico, chiamato “scienza moderna”.

Le fasi del metodo sperimentale

Lo scienziato deve essere in grado di poter vedere ed individuare i problemi da chia-rire che si possono osservare in natura. In questi ultimi anni l’infinitamente piccolo,grazie al microscopio, e l’infinitamente grande, grazie al telescopio, hanno permessodi ampliare la capacità di osservazione dell’uomo. Le osservazioni ripetute e rigoroseconsentono di individuare aspetti che si manifestano con una certa regolarità. Ciò portaa formulare delle ipotesi che costituiscono le possibili spiegazioni su quanto osservato.La sperimentazione consente di verificare la validità dell’ipotesi in modo anche dapoter confermare la correttezza delle previsioni. Gli esperimenti consentono di ef-fettuare misure e di raccogliere dati e se le previsioni vengono rispettate l’ipotesi neesce rafforzata. Stabilita la correttezza di un’ipotesi si enuncia la legge che spiegasinteticamente, ricorrendo a relazioni matematiche, come si manifesta un fenomenostudiato in determinate condizioni.

Il metodo sperimentaleconsiste in unaprocedura di lavoroche consente lo studiodei fenomeni naturali“secondo criterisistematici”.Si tratta di considerarein un fenomenole proprietà dellegrandezze (es. in ungas possono esseretemperatura epressione) ela loro variazione.

Nel metodo scientifico,se l’ipotesi vieneconfermata, si devonocondividere i risultati(o la legge) con lacomunità scientifica.I risultati, resi pubblici,possono cosìessere riprodotti daaltri scienziati.

OSSERvAZIONE

IPOTESI

vERIfICASPERIMENTALE

LEGGE

INIZIO

osservazione

ipotesi

si deve proporreuna nuova ipotesi

verifica sperimentale

l’ipotesi è verificata?conclusione (o legge)sì

no

fINE

Pro

vatu

FACCIAmo IL PUNTO

Taglia a metà unamela e lascialaall’aria. Interpretail fenomeno cheosservi secondol’applicazionedel metodosperimentale.

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Misurare significaconfrontare il valoredi una grandezza conuna unità di misura.La misurazionecomporta duepassaggi:1. scegliere un

campionecome unità diriferimento;

2. definire un metodoper effettuare lamisura.

Misura delle grandezze

ogni fenomeno chimico-fisico è definibile intermini quantitativi attraverso misure checi permettono di dare significato scientifi-co alle nostre osservazioni. Le grandezzedei corpi possono essere calcolate comequantità che si possono confrontare conaltre della stessa natura. Ad esempio sonograndezze: il peso di una patata, la capacitàdi un bicchiere, la lunghezza di una strada,ecc. Si definisce pertanto grandezza ognicaratteristica misurabile di un corpo o di unfenomeno. Per caratterizzare un sistema sieffettuano esperienze e misure, sfruttan-do le proprietà delle sostanze; esperienzee misure possono essere di tipo fisico, ge-neralmente non distruttive (si può ripeterel’operazione più volte sulla stessa quantitàdi materia) oppure di tipo chimico, general-mente distruttive (di solito comportano mo-dificazioni e distruzione del “campione”).

1026 metri:Universoosservabile

1021 metri:Via Lattea

1013 metri:Sistemasolare

107 metri:Terra

10-2 metri:Insetto

10-10 metri:Atomo

10-15 metri:Nucleoatomico

10-18 metri:Distanza minima esploratadagli acceleratori diparticelle

10-18–10-35 metri:Grandezza tipica dellestringhe fondamentali edelle dimensioni aggiuntive

10-35 metri:minima grandezzasignificativa in natura

Lunghezza Corrente elettrica

Temperaturatermodinamica

Tempo

Massa Intensità luminosa

GRANDEZZE

ALCUNE GRANDEZZE CHE UTILIZZIAMO NELLA vITA DI TUTTI I GIORNI

Le proprietà fisiche della materia si possono distinguere in:∘ Proprietà estensive: dipendono dall’estensione del campione, ovvero dal-

la quantità di materia dello stesso (ad esempio: volume, massa).∘ Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità, bensì dal tipo di mate-

ria (ad esempio: punto di fusione, densità).

Proprietà estensive Proprietà intensive

Definizione Dipendono dalla dimensionedel campione

Non dipendono dalladimensione del campione

Esempi massaVolume

DensitàTemperatura di ebollizione

Le proprietà estensive pertanto danno informazioni sulla quantità di sostan-za (come massa e volume) ma non dipendono dalla sua tipologia, mentre leproprietà intensive consentono di individuare la sostanza, dato che esse sonocaratteristiche della sostanza in questione (il punto di fusione è proprio perciascun tipo di materia).

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Sistema internazionale (SI) delle unità di misura

Il Sistema Internazionale (SI) delle unità di misura si può considerareuna estensione del Sistema Metrico Decimale, già in uso nel nostro Paesefin dalla seconda metà del XIX secolo. Quest’ultimo si definisce metricoperché deriva dal greco metron che significa misura, e decimale perché levarie unità di misura sono multipli e sottomultipli secondo il numero 10.Affinché tutte le misure eseguite risultino fra loro confrontabili e compa-tibili è necessario che esistano dei campioni dell’unità che siano unici, ri-conosciuti e trasferibili. Il SI è riconosciuto ufficialmente dai Paesi membridell’U.E. ed ha carattere di universalità negli scambi commerciali nellamaggior parte dei Paesi del mondo.Nel Sistema Internazionale (SI) vengono usate 7 unità base fondamenta-li; tutte le altre possono derivare da queste:

Grandezze derivate 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 s A

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

Il SistemaInternazionaleSI definisce leunità di misurastandard di7 grandezzefondamentali,in quanto sonoindipendentil’una dall’altra.

