TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica

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1 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ La densità è una grandezza che rappresenta la massa contenuta nell unità di volume [d] = S.I. g [d] = g L ml d = m V Unità di misura [d] = Kg m 3 [d] = g cm 3 [d] = g dm 3 P S = P V = m g V = d g g = accel. gravit. PESO SPECIFICO Il peso specifico è una grandezza che rappresenta il peso dell unità di volume P S = P V Unità di misura [P S ] = N m 3 S.I.

2 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ PESO SPECIFICO Spesso il termine peso specifico è usato impropriamente come sinonimo di densità e per questo si trova molto spesso indicato con le unità di misura: [P S ] = g P cm 3 [P S ] = Kg P L [P S ] = Kg P dm 3 g P : grammi peso 1 g P = 1 g (grammo massa) in condizioni di accelerazione di gravità standard

3 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ PESO SPECIFICO P S = P V = m g V = d g La differenza è numericamente trascurabile concettualmente importante: la densità è un rapporto tra una massa e un volume il peso specifico è un rapporto tra un peso (una forza) e un volume il peso specifico e la densità hanno il medesimo valore solo se ci si trova in un punto dove l'accelerazione di gravità è esattamente uguale alla gravità standard (g = 9,80665 m s - ²) È preferibile l'uso della densità

4 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ Grandezza Intensiva A pressione e temperatura costanti è una proprietà fisica delle sostanze d 1 = m V 0 d 2 = m V d 1 > d 2 d 1 = d 2 d 1 > d 2

5 DENSITÀ H 2 O TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica

8 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ RELATIVA La densità relativa definita come il rapporto tra la densità della sostanza considerata e la densità dell acqua distillata 4 C d rel = d d H O 2 Unità di misura d rel = densità relativa d = densità assoluta d H O = densità H 2 O (t=4 C) 2 ADIMENSIONALE

9 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica DENSITÀ DI ALCUNE SOSTANZE

14 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica MISURE DI DENSITÀ La densità può essere misurata con varie tecniche funzione di due fattori principali: Stato della materia solido, liquido, gassoso Strumentazione a disposizione bilancia, vetreria graduata, densimetro, picnometro

15 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica MISURE DI DENSITÀ LIQUIDI (TEMPERATURA) Per un liquido puro o una soluzione la densità è un parametro molto importante e può essere misurato con diverse tecniche: Determinazione diretta massa: bilancia volume: vetreria tarata (matraccio o pipetta) d = M T - M m V m Strumenti densimetro (o aerometro) picnometro P a = peso picnometro + liquido P b = peso picnometro + H 2 O distillata cost d 4 20 = P a - P c P b - P c d 4 20 (H 2 O) P c = peso picnometro vuoto e asciutto Sprengel-Ostwald

16 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica MISURE DI DENSITÀ SOLIDI (TEMPERATURA) I solidi presentano densità differenti che dipendono dal materiale di cui sono composti: Determinazione diretta massa: bilancia volume: decimetro, calibro vetreria graduata (cilindri, burette) per immersione in un liquido avente densità minore in cui il solido sia insolubile Strumenti d = M Bilancia idrostatica Metodo dei liquidi pesanti Picnometro P a = peso picnometro + H 2 O + solido P b = peso picnometro + H 2 O distillata P c = peso picnometro vuoto e asciutto P d = peso picnometro asciutto + solido V d 4 20 = d = M (V f - V i ) (P d - P c ) d 4 20 (H 2 O) (P b - P c ) - (P a - P d )

17 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica MISURE DI DENSITÀ RELATIVA CON PICNOMETRO Liquidi d rel = P a - P c P b - P c P a = peso picnometro + liquido P b = peso picnometro + H 2 O distillata P c = peso picnometro vuoto e asciutto Solidi d rel = P solido = (P d - P c ) (P solido + P b - P a ) P a = peso picnometro + H 2 O + solido P b = peso picnometro + H 2 O distillata P c = peso picnometro vuoto e asciutto P d = peso picnometro asciutto + solido

18 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica LA DIDATTICA DELLA DENSITÀ

19 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica

20 Che cos è una grandezza? Una grandezza è una quantità che può essere misurata con strumenti di misura. Note: Perché la bellezza non è una grandezza?

