Com è fatto Invito alla natura

Transcript

1 om è fatto Invito alla natura ome si presentano i contenuti Invito alla natura è suddiviso in unità. In ogni apertura di unità sono esplicitati i contenuti trattati e gli obiettivi. Icone come questa identificano i vari materiali disponibili ON LINE. La spiegazione degli argomenti è facilitata dalla forte integrazione di testo e immagini. II Il checkpoint consente di verificare lʼapprendimento dei concetti fondamentali.

2 Gli aiuti allo studio Le definizioni e i concetti principali sono messi in evidenza per rendere più immediata la memorizzazione. I mathlink sono semplici attività di collegamento con la matematica. Gli zoom approfondiscono gli argomenti di particolare interesse. La zona lab propone attività di laboratorio, di semplice realizzazione in classe, funzionali alla spiegazione e allʼapprofondimento. I glossari spiegano più a fondo termini specifici dei vari ambiti tematici e contribuiscono allʼacquisizione del lessico disciplinare. III

3 Le tavole illustrate La motivazione allo studio e allʼapprendimento è favorita dalla presenza di grandi tavole disegnate. IV

4 Le schede pluridisciplinari Alla fine dellʼunità sono inserite schede di approfondimento che trattano argomenti di carattere pluridisciplinare, incentrate su temi relativi alla ricerca scientifica, allʼeducazione alla salute e al rispetto dellʼambiente. Scienza e tecnologia Scienza e salute Scienza e ambiente Scienza e storia V

5 Il laboratorio Al termine dellʼunità la zona lab propone su più pagine attività di laboratorio collegate ai contenuti trattati. VI

6 Per il ripasso e la verifica Lʼunità si chiude con attività per lʼaiuto allʼapprendimento e alla memorizzazione e per la verifica. La sintesi dei contenuti di ciascuna unità è proposta come testo da completare per stimolare il ripasso attivo dei contenuti. Le verifiche sono organizzate in sapere (che cosa so) e in saper fare (che cosa so fare). Il percorso operativo si conclude con la mappa dei concetti. VII

7 Indice Per ogni unità del libro troverai materiali ON LINE U1 Prima di cominciare... Il metodo scientifico 2 1. Dall osservazione alla scoperta 3 2. ome si applica il metodo scientifico 4 3. Unità e strumenti di misura 6 I prefissi delle unità di misura 8 4. L analisi dei dati 9 5. La rappresentazione dei dati 10 Il peso specifico 12 Uso ragionato degli strumenti di misura 13 XIV Sintesi attiva 14 Verifica 15 Mappa dei concetti 17 U2 U3 Gli stati della materia Sostanze, atomi, molecole I tre stati della materia I solidi I liquidi 22 La capillarità I gas 24 Quanto pesa l aria? 25 Una bottiglia vuota è piena d aria 25 Scienza e... TENOLOGIA Un aiuto da acqua e gas 26 Scienza e... AMBIENTE Gli spray con propellente 27 Scienza e... STORIA Atomi e materia 28 I cristalli di sale 29 Le gocce di un liquido 29 Solido o fluido? 30 Fare il vuoto in una siringa 30 Sintesi attiva 31 Verifica 32 Mappa dei concetti 33 La temperatura, il calore e i cambiamenti di stato La temperatura e il calore Misurare la temperatura La dilatazione termica 38 La dilatazione termica dei solidi 38 La dilatazione termica dei liquidi 39 Il comportamento anomalo dell acqua 40 Il palloncino nel frigorifero La propagazione del calore 41 I moti convettivi nell acqua I cambiamenti di stato 44 VIII

8 A_I-XXI_Romane.qxd: A_I-XXI_Romane U :10 Pagina IX L evaporazione dell alcol e dell acqua ome percepiamo la temperatura Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti Introduzione alla chimica I miscugli eterogenei 2. I principali tipi di miscugli eterogenei 3. ome separare i componenti di un miscuglio eterogeneo 4. Le soluzioni o miscele omogenee ome separare l acqua dal sale: la distillazione 5. Reazioni chimiche e trasformazioni fisiche 6. Gli elementi e i composti I più importanti elementi naturali 7. La struttura dell atomo Le proprietà elettriche della materia Modelli di atomi Scienza e... STORIA Dall alchimia alla chimica La formazione del caramello La cottura di un uovo L albume montato a neve Gli isotopi 8. La tavola periodica degli elementi 9. La grammatica delle molecole iascun composto ha un nome e una formula chimica U Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti La chimica generale La regola dell ottetto 2. I legami chimici Le forze elettriche 3. I legami covalente, ionico e metallico 4. Le reazioni chimiche 5. Le leggi delle reazioni chimiche 6. Gli ossidi Anche l acqua è un ossido 7. Gli acidi e le basi Scienza e... SALUTE Attenzione ad acidi e basi L ossido di rame ome preparare l ossigeno ome verificare che l ossigeno favorisce la combustione L anidride solforosa Misuriamo il p di tre liquidi Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti IX

9 A_I-XXI_Romane.qxd: A_I-XXI_Romane U :11 Pagina X La chimica organica 1. Il carbonio e i suoi composti 2. L atomo del carbonio Il carbonato di calcio 3. Gli idrocarburi La combustione del metano 4. I carboidrati Gli alcoli e gli acidi carbossilici 5. I grassi 6. Le proteine Gli amminoacidi essenziali Il test dell amido Il sapone scioglie il grasso Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U7 Il moto dei corpi 1. Osservare, misurare, prevedere il moto 2. La traiettoria 3. La relatività del moto Nulla è veramente fermo nell Universo! 4. La velocità 5. Il moto rettilineo uniforme Il grafico del moto rettilineo uniforme Veloci per natura, veloci per scelta 6. L accelerazione 7. Il moto dei corpi in caduta libera orpi in caduta libera Il grafico del moto vario Scienza e... STORIA Il principio di relatività Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U8 L equilibrio dei corpi e le leve 1. he cos è una forza 2. La misura delle forze I dinamometri digitali 3. La somma delle forze 4. Il baricentro 5. L equilibrio dei corpi L equilibrio del corpo umano X Facile, anzi impossibile!