Le grandezze derivate sono grandezze che derivano dalle precedenti erisultano da queste tramite combinazioni algebriche, prodotti o divisioni.

Unità di misura base del Sistema Internazionale

Grandezze fondamentali Unità S.I. Simbolo

lunghezza metro m

massa kilogrammo kg

tempo secondo s

corrente elettrica ampère A

temperatura termodinamica kelvin K

intensità luminosa candela cd

quantità di sostanza mole mol

Misurarevuol dire attribuire

un valore numericoricavato per

confronto con l’unitàdi misura.

formica

circa 1 cm

1 cm 1 millimetro 1 milionesimo di metro (micron o μm)

da un centrimetro a un micron a un nanometro

1 miliardesimo di metro (nanometro o nm)

circuitointegrato1 cm2

polline

10–20 μm

globulirossi2–5 μm

interconnessionidi circuiti0,1–1 μm

nanosomada 100 a500 nm

elicadi dna3,4 nm

La lunghezza èuna grandezzafondamentale.

Esempio dimisurazione dallaformica (in cm) al

DNA (in nanometri).

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Quando il valore di una grandezza è troppo grande o troppo pic-colo è preferibile usare multipli o sottomultipli dell’unità, oppu-re scrivere il numero secondo la notazione scientifica. Spessooccorre usare multipli o sottomultipli delle unità, con ordini digrandezza molto diversi; piuttosto di usare esponenziali in basedieci, si preferisce aggiungere alle unità dei prefissi che rappre-sentano un ordine di grandezza specifico.

È molto importante, data la varietà delle unità di misura, farseguire sempre, al valore numerico, l’unità usata o, meglio, lesue “dimensioni”, cioè la sua definizione in termini di unità SI;inoltre, quando si effettuano operazioni matematiche su misu-re, occorre applicare le stesse operazioni anche sulle unità osulle loro dimensioni: ciò permette, fra l’altro, di accorgersi dieventuali errori di impostazione, dato che si otterrebbero, incaso di errore, dimensioni errate per l’unità di misura.

Grandezze: volume, massa, forza, peso, densità

Volume

Quando ci troviamo di fronte ad un oggetto, si può osservare per prima caratteri-stica il suo volume, ossia lo spazio che il corpo occupa. Il volume pertanto è laporzione di spazio che un corpo occupa; varia in funzione della temperatura e dellapressione. Si deve considerare che corpi di forme diverse possono occupare lostesso volume e inoltre che un dato volume di liquido assume la forma del reci-piente in cui si trova.

Il volume è una grandezza derivata dalla lunghezza e l’unità di misura, nel SI, è il metro cubo (m3).Tale unità è, però, troppo grande per il chimico che comunemente usa i suoi sottomultipli. Tra que-sti il più utilizzato è il decimetro cubo (dm3) che corrisponde al volume occupato da un kg di H2odistillata alla temperatura di 4 °C.In laboratorio si usa più frequentemente il centimetro cubo (cm3). Quando si devono misurare volumi difluidi (liquidi e gas) si utilizzano comunemente unità di misura non SI dette di capacità; le più importantisono il litro (L) che corrisponde ad 1 dm3 ed il millilitro (ml) che corrisponde ad 1 cm3. Pertanto:

1 dm3 = 1000 cm3 = 1 L = 1000 ml; 1 cm3 = 1 ml

Ordine digrandezza Prefisso Simbolo

1o12

1o9

1o6

1o3

1o2

1o1

1o-1

1o-2

1o-3

1o-6

1o-9

1o-12

1o-15

1o-18

tera

giga

mega

chilo

etto

deca

deci

centi

milli

micro

nano

pico

femto

atto

T

G

m

k

h

da

d

c

m

μ

n

p

f

a

multipli e sottomultipliche si utilizzano perle unità di misura,prefissi relativi esimboli.

Massa

La massa è legata alla quanti-tà di materia che costituisce uncorpo. È una proprietà estensivacostante, infatti non varia al va-riare della posizione del corponello spazio ed è indipendentedalla temperatura e dalla pres-sione. Si misura per confrontocon una quantità di materia pre-sa come campione.

La massa di un corpo non cambia quando lamisura viene fatta sulla Terra o sulla Luna.

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Forza

La forza (F) è una grandezza vettoriale che può essere definita come l’agentefisico in grado di modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo; è sempreapplicata da un corpo materiale ad un altro ed è caratterizzata da una inten-sità e da una direzione lungo la quale agisce.

Peso

Per peso (P) si intende la forza con la quale un corpo è attratto verso il centrodella Terra. Il peso è, quindi, una forza ed è direttamente proporzionale allamassa del corpo; la costante di proporzionalità è la forza di attrazione gravi-tazionale (g) che, in un dato luogo, è la stessa per tutti i corpi. Per un corpoposto a livello del mare il valore di g è di 9,8 m/s2. La relazione per ricavare ilpeso è: P = m x g.Per esemplificare, il peso di un oggetto portato sulla Luna si riduce ad 1/6 delpeso che lo stesso aveva sulla Terra in quanto la forza di attrazione gravita-zionale sulla Luna è 1/6 di quella terrestre; ovviamente la massa dell’oggettorimane invariata.

Per esempio, un astronauta con massa m = 70 kg, e che sulla superficie terre-stre pesa 70 kg, sulla Luna, dove la gravità è circa 1/6 di quella terrestre, pese-rebbe 11,66 kgp pur essendo la sua massa corporea sempre la stessa. massae peso sono due grandezze che non vanno mai confuse: la massa è costanteovunque e caratteristica di un certo corpo, mentre il suo peso può variare an-che fortemente a seconda delle circostanze.