21 La misura di una grandezza Misurare una grandezza significa dire quante volte l unità di misura è contenuta nella grandezza. Qual è l unità di misura adottata nella foto di sinistra? E in quella di destra?

22 Il Sistema Internazionale di unità (1)

23 Il Sistema Internazionale di unità (2)

24 I prefissi

25 Regole di scrittura I simboli delle unità di misura: seguono il valore numerico; non devono mai essere seguiti da un punto; vanno scritti con la iniziale minuscola Per quanto riguarda l iniziale minuscola, fanno eccezione i prefissi M e G e i nomi di unità che derivano da nomi propri: per esempio W, l unità di misura della potenza, che sta per watt (da James Watt) oppure V, l unità di misura della differenza di potenziale, che sta per volt (da Alessandro Volta).

26 La lunghezza L unità di misura della lunghezza è il metro (m), definito come la distanza percorsa dalla luce, nel vuoto, in un intervallo di tempo pari a 1/ di secondo Il metro fu introdotto nel 1791, all epoca della rivoluzione francese, come la quarantamilionesima parte di un meridiano terrestre. Il metro «campione», costituito da una barra di platino-iridio, è conservata all Ufficio Internazionale di Pesi e Misure di Sèvres, vicino Parigi. Per quale ragione nel 1983 si decise di cambiare la definizione del metro? Perché un metro costruito con la definizione attuale in qualunque laboratorio del mondo ha sempre la stessa lunghezza?

27 Equivalenze di lunghezze Per fare un equivalenza tra due multipli o sottomultipli di lunghezza consecutivi occorre moltiplicare o dividere per dieci Cosa bisogna fare, per esempio, per passare dai chilometri ai metri? E dai metri ai centimetri? Si tratta di una regola generale, che vale per i multipli e sottomultipli delle unità di misura di qualsiasi grandezza.

28 Il volume L unità di misura del volume è il metro cubo (m 3 ), che è il volume di un cubo il cui lato è lungo 1 m: 1 m 3 = 1 m x 1 m x 1 m Per fare un equivalenza tra due unità di volume consecutive bisogna moltiplicare o dividere per 1000 Quanti cubi di lato 1 dm contiene un cubo di lato 1 m? Il volume ha le dimensioni fisiche di una lunghezza al cubo.

29 Il litro Un litro è uguale a un decimetro cubo: 1 L = 1 dm 3. Il litro è un unità di misura che non appartiene al Sistema Internazionale ed è spesso utilizzata per esprimere il volume dei liquidi e dei gas.

30 La massa La massa esprime la quantità di materia e si misura con la bilancia a bracci uguali La massa di un corpo è uguale al numero di unità di misura della massa che tengono in equilibrio la bilancia. Qual è la massa del ragazzo in base all unità di misura utilizzare per equilibrare la bilancia?

31 Il kilogrammo L unità di misura della massa è il kilogrammo (kg), definito come la massa di un cilindro di platino-iridio che si trova a Sèvres e ha l altezza e il diametro di 3,900 cm

32 La densità La densità d di un corpo è uguale al rapporto tra la sua massa m e il suo volume V. La densità d è direttamente proporzionale alla massa m e inversamente proporzionale al volume V La densità è una grandezza derivata. La densità ha le dimensioni fisiche di una massa divisa per una lunghezza al cubo.

33 Sabbia o segatura? Le due bottiglie hanno lo stesso volume: è più densa la sabbia (bottiglia a sinistra) o la segatura (bottiglia a destra)?

34 Equivalenze di densità Nel Sistema Internazionale la densità si misura in kg/m 3. Come si passa dall unità di misura g/cm 3 a quella del Sistema Internazionale, cioè kg/m 3?