10 A_I-XXI_Romane.qxd: A_I-XXI_Romane :11 Pagina XI 6. Le leve 7. I tre generi di leva Scienza e... TENOLOGIA La torre di Pisa ome si trova il baricentro di una figura piana irregolare Il baricentro di un automobile Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U9 Le forze nei fluidi 1. La pressione 2. La pressione nell aria e nell acqua Scarpe e racchette da neve 3. La legge di Stevin 4. Il principio di Pascal 5. Il principio di Archimede e il galleggiamento ome si misura la spinta idrostatica Il galleggiamento delle navi I vasi comunicanti Una goccia d olio galleggia nell acqua e affonda nell alcol Scienza e... STORIA Il principio di Bernoulli Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U10 Le tre leggi del moto 1. Forze e movimento Isaac Newton e le leggi del moto 2. La prima legge del moto L inerzia sui mezzi di trasporto L attrito in bicicletta 3. La seconda legge del moto 4. La terza legge del moto Il palloncino che vola a reazione Applicazioni della terza legge del moto Scienza e... TENOLOGIA Se non ci fosse l attrito! L inerzia della trottola Le monete sull automobilina Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti XI

11 A_I-XXI_Romane.qxd: A_I-XXI_Romane U :12 Pagina XII Il lavoro e l energia 1. Il lavoro 2. ome si misura il lavoro 3. La potenza 4. Energia e lavoro 5. L energia cinetica 6. L energia potenziale 7. Le trasformazioni dell energia 8. La conservazione dell energia meccanica 9. Il calore aloria o joule? 10. alore e lavoro La girandola La corsa dei barattoli Una macchina termica: la caffettiera moka Scienza e... STORIA Una formula molto famosa Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U12 Le onde sonore 1. Il mondo delle onde 2. Onde trasversali e onde longitudinali 3. I suoni La velocità del suono 4. Altezza, intensità e timbro 5. La riflessione del suono e l eco Il sonar 6. La risonanza acustica Scienza e... STORIA Pitagora e le note Scienza e... TENOLOGIA L auto supersonica ome mostrare le vibrazioni del diapason Un concerto di bicchieri Sintesi attiva Verifica Mappa dei concetti U13 L elettricità e il magnetismo 1. Le cariche elettriche 2. L elettrizzazione L elettrizzazione per strofinio 3. La corrente elettrica 4. I componenti del circuito elettrico ollegamenti in serie e in parallelo XII ostruiamo una pila elettrica

12 5. La resistenza elettrica e le leggi di Ohm Il magnetismo Le forze tra i poli magnetici Il campo magnetico 228 Polo nord o polo sud? 229 È un magnete o no? Elettricità e magnetismo Le onde elettromagnetiche 232 Scienza e... SALUTE I pericoli dell elettricità 234 Scienza e... TENOLOGIA L effetto Joule 236 Scienza e... TENOLOGIA La levitazione magnetica 237 Un elettroscopio fatto in casa 238 Le forze elettriche agiscono persino sull acqua! 239 Misuriamo la resistenza del corpo umano 239 ome costruire un elettrocalamita 240 Sintesi attiva 241 Verifica 242 Mappa dei concetti 245 U14 La luce Luce e buio La propagazione della luce La riflessione della luce 250 La formazione delle immagini virtuali 252 Specchi concavi e specchi convessi La rifrazione della luce Le lenti 254 Immagine reale o virtuale? La luce e i colori Infrarosso e ultravioletto 258 Il Sole è un amico o un nemico per la pelle? 258 Scienza e... TENOLOGIA La luce laser 259 ome vedere un raggio di luce laser 260 ome toccare una candela senza bruciarsi 260 Un trucco con la rifrazione 261 I dischi di Maxwell 261 Sintesi attiva 262 Verifica 263 Mappa dei concetti 265 XIII

13 U6 La chimica organica contenuti obiettivi 1. Il carbonio e i suoi composti 2. L atomo del carbonio 3. Gli idrocarburi 4. I carboidrati 5. I grassi 6. Le proteine onoscere la differenza fra la materia inorganica e la materia organica Sapere qual è l elemento fondamentale dei composti organici Riconoscere i principali composti organici e i modelli delle loro molecole omprendere l importanza dei composti organici naturali e artificiali per la vita e per l uomo