Densità

La densità è tipica di ogni sostanza.Non dipende dalla posizione del corponé dalla quantità di materia considera-ta (proprietà intensiva).La densità o massa volumica di uncorpo (spesso indicata dal simbolo ρ oanche δ) è pari alla sua massa diviso ilvolume che occupa.

Unità di misura del SI per la forza è il newton (N); 1 N corrisponde alla forzacapace di imprimere ad un corpo di massa = 1 kg un’accelerazione di 1 m/s2.

1 N = 1 kg x m/s2

L’unità di misura SI è il kilogrammo (kg). In laboratorio si usano comune-mente i suoi sottomultipli, quali, ad esempio il grammo (g), corrispondente a10-3 kg e il milligrammo (mg), pari a 10-6 kg.

L’unità di misura del peso, in quanto forza, è il newton (N). In pratica èspesso utilizzato il kilogrammo-peso (kgp), ovvero il peso di un corpoavente massa = 1kg, posto a 45° di latitudine e a livello del mare; ne derivache 1kgp = 1 kg x 9,8 m/s2 e, di conseguenza, 1kgp = 9,8 N.

massa campionedi 1 kg platino-iridio

custodito pressoil Bureau

International desPoids et Mesures di

Sèvres (Parigi).

Il dinamometromisura il peso

di un corpo.Sulla Terra

il peso è maggiorerispetto allaLuna perché

maggiore è laforza di gravità.

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Per valutare il suo significato occorre considerare chepesando, ad esempio, 1 l di acqua ed 1 l di olio nellestesse condizioni operative, si registrano sulla bilancia2 valori diversi, che dipendono dalla diversa quantità dimassa contenuta in quel volume. Pertanto l’olio, che hadensità minore, si stratifica sulla superficie dell’acqua.

Densità relativa

Rappresenta il rapporto tra la massa di uncampione e la massa di un eguale volumedi acqua distillata alla temperatura di 4 °C.È una grandezza adimensionale, espressa,cioè, da un numero puro che rappresentail rapporto tra due grandezze definite dallastessa unità di misura.Ad esempio la densità dell’oro è = 19,3, ov-vero l’oro ha densità 19,3 volte maggiore diquella dell’acqua distillata a 4 °C.

valore della densità di alcuni materiali

MaterialeStato di

aggregazioneDensità

(g/cm3 a 20 °C)

Alcol etilicoBenzinaolio di semiAcqua (a 0 °C)Acqua (a 4 °C)AlluminioFerroArgentoPiomboPlatino

LiquidoLiquidoLiquidoSolido (Ghiaccio)LiquidoSolidoSolidoSolidoSolidoSolido

0,7940,8440,9260,921,0002,707,8610,511,3421,4

Energia: capacità di compiere lavoroe di trasferire calore

L’energia si può definire come la capacità di un corpo di eseguire lavoro o ditrasferire calore.L’energia è uno degli attributi della materia ed è una grandezza estremamente in-

teressante poiché può presentarsi sotto molteplici aspetti: energiameccanica, termica, luminosa, nucleare, elettrica, magnetica, ecc.L’unità di misura dell’energia nel Sistema Internazionale è iljoule (J) che è definito come il “lavoro effettuato da una forzalavoro di un newton (N) lungo una distanza di un metro”:

1 J = 1N x 1m = kg x m2 / s2

Un newton, a sua volta, è definito come la forza che producel’accelerazione di un metro al secondo quadrato ad un corpodella massa di un chilogrammo.

Se m è la massa e v il volume si ha dunque:∂ = m /V

da cui deriva:V = m/∂ e m = V · ∂

Secondo il SI la densità assoluta simisura in kilogrammo/metro cubo

Le etichettenutrizionali deglialimenti confezionatiriportano semprei valori energeticiespressi siain kcal che in kJ.

Calcola la densità del ghiaccio sapendoche a 20 °C a 1 L di acqua corrispondeuna massa di 998,2 g e che a 0 °C il volu-me aumenta del 9,05%.Soluzione:

Densità d = m/v (g/cm3);1 L di acqua = 1000 cm3 che aumentano del9,05%; quindi si hanno 1090,5 cm3.d = 998,2 / (1090,5) = 0,915 g/cm3.

ESERCIzIo GUIDATO

BENZINA

ACqUA

MERCURIO

LEGNO

ARGENTO

PLATINO

SUGHERO

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In alimentazione è ancora largamente impiegato il termine kcal (chilocaloria) oCal (grande caloria) che corrisponde a 1000 cal (piccole calorie). La piccola ca-loria o 1 cal è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 grado Celsius (da14,5 a 15,5 °C) 1 g di acqua distillata, alla pressione di una atmosfera. Tra la scalacalorica ed il Joule esiste una facile equazione matematica di conversione:

1 kcal (chilocaloria) = 4,184 kJ (chiloJoule)

Calore e temperatura

Spesso, nel linguaggio comune, si confonde il calore conla temperatura, mentre sono due grandezze fisiche bendistinte; infatti il calore o energia termica è una partedell’energia totale che un corpo possiede e, precisamente,quella parte dell’energia che può essere trasferita da uncorpo a un altro, come conseguenza di una differenza ditemperatura. Il calore pertanto è una forma macroscopi-ca nella quale l’energia passa da un sistema fisico ad unaltro unicamente a causa di differenze di temperatura. Laquantità di calore che può essere ceduta o assorbita da uncorpo non dipende solo dalla sua temperatura, ma anchedalla sua massa, perciò il calore è una proprietà estensiva.Ad esempio, se riempiamo un bicchiere e una vasca da bagno con acqua allastessa temperatura, la quantità di calore contenuta nel bicchiere sarà mino-re di quella contenuta nella vasca.Per calore si intende l’energia termica che passa tra due corpi per effetto diuna differenza di temperatura. Se si pongono a contatto un corpo a tempera-tura più alta ed uno a temperatura più bassa, il secondo riceve calore cedutodal primo. Questo passaggio è un trasferimento di energia termica che si tro-vava nel corpo più caldo sotto forma di energia potenziale.In altre parole, il calore si propaga sempre da zone o corpi più caldi a zone ocorpi più freddi.