35 Che cos è una grandezza? Grandezze fisiche Misure Grandezze fondamentali Operazioni tra grandezze Misure Dirette Misure Indirette Grandezze fondamentali del SI Lunghezza Massa Grandezze derivate Area Volume Densità Incertezza ed errori Cifre significative e arrotondamento Notazione scientifica

36 TFA 2015 Classe A060 Chimica Generale ed Inorganica Contenuti proposti nell unità: La materia e le sue proprietà (Esplorando, Volume A, La Materia, pp Esplorando Visual 1, pp. 7-34). La presentazione si propone di: definire che cosa è la materia e quali sono le sue caratteristiche operare una prima distinzione tra il concetto di massa e peso imparare come misurare la massa e il volume definire la densità e imparare a calcolarla

37 LE CARATTERISTICHE DELLA MATERIA o Che cosa è la materia? o o Tutto ciò che puoi vedere? Tutto ciò che puoi toccare?

38 Materia e spazio Quando il tuo zaino è pieno, non puoi aggiungere niente altro Tutto ciò che è materia occupa spazio Note: Qualcuno può osservare che, se lo zaino fosse più elastico, si potrebbero aggiungere altri oggetti. Ciò fornirebbe un interessante occasione per precisare che la materia occupa sempre spazio, ma vi sono sostanze che possono essere compresse o espanse (corpi con volume indefinito).

39 Materia e massa Alcuni zaini sono più pesanti altri meno Poco o tanto, tutti pesano, perché hanno una certa massa. La massa è una proprietà della materia che influenza il suo peso. Note: Una seconda caratteristica fondamentale della materia è quella di possedere una massa. Per far comprendere questo concetto ai ragazzi si potrebbe aggiungere il seguente esempio: dopo aver pesato una mela, il suo peso cambia se viene fatta a pezzi? No, il suo peso non cambia anche se la sua forma è cambiata. La quantità di materia (cioè la massa) di cui è fatta è rimasta la stessa: per questo il suo peso è rimasto invariato.

40 Massa e peso Attenzione: massa e peso non sono la stessa cosa! Sulla Terra, il peso e la massa di questi astronauti sono uguali Nello spazio, gli astronauti hanno peso quasi nullo, ma conservano la loro massa Note: La massa indica la quantità di materia di cui è formato un corpo, mentre il peso indica la forza con cui questo corpo viene attratto dalla Terra. Per spiegare questo concetto è significativo l esempio dell astronauta: nello spazio ha un peso quasi nullo perché la Terra è così lontana che non lo attrae più; tuttavia mantiene tutta la sua massa, cioè la quantità di materia che lo compone.

41 In sintesi MATERIA È TUTTO CIÒ CHE: occupa spazio ha massa Note: Potrebbe essere interessante chiedere ai ragazzi come fanno a individuare la materia utilizzando i loro sensi: per esempio, attraverso la vista possono vedere la materia che costituisce una nuvola, oppure possono toccare quella che forma un albero, sentire sulla pelle l aria che si muove al soffiare del vento o sentire l odore del gas che esce dai fornelli.

42 Le caratteristiche della materia La materia possiede proprietà fisiche definite da grandezze fisiche volume massa densità Note: A questo punto della lezione si potrebbe dare una prima definizione di grandezza fisica intesa come proprietà misurabile. Sono misurabili tutte le caratteristiche oggettive di un corpo che possono essere definite con precisione. Esempi di grandezze fisiche sono: la lunghezza, la massa e il volume.

43 Il volume Il volume di un corpo è la quantità di spazio da esso occupata Per misurare e confrontare il volume dei corpi le unità di misura utilizzate sono il metro cubo (m 3 ) e il litro (L) Note: Il volume di un liquido, come l acqua o il latte, si misura versandolo in un recipiente graduato detto cilindro graduato. Il volume di un solido si misura, invece, per immersione. Se si vuole misurare il volume di un corpo dalla forma non ben definita, per esempio un sasso, versare in un cilindro graduato un bicchiere d acqua e prendere nota del suo volume. Mettere poi il corpo nel cilindro in modo che sia completamente coperto dall acqua e prendere nota del livello raggiunto ora da quest ultima. Il volume del corpo sarà dato dalla differenza del volume finale e dal volume iniziale dell acqua: V corpo = V finale acqua V iniziale acqua

44 Il volume Calcolo del volume di un solido mediante formule geometriche. Misura del volume di un solido di forma irregolare: V = V f - V i

45 La massa La massa di un corpo è la quantità di materia che lo compone Si misura utilizzando la bilancia a bracci uguali, per confronto con l unità di misura: il kilogrammo (kg) Note: Verso la fine del Settecento Isaac Newton affermò che la massa è la quantità di materia presente in un corpo. Questa definizione, accettabile dal punto di vista intuitivo, non esaurisce però il concetto di massa. I fisici, infatti, nel corso degli anni hanno elaborato più definizioni della grandezza massa, derivandole dai fenomeni che stavano osservando. Oggi, quindi, esistono diverse accezioni di questa grandezza, tutte ragionevolmente valide. Come spunto per un attività di ricerca si potrebbe proporre ai ragazzi di documentarsi sulle altre definizioni di massa date dagli scienziati nel corso degli ultimi secoli.