14 U6 La chimica organica 1. Il carbonio e i suoi composti omposti organici e composti inorganici Le piante, gli animali e i microrganismi sono capaci di produrre da sé molti composti chimici indispensabili per la loro vita: zuccheri, amidi, cellulosa, vitamine, proteine, grassi, DNA. Queste sostanze si chiamano composti organici proprio perché derivano da organismi viventi. Le sostanze di origine minerale invece, che non hanno mai avuto vita, sono formate da composti inorganici. Fra queste troviamo, per esempio, le rocce, l acqua, i metalli. he cosa hanno in comune tutte le sostanze organiche che le distingue da quelle inorganiche? I chimici hanno stabilito un criterio generale per identificare le sostanze organiche: tutti i composti organici contengono carbonio. Questo criterio però ha alcune eccezioni: l anidride carbonica, la grafite, i diamanti e pochi altri materiali, pur essendo a base di carbonio, sono considerati inorganici. La chimica organica è quella parte della chimica che studia i composti del carbonio. Si chiama così perché a questo gruppo di composti appartengono anche le sostanze prodotte dagli organismi viventi durante il loro ciclo vitale. Dalla chimica organica e dalla fisiologia è nata nel ventesimo secolo la biochimica, una scienza che si propone di spiegare a livello molecolare i fenomeni della vita. Le sostanze organiche naturali e quelle sintetiche Oggi conosciamo circa 6 milioni di composti organici. La più piccola molecola organica è quella del gas metano ( 4 ), formata da un solo atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno. Le più grandi molecole organiche possono contenere fino a centinaia di migliaia di atomi. Le sostanze organiche possono essere naturali o sintetiche. Le sostanze organiche sintetiche non esistono in natura ma sono create dall uomo nei laboratori scientifici o nelle industrie. Fra queste troviamo per esempio le plastiche, gli inset tici di, molti profumi e aromi e farmaci di sintesi, come gli antibiotici. Le sostanze organiche naturali provengono dai processi biologici degli organismi viventi. Fra queste troviamo per esempio il petrolio, l alcol, il sapone, molti profumi e aromi e l acido salicilico, che è un farmaco ricavato dalla corteccia del salice. Noi stessi, come tutti gli esseri viventi, siamo formati principalmente da composti organici naturali, così come i cibi di cui ci nutriamo. EKPOINT Qual è la caratteristica comune di tutte le sostanze organiche? Di che cosa si occupa la chimica organica? LA MATERIA E L ENERGIA 95

15 2. L atomo del carbonio guscio interno guscio esterno elettrone + protone neutrone Quasi tutti gli atomi sono capaci di formare soltanto piccole molecole. Già conosci, per esempio, la molecola dell acqua ( 2 O) e quella dell acido cloridrico (l). Tuttavia in natura esiste un elemento che può formare molecole di centinaia, migliaia o addirittura milioni di atomi: è l atomo del carbonio. Gli atomi di carbonio infatti hanno la capacità di legarsi fra loro formando lunghe catene o anelli ai quali possono unirsi atomi di altri elementi. L atomo del carbonio () possiede 6 elettroni disposti su due strati. I 4 elettroni che si trovano nel guscio esterno formano i legami covalenti. Due atomi di carbonio uniti con un legame covalente. Ricorda che il legame covalente è un legame chimico nel quale gli atomi che si uniscono condividono una o più coppie di elettroni. Nei composti organici, oltre al carbonio, troviamo di solito atomi di idrogeno. Molti composti contengono anche ossigeno e azoto. Più raramente sono presenti zolfo, cloro e altri elementi. Unendosi fra loro e legandosi ad altri elementi, come l idrogeno, l ossigeno e l azoto, gli atomi di carbonio possono formare una varietà infinita di molecole organiche, come gli zuccheri, i grassi, le proteine e il DNA. È forse questo il motivo per cui il carbonio in natura è la base della struttura chimica degli esseri viventi e per cui l uomo lo ha scelto per fabbricare le sostanze sintetiche. I diamanti e la grafite Due sostanze che sicuramente conosci, sono formate soltanto da atomi di carbonio: si tratta del diamante e della grafite. I diamanti e la grafite sono sostanze inorganiche, perché nessun composto organico è costituito esclusivamente da carbonio. atomo di carbonio LA MATERIA E L ENERGIA La struttura molecolare del diamante. I diamanti sono enormi cristalli di carbonio puro. La loro struttura è molto solida e compatta perché ogni atomo è legato ad altri quattro con un legame covalente. Il diamante, infatti, è il materiale più duro che si trova in natura. La struttura molecolare della grafite. La grafite è un solido fragile e friabile, tanto che si può usare per scrivere: la mina della matita infatti non è altro che un bastoncino di grafite! Nella grafite, gli atomi di carbonio sono uniti fra loro in modo da formare degli strati, che possono scivolare l uno sull altro rendendo fragile la sua struttura. 96

16 U6 La chimica organica I gruppi principali di composti organici I composti organici si possono raggruppare in una decina di grandi gruppi con proprietà chimiche simili. I più importanti sono: gli idrocarburi, che comprendono il metano, i solventi e le materie plastiche; i carboidrati o zuccheri, importanti come fonte energetica, che comprendono gli zuccheri semplici e i polisaccaridi, come l amido, il glicogeno e la cellulosa; gli alcol e gli acidi carbossilici, come l alcol contenuto nel vino e l acido acetico; i grassi o lipidi, composti utilizzati come riserva energetica negli animali e nei semi delle piante, e per la preparazione di detergenti e saponi; le proteine, che costituiscono i mattoni di cui sono fatti tutti gli organismi viventi. EKPOINT on quale tipo di legame chimico l atomo del carbonio si lega ad altri atomi? La farina di grano contiene sostanze organiche? Quali sono i principali gruppi di composti organici? Il carbonato di calcio Il carbonato di calcio (ao 3 ), meglio noto come calcare, è il principale componente di molte rocce che utilizziamo nella costruzione delle nostre case, come il marmo, la dolomite e il travertino. Si trova inoltre disciolto nell acqua potabile e causa quelle fastidiose incrostazioni nelle lavatrici e nelle lavastoviglie. Il calcare contiene carbonio, dunque è un composto organico. Da dove deriva? Dall attività chimica di organismi viventi come le lumache, i molluschi marini, i coralli. Le conchiglie dei molluschi e le parti dure dei coralli sono ricche di carbonato di calcio. Quando questi organismi muoiono e si decompongono, il carbonato di calcio si accumula e forma depositi immensi che col passare del tempo si trasformano in roccia. Il carbonato di calcio infine è un integratore alimentare che aiuta a rinforzare le ossa soprattutto nelle persone anziane. Rocce dell isola Faro, in Svezia. LA MATERIA E L ENERGIA 97