Unità di misura del calore nel SI è il joule (J); come già noto, si utilizzanospesso la caloria (cal) e la kilocaloria (kcal). 1 cal = 4,184 J

La temperatura è la misura dell’intensità del calore. È una grandezza fisicache esprime la misura dello stato termico di un sistema e che descrive lasua attitudine a scambiare calore con l’ambiente o con altri corpi. Quandodue sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a tem-peratura maggiore a quello a temperatura minore fino al raggiungimentodell’equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.

V

A

Il calorimetro è lostrumento di misura

della grandezzafisica calore.

L’unità di misura della temperatura è nel SI il Kelvin (K) e la sua scala è detta scala assoluta; comu-nemente si usa il grado Celsius (°C) della scala Celsius. Entrambe le unità di misura si equivalgono(1K = 1 °C), ma lo zero della scala assoluta è posto a –273,15 °C e si chiama zero assoluto. Ne derivache lo zero della scala Celsius è posto a 273,15 K. Le temperature assolute si indicano con T mentrequelle Celsius con t.

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Se con il trasferimento di calore si ha un passaggio di stato il calore tra-sferito è detto calore latente; a seconda del passaggio di stato si hanno:∘ Calore latente di fusione: quantità di calore necessaria a far passare

1g di sostanza dallo stato solido a quello liquido. Ad esempio il calorelatente di fusione dell’acqua è pari a 80 cal /g.

∘ Calore latente di vaporizzazione o ebollizione: quantità di calore ne-cessaria a far passare 1g di sostanza dallo stato liquido a quello divapore.Ad es. il calore latente di ebollizione dell’acqua è di 540 cal / g. Laquantità di calore richiesta da una data quantità di sostanza durante

il passaggio di stato è data dalla relazione:

Q = calore latente x massa in g della sostanza

∘ Per calore specifico (c) di una sostanza si intende la quantità di calorenecessaria a far aumentare di 1 °C 1g di sostanza e si esprime, nel SI, inJ/g·K; si utilizza anche la cal/g·°C. È stato sperimentalmente dimostratoche ogni sostanza è caratterizzata da un particolare calore specifico.

∘ Per capacità termica (C) di un corpo si intende la quantità di calore ne-cessaria a far aumentare di 1 °C la sua temperatura; l’espressione è datadal prodotto del calore specifico per la massa del corpo (C = c x m) e siesprime con le unità di misura J/K o cal/°C.

Nelle trasformazioni fisiche ove non abbiano luogo reazioni chimiche o pas-saggi di stato, un corpo assorbe e cede calore secondo la relazione:

Q = m x c x ∆ t (∆ t = tfnale

– tiniziale

)

La temperatura media del corpo umano è considerata di 37 °C, a quantiK corrisponde?Soluzione:K = °C + 273,15 pertanto 37 °C + 273,15 = 310,15 K

La temperatura media superficiale del Sole è di 5780 K, a quanti °C cor-risponde?Soluzione:°C = K – 273,15 pertanto 5780 K – 273,15 = 5506,85 °C

ESERCIzIo GUIDATO

Il fisico GeorgePickett (LancasterUniversity, UK)è riuscito ad arrivarea poche frazioni digrado da –273,15 °C.Lo zero assoluto sichiama così perchéa quella temperaturagli atomi sarebberovirtualmenteimmobili, dunquecorrisponde al valorelimite minimo dellatemperatura.

Ad esempio, la quantità di calore necessaria per riscaldare 500 g di ferro(cmedio = 0,115 cal/g °C) da 50 °C a 120 °C è:

q = 500 g x 0,115 cal / g °C x 70 °C

q = 4025 cal

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Pressione

Quando si opera con sostanze aeriformi, il cui volume varia al variare del re-cipiente che le contiene, diventa necessario considerare un’altra grandezza:la pressione. Se una forza F agisce uniformemente su una superficie S per-pendicolare ad essa, la pressione che la forza genera è il rapporto tra la forzastessa e la superficie:

P = f/S

Si possono distinguere due tipi di pressione: interna ed esterna. Quella inter-na è generata dagli urti tra le particelle elementari di cui è costituita la ma-teria, la pressione esterna invece assume particolare importanza per definirele condizioni dell’ambiente in cui si trova l’oggetto in esame. In particolare,occorre sempre tener conto della pressione atmosferica che assume valoridiversi in relazione all’altitudine.

Signifcato della misura

Per misurare le varie grandezze dei corpi bisogna saper utilizzare strumentispecifici che sono scelti in base alla loro portata e sensibilità.∘ La portata di uno strumento indica la sua capacità massima di lettura (ad

esempio, una bilancia che non può leggere più di 5 kg ha portata max di5 kg).

∘ La sensibilità di uno strumento corrisponde alla sua sensibilità di rilevarela variazione minima della misura per la quale è stato costruito (ad esem-pio sensibilità al grammo per bilance commerciali, oppure sensibilità almilligrammo per bilance da farmacia).