46 Come si usa la bilancia Per misurare la massa di un oggetto occorre metterlo su un piatto della bilancia e appoggiare sull altro un numero di pesi-campione adeguato perché la bilancia sia in equilibrio Nel caso illustrato, la massa del sasso è pari a 2 kg. Note: Si consiglia di precisare che le bilance più diffuse sono in realtà dinamometri: la misura che se ne ottiene riguarda quindi il peso e, solo indirettamente, la massa.

47 Più grande = più pesante? Osserva: un arancia è più grande e pesa di più rispetto a un limone Ma ciò sarebbe ancora vero se il limone fosse fatto di ferro? Note: A partire dall osservazione di due oggetti conosciuti, si può iniziare a introdurre il concetto di densità, facendo riflettere i ragazzi sul fatto che non sempre maggiore volume significa anche maggiore massa. A questo proposito si possono moltiplicare gli spunti di riflessione, considerando fissa la variabile volume e modificando la densità. Per esempio, pesa di più un cucchiaio di acciaio o un cucchiaio di plastica? Un litro di aria o un litro di latte? Un litro di farina o un litro d acqua? Le ipotesi potranno essere annotate e poi sottoposte a verifica sperimentale.

48 Un altro confronto Questi due cubi hanno la stessa massa, ma volumi differenti: uno è di ferro e l altro è di polistirolo Note: In questo caso occorre ragionare tenendo fissa la variabile massa. Per esempio, si può chiedere: è più voluminoso un kilogrammo di farina o un kilogrammo di acqua? Un kilogrammo di gomma piuma o un kilogrammo di legno? Anche in questo caso si possono registrare le varie ipotesi, rimandando a una successiva verifica sperimentale.

49 La densità Queste differenze si spiegano perché materiali diversi hanno diversa densità. La densità è una grandezza fisica data dal rapporto tra la massa e il volume: Viene espressa in d = m : V kilogrammi su decimetro cubo (kg/dm 3 ) grammi su centimetro cubo (g/cm 3 ) Note: Per far comprendere meglio il concetto di densità si suggerisce di iniziare dall osservazione della fotografia. Si potrebbe domandare ai ragazzi perché, secondo loro, gli ingredienti della bevanda non si mescolano. Ogni ingrediente è formato da una sostanza diversa, ed è caratterizzato da una densità specifica. L ingrediente con densità maggiore si dispone sul fondo, e così via via gli altri fino a quello con densità minore. Si suggerisce di far notare che le unità di misura della densità sono il rapporto di kg (unità della massa) e dm 3 (unità del volume); infine, è opportuno anche far notare che la linea di frazione può essere indicata con il simbolo della sbarra / d = m/v

50 Qualche esempio SOLIDI Ferro 7,96 g/cm 3 Oro 19,3 g/cm 3 LIQUIDI Acqua 1 g/cm 3 Olio di oliva 0,92 g/cm 3 GAS Aria 0,0013 g/cm 3 Anidride carbonica 0,00196 g/cm 3 Note: I dati riportati nella slide possono essere spunto per una discussione: che cosa succede se versiamo dell olio di oliva in un bicchiere pieno di acqua. Perché? Perché l aria, che è fatta anche di anidride carbonica, ha una densità minore rispetto all anidride carbonica stessa? Potrebbe essere interessante proporre ai ragazzi, come attività di approfondimento, di cercare i valori della densità di sostanze a loro familiari, per esempio il latte, l alcol utilizzato per disinfettare, l acqua del mare, il vetro, ecc.

51 Qualche esempio Volumi uguali di sostanze diverse hanno massa diversa

52 Qualche esempio

53 Qualche esempio

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