17 3. Gli idrocarburi Gli idrocarburi sono i più semplici composti organici poiché contengono soltanto carbonio e idrogeno, in diverse proporzioni e combinazioni. LA MATERIA E L ENERGIA La rappresentazione tridimensionale mostra che la molecola di metano ha la forma di una piramide, con il carbonio al centro e gli idrogeni sui vertici. Possiamo suddividerli in tre gruppi, in base allo stato fisico in cui si trovano in natura. Idrocarburi gassosi, come il metano, il propano e il butano. Idrocarburi liquidi, il più importante dei quali è il petrolio da cui si ricavano combustibili come la benzina e il gasolio, moltissime materie plastiche, fibre tessili, solventi e lubrificanti. Idrocarburi solidi o plastici, come l asfalto e il bitume, la naftalina e la paraffina. Gli idrocarburi e i loro derivati hanno un enorme importanza economica e sociale perché da essi si ricava energia e una varietà incredibile di materiali per costruire oggetti che utilizziamo ogni giorno. Perfino quando mastichiamo una gomma stiamo in realtà masticando degli idrocarburi! Infatti, la gomma da masticare, così come i pneumatici delle automobili e i materassi in lattice, si fabbricano a partire dalla gomma naturale, un idrocarburo prodotto dall evea brasiliensis, l albero della gomma. Il metano Il metano ( 4 ) è un gas infiammabile che si usa comunemente per alimentare i fornelli e per il riscaldamento domestico. Il metano è inodore quindi, per ragioni di sicurezza, le aziende distributrici immettono nel gas una sostanza chiamata odorizzante che gli fornisce il tipico odore di gas, che deve sempre metterci in allerta. Infatti anche una piccola fuga di gas può essere molto pericolosa, perché in un ambiente dove c è un alta concentrazione di metano basta una piccola scintilla per provocare una forte esplosione. Nelle miniere di carbone spesso si forma il grisù, una miscela esplosiva di aria e metano. Le esplosioni di grisù hanno causato gravissimi incidenti minerari negli Stati Uniti e in Europa nei molecola di metano: 4 La formula di struttura mostra che l atomo di carbonio si lega a quattro atomi di idrogeno con legami covalenti semplici. primi decenni del Novecento. Ancora oggi, soprattutto in alcune miniere cinesi, avvengono disa strose esplosioni di questo gas. In natura, il metano è prodotto da particolari batteri del suolo, detti batteri metanogeni, che degradano la materia organica in decomposizione, come resti di animali e piante. Il metano che utilizziamo oggi deriva da giacimenti sotterranei che si sono formati milioni di anni fa. Si tratta di antichissime foreste e paludi che sono state seppellite e poi degradate dai batteri metanogeni. 98

18 U6 La chimica organica La combustione del metano Il metano è un ottimo carburante poiché produce una notevole quantità di energia sotto forma di calore. Bruciando una molecola di metano con due molecole di ossigeno si forma una molecola di O 2 (anidride carbonica), due molecole di 2 O (acqua) e si libera una certa quantità di calore: 4 2O 2 O O energia termica metano ossigeno anidride acqua carbonica Dalla combustione di un metro cubo di metano a pressione atmosferica si ottengono circa 36 Mj (milioni di joule), pari a 8940 Kcal. Attenzione: la combustione completa del metano avviene soltanto se c è ossigeno in abbondanza e la fiamma ha un bel colore azzurro vivo. Se invece la fiamma è giallo-arancione significa che l ossigenazione è scarsa e si possono produrre sostanze inquinanti come il monossido di carbonio (O) e il metanolo ( 3 O). ombustione completa del metano: la fiamma è azzurro vivo. ombustione incompleta del metano: la fiamma è giallo arancione. Il petrolio scheda ON LINE Le fonti di energia Il petrolio è una miscela di idrocarburi che si presenta come un liquido infiammabile, oleoso e generalmente di colore scuro. È chiamato anche oro nero per la sua importanza economica e per il suo colore. Metano e petrolio si chiamano combustibili fossili, perché derivano dalla trasformazione di foreste preistoriche. Il petrolio, come il metano, infatti si è formato milioni di anni fa dalla decomposizione di foreste sepolte. Il legno di queste foreste, a causa dell enorme pressione, del calore e forse anche per l intervento di microrganismi, si è lentamente trasformato in petrolio. Il petrolio si estrae dai giacimenti sotterranei per mezzo di enormi trivelle, che perforano il suolo fino alla profondità di 6-7 mila metri. Una volta estratto, il petrolio greggio viene distillato con un procedimento chiamato raffinazione, per ottenere diversi composti come la benzina, il cherosene, il gasolio e gli oli lubrificanti. La benzina è molto pericolosa perché basta una semplice scintilla per farla infiammare se non addirittura esplodere. Purtroppo nei motori delle automobili la combustione della benzina non è mai completa quindi, come abbiamo già visto 99