Gli errori nella misura

Se dovessimo misurare una parete di una stanza di circa 6 metri e avessimo adisposizione un metro da cantiere di 10 metri, il massimo errore che potremmofare sarebbe quello insito nel metro stesso e quello relativo alla lettura dellamisura del metro. Se invece di questo avessimo il cosiddetto “metro da sarto”che in genere è di 150 cm dovremmo utilizzare una matita ed effettuare almeno

Nel SI l’unità di misura della pressione è il pascal (Pa).

1 Pa = 1N/1m2

Un altro modo per esprimere la pressione è il torr o millimetro di mercurio(mmHg), che corrisponde alla pressione esercitata da una colonna di mercu-rio alta 1 mm.

1 torr (mmHg) = 133,322 Pa

La pressione atmosferica è la pressione al livello del mare esercitata dallacolonna d’aria sovrastante e viene comunemente misurata in atmosfere (atm).

1 atm = 101.325 Pa

Infine un altro modo di esprimere la pressione è il bar.

1 bar = 100.000 Pa

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4 misure. Per cui l’errore insito nel metro e quello di lettura aumenterebbe di unfattore 4. Se infine fossimo costretti ad utilizzare un righello di 10 cm, anche sepiù preciso del metro da cantiere, potremmo ridurre l’errore insito nella misurama non nella sua lettura che viceversa aumenterebbe di un fattore 60.Il cosiddetto errore insito nello strumento di misura è detto “sistematico” ed èsempre positivo o negativo dal momento che dipende da come è stato costruitolo strumento di misura. Può essere ridotto usando uno strumento più “preciso”.

L’errore di lettura della misura è invece detto “accidentale”, ossia dovutoal caso e, quindi, imprevedibile. Gli errori accidentali possono influenzare lamisura sia in eccesso sia in difetto e possono essere ridotti con misurazionipiù precise, ma mai eliminati del tutto. Ritornando all’esempio di prima, in al-cuni casi lo zero della riga viene allineato un po’ prima ed in altri un po’ doporispetto al segno della matita e certamente tali differenze non si compensanoesattamente, per cui il risultato finale può essere errato sia in meno che inpiù rispetto al valore vero.

Valore medio ed errore assoluto

Dal momento che, come detto precedentemente, l’errore di misura non èeliminabile, dobbiamo sempre considerare la nostra misura come approssi-mata, nel senso che essa è più o meno vicina al valore vero. Non è nemme-no possibile valutare lo “scarto” rispetto al valore vero perché non ci è datodi conoscere quest’ultimo. Tuttavia esiste una teoria scientifica, detta teoriadegli errori, che insegna come dare una valutazione dello scarto tra il valoremisurato e quello vero.Consideriamo per esempio n misurazioni della grandezza X che hanno datole misure x1, x2,... xn. Assumiamo come valore più probabile il valore medio,ossia la media aritmetica delle misure ottenute:

valore medio della grandezza X=

(somma delle misure/ n° delle misurazioni)=

(x1+ x2+...+xn)/n

ERRORE DI PARALLASSE

Si tratta di un errore in cui sipuò incorrere misurando i vo-lumi di una provetta o di unaburetta. Esso è causato dallaposizione errata dell’occhiodell’osservatore. Per evitarlooccorre porsi alla stessa al-tezza del livello del liquido daosservare.

POSIZIONE ERRATA

POSIZIONE ESATTA

POSIZIONE ERRATA

CIfRESIGNIfICATIvEPer indicare laprecisione conla quale unamisura è stataeseguita, gliscienziati sonomolto attenti alnumero di cifresignificative concui trascrivonoi loro risultati.Le cifresignificativedi un numerosono tutte lecifre certe più laprima incerta.

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Come stima dell’errore assumiamo la semidifferenza tra la misura massimae quella minima, detta “errore assoluto” (Eass):

(Eass) = (xmax– xmin)/2

Il risultato della misurazione lo scriviamo nella forma:

valor medio ± errore assoluto

L’intervallo di valori compreso tra (valor medio – errore assoluto) e (valormedio + valore assoluto) viene chiamato “intervallo di fiducia”.

Notazione scientifca

I numeri molto grandi o molto piccoli si possono esprimere in maniera conve-niente come potenze di 10.Si possono pertanto eseguire calcoli con numeri espressi come potenze di10; in questo caso valgono le regole delle proprietà delle potenze.

In notazione scientifica i numeri si presentano nella forma:A x 10n

dove il fattore A è un numero maggiore o uguale a 1, ma inferiore a 10, e n unnumero intero.

Prefisso Multiplo Notaz.Scientif. Prefisso Sottomultiplo Notaz.

Scientif.

deca (da)etto (h)kilo (k)mega (m)giga (G)tera (T)

x 10x 100x 1000x 1000 000x 1000 000 000x 1000 000 000 000

x 102

x 103

x 106

x 109

x 1012

deci (d)centi (c)milli (m)micro (μ)nano (n)pico (p)femto (f)atto (a)

x 0.1x 0.01x 0.001x 0.000001x 0.000000001x 0.000000000001x 0.000000000000001x 0.000000000000000001

x 10-1

x 10-2

x 10-3

x 10-6

x 10-9

x 10-12

x 10-15

x 10-18

Scrivi la notazione scientifica delle seguenti misure: A = 80.333.125 m; B = 0,0068 s.Soluzione:

A: posizionare la virgola dopo la prima cifra (che è 8) e contare il numero di cifre dopo la virgola;questo numero (7 nell’esempio) sarà l’esponente del 10, quindi A = 8,0333125 x 107.B: spostare la virgola verso destra e posizionarla dopo la prima cifra (che è 6); la virgola si è sposta-ta di 3 posizioni a destra (dopo il primo 0) quindi si attribuisce al 10 un esponente negativo; quindiB = 6,8 x 10-3.