19 NO X O N 2 O2 per il metano, si produce il terribile monossido di carbonio assieme 2 O ad altre sostanze inquinanti. Per evitare che tali sostanze si diffondano nell aria, le automobili sono dotate di marmitta catalitica. Nella marmitta catalitica, i gas di scarico passano attraverso centinaia di piccoli tubi ricoperti da un sottile strato di metalli catalizzatori, come il palladio, il rodio e il platino. Questi metalli favoriscono le reazioni chimiche che trasformano gli agenti inquinanti, come monossido di carbonio (O), ossidi di azoto (NO X ) e idrocarburi incombusti (), in composti innocui, cioè anidride carbonica (O 2 ), azoto (N 2 ) e acqua ( 2 O). Monomeri e polimeri Quasi tutti gli oggetti di plastica che usiamo ogni giorno derivano da quattro prodotti chimici di base, a loro volta derivati dal petrolio: l etilene, il propilene, il butadiene e lo stirene. legame doppio Per capire come nasce una plastica partiamo per esempio dalla molecola dell etilene. Essa è formata da 2 atomi di carbonio e 4 atomi di idrogeno, perciò la sua formula è 2 4.I due atomi di carbonio si legano fra di loro con un legame covalente doppio. Se si legano chimicamente tante molecole di etilene in una lunga catena, si ottiene il polietilene (PE), una plastica utilizzata per costruire contenitori, tubi, sacchetti, guanti, caschi e giocattoli. LA MATERIA E L ENERGIA EKPOINT Quali sono i tre gruppi di idrocarburi? he cos'è il metano? he cos'è il petrolio? Perché il metano e il petrolio si chiamano combustibili fossili? he cos'è un polimero? Nel linguaggio dei chimici, l etilene è un monomero mentre il polietilene è un polimero. on il termine polimero si indica un composto organico formato dalla ripetizione di una stessa molecola di base, che prende il nome di monomero. Accanto ai polimeri sintetici esistono diversi polimeri naturali, prodotti prevalentemente dalle piante. Per esempio la gomma ottenuta dal lattice è un polimero naturale, composto da molte unità di un idrocarburo chiamato isoprene. La differenza fra un polimero naturale e uno sintetico sta nel fatto che, mentre il primo è biodegradabile, il secondo è un materiale completamente estraneo al mondo vivente e non è biodegradabile cioè non può essere demolito dagli organismi decompositori. Per questo si dice che la plastica è indistruttibile. Soltanto i raggi ultravioletti della luce solare sono in grado di decomporre naturalmente un oggetto di plastica rompendo le catene polimeriche. Tuttavia tale decomposizione avviene in molti anni e quindi i rifiuti in plastica costituiscono un grave inquinamento ambientale. Possiamo ridurre tale inquinamento attraverso la raccolta differenziata e il riciclaggio. 100

20 U6 La chimica organica 4. I carboidrati Gli scienziati usano la parola carboidrati per indicare gli zuccheri. Lo zucchero più importante sulla Terra è il glucosio. Lo producono i vegetali con la fotosintesi e lo utilizzano tutti gli organismi per ricavarne energia attraverso la respirazione cellulare. Anche tu, quando mangi una fetta di torta o un bel piatto di pastasciutta, stai facendo il pieno di energia. Infatti lo zucchero contenuto nella torta e l amido della farina sono carboidrati. I carboidrati sono composti organici formati da carbonio, ossigeno e idrogeno in proporzioni ben definite. Il glucosio e il fruttosio La formula chimica del glucosio, 6 12 O 6, ci rivela che la sua molecola è formata da 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno. Partendo da questa formula possiamo scriverne un altra che vale per tutti i carboidrati, in cui n è il numero di atomi di carbonio: n 2n O n ome vedi dalla formula, nei carboidrati il rapporto fra gli atomi di idrogeno e ossigeno è sempre di 2 a 1, come nell acqua, infatti i carboidrati hanno questo nome perché sembrano contenere una molecola d acqua per ogni atomo di carbonio. I carboidrati si chiamano anche saccaridi. Il glucosio è un monosaccaride, cioè uno zucchero formato da molecole singole. Un altro importante monosaccaride è il fruttosio, contenuto in abbondanza nei frutti. carbonio ossigeno idrogeno Modello della molecola di glucosio. Per semplicità, la molecola del glucosio si può rappresentare con un semplice esagono. Rappresentazione simbolica di una singola molecola di glucosio. I monosaccaridi sono carboidrati formati da molecole singole. Il saccarosio e il lattosio Lo zucchero da tavola, che si chiama saccarosio, è un disaccaride (zucchero doppio), cioè la sua molecola è composta dall unione di due monosaccaridi, il glucosio e il fruttosio. Un altro disaccaride molto comune si trova nel latte: è il lattosio, composto da galattosio e glucosio. I disaccaridi sono carboidrati formati dall unione di due diverse molecole di monosaccaridi. Due molecole di zucchero legate chimicamente formano un disaccaride. LA MATERIA E L ENERGIA 101

21 L amido, il glicogeno e la cellulosa I polisaccaridi sono carboidrati formati dall unione di moltissime molecole di monosaccaridi. L amido, il glicogeno e la cellulosa sono tre diversi carboidra - ti formati dalla ripetizione di migliaia di molecole di glucosio. Struttura ramificata e avvolta a elica della molecola di amilopectina, un tipo di amido. Ogni esagono rappresenta una molecola di monosaccaride. L amido è un polisaccaride formato da lunghissime catene ramificate di glucosio. Le piante utilizzano l amido come vera e propria riserva di glucosio: quando la fotosintesi è molto attiva e il glucosio è abbondante, quello che avanza viene trasformato in amido. Quando invece il glucosio scarseggia, le cellule vegetali possono rompere le catene di amido e liberare glucosio con il quale produrre energia. L uomo sfrutta abbondantemente l amido delle piante come cibo: la farina, la pasta, le patate, il riso e molti altri prodotti vegetali sono a base di amido, che ci fornisce più della metà dei carboidrati che mangiamo ogni giorno. Il glicogeno è un polisaccaride presente nelle cellule animali e nei mammiferi. È particolarmente abbondante nei muscoli e nel fegato. ome l amido, il glicogeno è formato da lunghe catene ramificate di glucosio, che viene trasformato in glicogeno per essere immagazzinato. Quando l organismo ha bisogno immediato di zuccheri, per esempio durante un digiuno o a causa di uno sforzo intenso, il glicogeno viene demolito per dare nuovamente glucosio. Il glicogeno funziona quindi da riserva di glucosio negli organismi animali, esattamente come l amido per le piante. LA MATERIA E L ENERGIA EKPOINT he cosa sono i carboidrati? he cos è il glucosio? he cosa sono i monosaccaridi, i disaccaridi e i polisaccaridi? Spiega che cosa sono e dove si trovano in natura l amido, la cellulosa e il glicogeno. La cellulosa, un polisaccaride prodotto dalle piante, costituisce la vera e propria impalcatura di tutti gli organismi vegetali. Insieme con altri composti, la cellulosa costituisce le pareti delle cellule vegetali ed è un componente fondamentale del legno e del cotone. In questo polisaccaride, le molecole di glucosio formano catene lineari che lo rendono molto resistente. La cellulosa non ha per noi alcun valore nutritivo, perché non siamo in grado di digerirla come facciamo per gli amidi. Le fibre di cellulosa hanno però un importante funzione nel regolarizzare l intestino, ed è per questo che si trovano in commercio molti prodotti contenenti fibre. Altri animali, come i ruminanti, i roditori e le termiti, sono invece in grado di digerire la cellulosa, grazie a batteri presenti nel loro sistema digerente che la demoliscono e la trasformano in glucosio. 102