ESERCIzIo GUIDATO

Un datonumerico èespresso innotazionescientificaquando vienescritto comeprodotto traun numerodecimale(compreso tra1 e 10) e unapotenza di 10.

Esempio:∘ Si converta il numero 2500 in notazione scientifica. (esponente positivo)

La virgola va spostata di 3 posti verso sinistra, quindi si ha: 2,5 x 103.

∘ Si converta il numero 0,00015 in notazione scientifica. (esponente negativo)La virgola va spostata di 4 posti verso destra, quindi si ha: 1,5 x 10–4.


IL LABORATORIODI CHIMICA

Spatole e spruzzettaPallonePipetta e provetta CapsulaBunsen

Refrigerante Matraccio tarato

Beuta Imbuto Provette BurettaBecher o bicchiere

Provette Imbutifiltranti

Misura cilindri Mortaio epestello

Porta provette Boccette fondopiatto

Beccodi Bunsen Micro spatola

flaconi deireagenti

Bilanciaelettronica

Microscopio Occhiali disicurezza

Bicchieri Contagocce

Supporto amorsetto

Boccette fondotondo

Pinza e provettaTreppiede e bunsen

GLI STRUMENTI DELLABORATORIO DI CHIMICA

Qui di seguito prendiamo in esame alcuni semplicistrumenti comunemente usati nel laboratorio chimico.

FACCIAmo IL PUNTO


LA SICUREZZA NEL LABORATORIO DI CHIMICA

Per la sicurezza nel laboratorio di chimica è bene seguire queste fonda-mentali norme di comportamento:1. durante l’esecuzione di un esperimento indossare sempre camice,

guanti e occhiali di sicurezza;2. prima di iniziare qualsiasi attività, accertarsi di avere capito scopo e finali-

tà che l’esperimento si prefigge;3. seguire scrupolosamente e nell’ordine stabilito tutte le operazioni

discusse con l’insegnante necessarie per portare a termine l’esperi-mento;

4. durante l’attività di laboratorio non portare nulla alla bocca (mani, cibo,bevande, ecc.). Anche i cibi toccati con le mani possono essere stati contaminati da reagenti chimiciquindi potenzialmente dannosi per la salute;

5. fare attenzione quando si utilizzano liquidi infiammabili. Nelle esercitazioni in cui è previsto l’uso disolventi infiammabili (acetone, alcol, etere di petrolio, ecc.) tutti i bunsen devono essere spenti;

6. minimizzare l’inquinamento dell’ambiente privilegiando esercitazioni in scala ridotta;7. maneggiare con cura le apparecchiature di vetro facendo attenzione a non tagliarsi;8. non aspirare mai i vapori che possono svilupparsi in una reazione chimica o che possono essere esa-

lati da alcuni contenitori: in questi casi è opportuno lavorare sotto cappa aspirante;9. non lavorare da soli in laboratorio. In caso di incidente nessuno vi potrà soccorrere;10. tenere ogni cosa pulita ed in ordine ed avvertire l’insegnante in caso di incidente.

L’Unione europea sta dif-fondendo dei nuovi sim-boli di rischio chimico,conformi alla classifica-zione e alla simbologiaconvenzionale dei segnalidi pericolo.Esempi di pericolo: 1. tos-sico con effetti immediati,2. tossico con effetti alungo termine, 3. irritante,4. corrosivo, 5. esplosivo,6. gas compresso, 7. fa-cilmente infiammabile, 8.comburente, 9. pericolosoper l’ambiente.

1

4

7

2

5

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3

6

9

INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE

CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI

Riepilogo attivo

1. Cosa significa affermare che la chimica è una scienza sperimentale?2. In che cosa consiste il metodo sperimentale?3. Che cosa sono le proprietà estensive della materia?4. Che cosa sono le proprietà intensive della materia?5. Che cos’è il SI delle unità di misura?6. Come si misura il volume? Riporta un esempio della vita quotidiana.7. Come si misura la massa? Riporta un esempio della vita quotidiana.8. Qual è la differenza tra massa e peso di un corpo?9. Che cos’è la densità e come si misura?10. Che cos’è la densità relativa?11. Che cos’è l’energia e come si misura?12. Qual è la differenza tra calore e temperatura?13. Come si può tarare un termometro?14. Che cos’è la pressione?15. Che cosa significa portata e sensibilità nella misura?16. Qual è il significato di valore medio ed errore assoluto?17. Che cos’è la notazione scientifica?

Completa la mappa

Trasformazioni della materia

LA CHIMICA

studia le

descritte da

caratterizzato da

che si esprimono con

riferite al

Grandezze fisiche misurabili

Pressione

Temperaturamassa

DensitàVolume

misure e unità di misura

Sistema Internazionale

7 grandezze fondamentali:• lunghezza• massa• tempo• corrente elettrica• temperatura termodinamica• intensità luminosa• quantità di sostanza

Unità S.I............................................kilogrammosecondo...........................................kelvincandelamole

Simbolom......................................................................................A...........................................cd...........................................