22 U6 La chimica organica Gli alcoli e gli acidi carbossilici L alcol etilico Il vino, la birra e l aceto sono sostanze organiche diffuse nelle nostre case e utilizzate in cucina. ome ben sai, il vino contiene alcol etilico o etanolo ( 2 6 O), un composto organico che fa parte della famiglia degli alcoli. L alcol etilico si può ricavare dall uva e da qualunque altro vegetale contenente zuccheri o amidi, come le mele, il mais o le patate. Birra. O Formula di struttura dell etanolo. L alcol si ottiene per mezzo della fermentazione alcolica, un processo in cui certi microrganismi, i lieviti, si nutrono di glucosio per ricavarne energia. Questo processo avviene in assenza di ossigeno ed è simile alla respirazione degli animali e delle piante. Nella fermentazione l energia si ricava trasformando lo zucchero in alcol e anidride carbonica. L alcol etilico è un ottimo carburante per autoveicoli. In Brasile sono già diffuse da anni automobili dotate di uno speciale motore, chiamato motore flex. Queste auto permettono di fare il pieno con l alcol, con la normale benzina o con una qualsiasi miscela fra i due. L acido acetico La fermentazione alcolica deve avvenire in recipienti chiusi perché è molto importante che non ci sia ossigeno. Infatti in presenza di ossigeno l alcol si ossida trasformandosi nell acido acetico ( 2 4 O 2 ) che appartiene alla famiglia degli acidi carbossilici. L aceto di vino che usiamo in cucina è una miscela di acqua, acido acetico e decine di altre sostanze. L acido acetico si può ottenere dal vino o da qualunque altra sostanza alcolica per fermentazione ossidativa. Anche in questo caso entrano in azione dei batteri chiamati Acetobacter. Si inseriscono alcuni di questi batteri in una soluzione di acqua e alcol e si lascia la soluzione all aria aperta. In pochi giorni l alcol si trasformerà in acido acetico. O O Formula di struttura dell acido acetico. Acetobacter aceti. LA MATERIA E L ENERGIA 103

23 5. I grassi Quando si dice grassi, immediatamente si pensa ai diversi tipi di grassi o lipidi che utilizziamo nella nostra alimentazione. La panna, il burro, il lardo, lo strutto sono tipici grassi animali. Il latte intero contiene circa il 3% di grassi, di cui la metà viene estratta quando si prepara il latte parzialmente scremato. Il burro e la panna si ottengono dai grassi estratti dal latte. L olio di oliva e quello di mais, il burro di arachidi, il burro di cacao e la margarina vegetale sono tipici grassi vegetali. Non tutti i grassi sono commestibili: per esempio l olio di semi di lino non è adatto alla nutrizione ma serve ai pittori come solvente per i colori a olio. Tuttavia, non tutti sanno che in natura esistono molte altre sostanze grasse davvero insospettabili. Le cere, per esempio, sono grassi. Le api producono la cera con cui fabbricano i loro alveari. L interno delle nostre orecchie è protetto da uno strato di cerume. Le foglie degli alberi e certi frutti, come le mele e le pere, sono rivestite da una sottilissima pellicola di cera (cuticola). Le vitamine A, D, E, K sono lipidi. Le membrane di tutte le cellule sono formate da lipidi. Gli steroidi, come il colesterolo, sono lipidi che circolano nel sangue e trasportano messaggi in tutte le parti del nostro corpo. Forse hai già sentito parlare di atleti e soprattutto di body builder che assumono steroidi anabolizzanti per far crescere a dismisura i loro muscoli. Queste sostanze non si devono prendere per aumentare la propria potenza muscolare, perché danneggiano, lentamente ma inesorabilmente, gli organi interni. Gli atleti che ne abusano, quando saranno anziani, avranno seri problemi ai reni e al fegato e correranno rischi di infarto e di ictus cerebrale. LA MATERIA E L ENERGIA I grassi o lipidi sono composti organici formati prevalentemente da carbonio, ossigeno e idrogeno. Alcuni tipi di lipidi possono contenere anche altri elementi, come il fosforo e l azoto. Alcune proprietà dei grassi I grassi sono sostanze insolubili in acqua, con la quale possono formare dei miscugli chiamati emulsioni. Per sciogliere i grassi occorrono particolari solventi, come l acetone, l alcol e la benzina. I grassi sono meno densi dell acqua. Per rendercene conto possiamo provare a mescolare diversi grassi (per esempio olio o burro fuso) con l acqua. In ogni caso, vedremo che i grassi vengono a galla. I grassi bruciano. ome gli idrocarburi, anche i grassi sono dei combustibili: per esempio, le candele bruciano perché contengono acido stearico che è un acido grasso. 104