Estensive

oRGANIzzA LE TUE CONOSCENZE



1. La chimica è una scienza che si studia:a. con formule che indicano la qualità della

materiab. a livello simbolico e microscopicoc. a livello macroscopico, sub-microscopico

e simbolicod. considerando i prodotti delle reazioni chi-

miche

2. Le grandezze fondamentali del sistema SI con-sentono di definire:a. le proprietà comuni degli oggetti materialib. le proprietà dei corpi che non variano maic. sette grandezze indipendenti l’una dall’altrad. il variare della densità dei corpi

3. è una proprietà intensiva della materia:a. massab. lunghezzac. temperatura di ebollizioned. volume

4. è una proprietà estensiva della materia:a. densitàb. massac. temperatura di ebollizioned. nessuna delle risposte precedenti

5. La densità di una determinata sostanza è unagrandezza intensiva perché:a. non varia se si fraziona il campioneb. non è una grandezza fondamentalec. esprime il rapporto tra due grandezze in-

tensived. si calcola con metodi indiretti

6. Per sapere quanti chilogrammi corrispondono a3 L di olio di oliva extravergine occorre:a. conoscere il valore della forza di gravitàb. applicare l’equivalenza 1 L = 1 kgc. conoscere la purezza dell’olio extravergined. conoscere la densità dell’olio extravergine

7. Sapendo che la densità dell’alcol etilico è di 0,79kg/L, quale sarà il volume occupato da 5 kg dialcol?a. 5 Lb. 3,95 Lc. 7,5 Ld. 6,3 L

8. qual è l’unità di misura della pressione nel SI?a. il barb. il pascalc. l’atmosferad. il millimetro di mercurio

9. Le cifre significative di una misura sperimen-tale corrispondono a:a. tutte quelle che presentano lo 0 seguito

dalla virgolab. solo quelle che corrispondono al valore veroc. quelle i cui valori sono noti con certezza più

il primo valore incertod. le cifre centesimali della grandezza misu-

rata

10. La massa di 1 kg di ferro, rispetto alla massa di1 kg di acqua distillata è:a. maggioreb. minorec. ugualed. nessuna delle risposte precedenti

11. La densità assoluta di una sostanza corrisponde a:a. la massa dell’unità di volume della so-

stanzab. il prodotto della massa per il volume della

sostanzac. la misura dell’inerzia della sostanzad. nessuna delle risposte precedenti

12. Un joule corrisponde a:a. 1 N/s2

b. 1 N m2

c. 1 N/1 md. 1 kg m2 / s2

13. Completa la tabella relativa alle unità di basefondamentali del SI:

GRANDEZZA fISICA UNITÀ SI SIMBOLO

Lunghezza metro m

massa

Tempo

Corrente elettrica

Temperatura

Intensità luminosa

Quantità di sostanza

TEST DI AUTOvERIfICA



1. quali, tra le seguenti grandezze, sono fonda-mentali e quali quelle derivate?a. massa = ...............................................................b. densità = ..............................................................c. tempo = ...............................................................d. energia = .............................................................

2. Trasforma ciascuno dei seguenti numeri deci-mali in notazione scientifica:a. 1500 = ..................................................................b. 0,07 = ...................................................................c. 358 = ....................................................................d. 0,00021 = .............................................................

3. Un corpo di massa pari a 10 kg è sottoposto aduna accelerazione gravitazionale di 3,5 m/s2.qual è la forza peso?..............................................................................

4. Calcola la densità di un corpo che ha una massadi 5x10-3 kg e occupa un volume di 100 cm3...............................................................................

5. Calcola la densità (in g/ml) di un corpo, la cuimassa è 12,7 g e il cui volume è 2,9 ml...............................................................................

6. La temperatura di un corpo è T = 300 K. A qualetemperatura espressa in °C si trova quel corpo?..............................................................................

7. Converti in gradi kelvin le seguenti tempera-ture:a. 50 °C = .................................................................b. 75 °C = .................................................................c. 80 °C = .................................................................d. –210 °C = .........................................................

8. Converti in gradi Celsius le seguenti temperature:a. 358 K = .................................................................b. 210 K = .................................................................c. 90 K = ...................................................................d. 110 K = .................................................................

9. Calcola la quantità di calore necessaria per por-tare 100 g di alluminio da 20 °C a 250 °C, sa-pendo che il suo calore specifico c è 0,215 cal/g°C. Applica la relazione: Q = m x c x (t

2–t

1)

..............................................................................

10. Calcola l’aumento della temperatura di 150 g diun liquido a cui vengono forniti 2000 J di calore,sapendo che il calore specifico c è 4,18 cal/g x°C. Applica la relazione: Q = m x c x (t

2–t

1)

..............................................................................

11. Un corpo di massa pari a 5 kg è sottoposto aduna accelerazione gravitazionale di 2 m/s2. qualè la forza peso?..............................................................................

12. quanti centimetri sono contenuti in 3,5 km? Ri-spondi usando la notazione scientifica...............................................................................

13. Secondo l’OMS (Orga-nizzazione Mondialedella Sanità) la pres-sione arteriosa minimaottimale è di 80 mmHg.Se a una persona hauna pressione minimadi 13.330 Pa, soffre di:a. ipotensioneb. ipertensionec. sta bene

14. Un libro ha una massa di 1200 g e le dimensionidella copertina sono rispettivamente 30 cm e 18cm. quale pressione esercita il libro appoggiatosopra il tavolo?..............................................................................

15. Completa le seguenti equivalenze:a. 1,5 m = …………………….… mmb. 4500 ms = …………………… sc. 7 hg = …………….....……….. mgd. 6300 mm = …………….…… cm

16. Calcola la densità del benzene sapendo che 170 goccupano un volume pari a 200 ml...............................................................................

17. Calcola la massa di una solu-zione che presenta un volume di0,5 L e una densità di 1,80 g/ml............................................................................................................

VERSo LE COMPETENZE



ORIZZONTALI2. Si determina calcolando il rapporto

tra la massa e il volume.3. È una grandezza fisica derivata.5. Sigla del sistema internazionale delle

unità di misura.7. Unità di misura della pressione nel

sistema internazionale.8. Esprime l'unità di misura dell'ener-

gia e del lavoro.

vERTICALI1. Scala assoluta della temperatura.4. È una grandezza fisica fondamentale.6. Energia trasferita in seguito ad una

differenza di temperatura.

1

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8

Trascrivi in italiano le parole delseguente testo:

SI base units

SI BASE UNIT

Base quantity Name Symbol

length meter m

mass kilogram kg

time second s

electric current ampere A

temperature kelvin K

amountof substance

mole mol

luminous intensity candela cd

vOCABOLARIO ITALIANO-INGLESE

ITALIANO INGLESE

Energia

Available

Densità

Measures

Pressione

Experimental method

Forza

Absolute error

Peso

Specific heat

Capacità termica

Scientific notation

The International System of Units (abbreviated SI from French: Le Système International d'Unités) is a globally agreed system ofunits, with seven base units.Formally agreed by the 11th General Conference on Weights and Measures (CGPM) in 1960, the SI is at the centre of all modern scienceand technology. The defnition and realisation of the base and derived units is an active research topic for metrologists with more precisemethods being introduced as they become available.

CRUCIvERBA

CHEmISTRY IN ENGLISH

m

SI

A

skg

molcd

Cerca sul vocabolario o in Internet i terminimancanti italiani e inglesi.



1Lo STUDIO DELLA CHIMICA, come di qual-siasi altra materia scientifica, si presentacomplesso perché avviene su tre livelli:

macroscopico, sub-microscopico e simbolico (me-diante uso di simboli, formule ed equazioni). La chi-mica è la scienza sperimentale che studia le pro-prietà della materia e la composizione delle sostanzeche costituiscono la materia e le trasformazioni chene modificano la natura.

2Il METODO SPERIMENTALE consiste inuna procedura di lavoro che consente lostudio dei fenomeni naturali secondo crite-

ri sistematici. ogni ipotesi di spiegazione dei fenome-ni riguardanti la materia viene verificata medianteesperimenti. La conoscenza scientifica si basa su leg-gi sperimentali e teorie che vengono continuamenteconfrontate con la comunità scientifica per verificarnela corrispondenza con la realtà.

3Il SISTEMA INTERNAZIONALE (SI) dellemisure, stabilito da convenzioni interna-zionali, si basa su sette grandezze fonda-

mentali (lunghezza, massa, tempo, corrente elettrica,

temperatura termodinamica, intensità luminosa,

quantità di sostanza) dalle quali si ricavano le gran-dezze derivate. Per misurare si utilizzano opportuneunità di misura.

4Le GRANDEZZE ESTENSIvE, come il vo-lume, la massa, il peso, la lunghezza el'energia, dipendono dalla dimensione del

campione, mentre quelle INTENSIvE, come la den-sità e la temperatura di ebollizione, ne sono indi-pendenti.∘ Il volume di un corpo corrisponde allo spazio che

lo stesso corpo occupa; si esprime in metri cubi(m3) o in litri (L).

∘ La massa di un corpo esprime la sua inerzia edè legata alla quantità di materia; la sua unità dimisura è il kilogrammo (kg).

∘ La densità è una grandezza derivata (rapporto tramassa e volume); la sua unità di misura è il kg/m3.

∘ La forza si manifesta quando un corpo modificail proprio stato di quiete o di moto; la sua unità dimisura è il Newton (N).

∘ Il peso (che non va confuso con la massa) misurala forza con cui la massa di un corpo è attratta dalcentro della Terra.

5L’energia si può definire come la capacitàdi un corpo di compiere lavoro o trasferirecalore. L’unità di misura dell’energia nel

Sistema Internazionale è il joule (J) che è definitocome il “lavoro effettuato da una forza lavoro di unnewton (N) lungo una distanza di un metro”. Tra lascala calorica ed il Joule esiste una facile equazionematematica di conversione: 1 kcal (chilocaloria) =4,184 kJ (chiloJoule).

6La temperatura è una grandezza cheesprime lo stato termico di un corpo, cioèla sua capacità di scambiare calore; si mi-

sura con il termometro e indica quanto un corpo ècaldo o è freddo. Le scale per la sua misurazionesono quella ufficiale del SI, la scala assoluta, cheutilizza come unità di misura il grado kelvin (K) equella Celsius, che utilizza il grado Celsius (°C). Trale due scale esiste la relazione: T(K) = t (°C) + 273,15.Il calore è energia che si trasferisce da un corpo atemperatura maggiore verso un corpo a temperaturaminore.

7La pressione è una grandezza intensivadefinita come il rapporto tra il modulo del-la forza agente ortogonalmente su una su-

perficie e la sua area: P = F/S. Nel SI l’unità di misu-ra della pressione è il pascal (Pa): 1 Pa = 1N/1m2.

8La NOTAZIONE SCIENTIfICA è un modoconciso di esprimere i numeri reali utiliz-zando le potenze intere di dieci, che pos-

sono essere positive o negative.Si tratta di una notazione molto utile per scriverenumeri grandissimi o piccolissimi. Con la notazionescientifica è possibile scrivere solo le cifre significa-tive senza sprecare spazio, e si rendono leggibili testiche trattano quantità molto grandi o molto piccolesenza riempirli di zeri.

MODULO 1 IN SINTESI

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INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE · 2016-12-23 · ∘ Il metodo sperimentale ... il fenomeno che osservi secondo l’applicazione del metodo sperimentale. 1 ... altre