24 A_ _U6.qxd: A_ _U :30 Pagina 105 I grassi sono la riserva energetica degli animali. Le balene, i pinguini, gli orsi polari e altri animali che vivono nelle regioni fredde, hanno uno spesso strato di grasso che li protegge dal freddo e garantisce loro una riserva di energia. A parità di peso, i lipidi forniscono il doppio dell energia fornita dagli zuccheri. Trigliceridi e acidi grassi In natura, i grassi si trovano frequentemente legati al glicerolo, che è un alcol. Questi composti si chiamano trigliceridi, perché a ogni molecola di glicerolo si legano tre molecole di acidi grassi. I trigliceridi si trovano sia nei grassi animali sia in quelli vegetali. glicerolo acidi grassi EKPOINT ome si definiscono i lipidi, in chimica? Elenca 5 tipi diversi di lipidi. he cosa accade se si prova a sciogliere una sostanza grassa in acqua? I fosfolipidi I fosfolipidi contengono acidi grassi e fosforo. Una molecola di fosfolipide è formata da una testa solubile in acqua e da una coda non solubile. A contatto con l acqua, i fosfolipidi formano delle micelle a doppio strato. Si tratta di microscopiche sfere piene d acqua e racchiuse da un doppio strato di fosfolipidi, disposti coda contro coda e con le teste solubili in contatto con l acqua. coda solubile Molecola di fosfolipide. acqua all esterno acqua all interno I fosfolipidi formano le membrane di tutte le cellule viventi, animali e vegetali, dai batteri all uomo. Tutte le cellule viventi sono racchiuse all interno di un doppio strato di fosfolipidi. testa non solubile molecola di fosfolipide LA MATERIA E L ENERGIA he cosa sono i trigliceridi? Perché i fosfolipidi sono sostanze di fondamentale importanza per la vita? Gli acidi grassi si distinguono in saturi e insaturi a seconda che nella loro catena lineare siano, rispettivamente, assenti o presenti doppi legami. Per esempio l acido stearico (a 18 atomi di ) è saturo, l acido oleico (sempre a 18 atomi di ) è insaturo. Gli acidi grassi saturi si trovano nei formaggi, nel burro, negli insaccati e il loro consumo va limitato perché fanno aumentare il livello di colesterolo nel sangue, favoriscono l obesità e possono causare malattie cardiache e alcuni tipi di tumori. 105

25 6. Le proteine Le proteine sono composti organici molto più complessi dei carboidrati e dei grassi, costituenti fondamentali di tutte le cellule animali e vegetali. Esse contengono, oltre agli atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno, anche atomi di azoto. Nel corpo umano troviamo per esempio le seguenti famiglie di proteine: le proteine strutturali o meccaniche, che formano la pelle, i muscoli, i tendini, la cartilagine, le unghie, i capelli; le proteine di trasporto, fra le quali troviamo le proteine del sangue che trasportano i grassi e il ferro, e l emoglobina che trasporta l ossigeno; gli anticorpi, che si legano ai germi patogeni permettendo così ai globuli bianchi di riconoscerli ed eliminarli; gli enzimi, che sono vere e proprie macchine molecolari, capaci di accelerare tutte le reazioni chimiche necessarie alla vita delle cellule e dell organismo, come il movimento dei muscoli o la digestione dei cibi. Senza gli enzimi, tutte queste reazioni avverrebbero così lentamente che la vita non sarebbe possibile. Inoltre le proteine forniscono la materia prima per fabbricare molte sostanze: per esempio, la lana e la seta sono composte dalle cheratine, proteine prodotte rispettivamente dalle pecore e dal bruco Bombyx mori, meglio conosciuto come baco da seta. Le proteine sono polimeri naturali formati da unità più piccole chiamate amminoacidi, unite fra loro per formare lunghissime catene. LA MATERIA E L ENERGIA Struttura della glicina e dell alanina, due dei venti amminoacidi. Glicina: 2 5 O 2 N Alanina: 3 7 O 2 N glicina L ordine con cui gli amminoacidi sono disposti è importantissimo, tanto che spesso la sostituzione di un solo amminoacido su diverse migliaia provoca conseguenze disastrose per la funzione di una proteina. Per esempio, molte malattie ereditarie, come la talassemia, sono dovute a proteine difettose a causa della sostituzione di un solo amminoacido con un altro. alanina carbonio () ossigeno (O) azoto (N) idrogeno () Gli amminoacidi In tutti gli esseri viventi, dai batteri all uomo, esistono solo 20 amminoacidi diversi che entrano a far parte delle proteine, e ogni proteina ne può contenere un numero variabile, generalmente qualche migliaio. Le caratteristiche di una proteina sono determinate dal modo in cui gli amminoacidi sono disposti lungo la catena, così come il senso delle parole è determinato dal modo in cui si succedono 106

26 U6 La chimica organica le 21 lettere dell alfabeto. Quindi, anche se gli amminoacidi sono solo 20, il numero di proteine diverse che essi possono formare è altissimo. Per convincersi di questo basta pensare a quante parole possiamo scrivere usando le 21 lettere del nostro alfabeto! Soltanto nell uomo si calcola che esistano oltre diverse proteine. La forma tridimensionale Una particolarità delle catene di amminoacidi è che possono ripiegarsi in modo da assumere forme tridimensionali anche complicatissime. Senza questi ripiegamenti, la maggior parte delle proteine non riuscirebbe a compiere la propria funzione. Perciò, anche se sono polimeri lineari, non si devono immaginare le proteine come se fossero delle semplici collane di amminoacidi, ma come molecole che assumono forme tridimensionali molto complesse. Le successioni di amminoacidi possono ripiegarsi per formare delle eliche, dei nastri e perfino delle tasche dove si incastrano perfettamente altre molecole più piccole, come gli zuccheri. Rappresentazione grafica tridimensionale della mioglobina, una proteina del sangue che trasporta l ossigeno alle cellule dei muscoli. Gli amminoacidi essenziali Il corpo umano è capace di sintetizzare da sé soltanto 12 dei 20 amminoacidi necessari per la fabbricazione delle proteine. Gli altri 8 deve trovarli già pronti negli alimenti, ogni giorno. Gli amminoacidi che il nostro organismo non è in grado di sintetizzare da sé in quantità sufficiente si chiamano amminoacidi essenziali. Se nella dieta manca anche uno solo degli amminoacidi essenziali, le proteine del nostro corpo, come per esempio quelle dei muscoli, cominciano a degradarsi inesorabilmente. Una razione giornaliera, a scelta, di uova, manzo, latte o patate garantisce un apporto pienamente sufficiente di amminoacidi essenziali. Anche il riso e la pasta vanno bene, ma sono leggermente scarsi di lisina. La carenza di questo amminoacido produce debolezza generale, perdita di memoria, difficoltà di concentrazione e caduta dei capelli. Un pasto a base di cereali deve quindi essere integrato con alimenti ricchi di lisina, come il merluzzo o più semplicemente il formaggio parmigiano. EKPOINT he cosa sono le proteine? Fai alcuni esempi di proteine presenti nel corpo umano e descrivi le loro funzioni. he cosa sono gli amminoacidi? Milioni di proteine diverse possono essere formate utilizzando soltanto 20 amminoacidi. ome si spiega? he differenza c è, dal punto di vista chimico, tra la lana e il cotone? LA MATERIA E L ENERGIA 107

27 zona lab U6 La chimica organica Il test dell amido MATERIALE OORRENTE una mela gialla ben matura una patata farina zucchero tintura di iodio (è un disinfettante di colore marrone che si trova in farmacia) ESEUZIONE 1 La patata e la farina contengono amido mentre la mela matura e lo zucchero non contengono amido ma, ovviamente, zuccheri. La tintura di iodio permette di rivelare la presenza di amido negli alimenti. 1 Taglia la patata e la mela a metà e versa una goccia di tintura di iodio sulla superficie tagliata della patata e su quella della mela. 2 Dopo pochi minuti, osserva come cambia il colore della tintura di iodio. OSSERVAZIONE E SPIEGAZIONE La tintura di iodio, a contato con l amido della patata, diventa blu. Invece sulla mela il suo colore non cambia, poiché non c è amido. Questo test può servire a verificare se una mela è veramente matura o è ancora acerba. Infatti le mele acerbe contengono amido che non si è ancora trasformato in zucchero, nel qual caso la tintura diventa blu. Ripeti l esperimento usando la farina e lo zucchero e confronta i risultati. Ti consigliamo di sciogliere separatamente la farina e lo zucchero in un po d acqua. MATERIALE OORRENTE un bicchiere di vetro acqua detersivo liquido per piatti un cucchiaino olio Il sapone scioglie il grasso 1 2 ESEUZIONE Versa dell acqua nel bicchiere e aggiungi qualche goccia d olio. Aggiungi un cucchiaino di detersivo e rimescola. 1 2 OSSERVAZIONE E SPIEGAZIONE L olio, come tutti i grassi non è solubile in acqua, perciò non si scioglie. Proprio per questo motivo è così difficile eliminare le macchie di unto dai vestiti. Mescolando olio e acqua non si ottiene una soluzione ma un emulsione formata da tante piccole gocce d olio disperse nell acqua. Dopo aver aggiunto il detersivo, le goccioline d olio diventano sempre più piccole fino a sparire del tutto. In realtà non sono sparite ma sono state catturate da microscopiche bollicine di detersivo, chiamate micelle. I saponi formano moltissime micelle che catturano e imprigionano tutte le sostanze grasse che incontrano. Quando si lavano i piatti o gli abiti, al momento del risciacquo l acqua porta via le micelle assieme a tutto ciò che hanno raccolto. In questo modo il sapone pulisce le macchie di grasso. 108

28 sintesi attiva audio ON LINE U6 La chimica organica Inserisci nel testo che segue le parole chiave mancanti elencate al fondo. 1. La chimica del carbonio. carbonio La chimica organica è quella parte della chimica che studia i composti del... organiche Le sostanze.. possono essere naturali o sintetiche. 2. L atomo del carbonio. Gli atomi di carbonio hanno la capacità di unirsi fra loro in lunghe.. o.. per mezzo di legami... Tutti i composti organici contengono.... combinato con pochi altri elementi come l...., l...., l...., lo.... e il Gli idrocarburi. Gli idrocarburi contengono soltanto carbonio e Li troviamo, insieme ad altre sostanze, nella miscela a tutti nota col nome di Le plastiche che usiamo ogni giorno sono , cioè composti organici formati dalla ripetizione di una stessa molecola di base, che si chiama I carboidrati. I carboidrati sono composti organici formati da carbonio, e idrogeno. Si distinguono in , disaccaridi e I grassi. I grassi sono chiamati anche Fra i grassi troviamo sostanze come la , alcune e gli I sono particolari grassi che formano le membrane di tutte le cellule. 6. Le proteine. Le proteine sono polimeri naturali formati da migliaia di unità più piccole chiamate Esistono diversi tipi di proteine: le formano la pelle, i muscoli, i tendini, la cartilagine, le unghie, i capelli; le trasportano sostanze chimiche nel sangue; gli aiutano l organismo a difendersi dai germi patogeni; gli accelerano le reazioni chimiche. carbonio idrogeno catene azoto covalenti idrogeno organiche ossigeno anelli zolfo cloro carbonio polimeri petrolio monomero steroidi monosaccaridi amminoacidi cera lipidi vitamine ossigeno fosfolipidi polisaccaridi proteine di trasporto proteine strutturali anticorpi enzimi 109

29 verifica test ON LINE U6 La chimica organica he cosa so 1 Vero o falso? 1.1 Dal punto di vista chimico, la cera delle api è un grasso. 1.2 Dal punto di vista chimico, la lana è formata principalmente da una proteina. 1.3 Gli idrocarburi sono composti soltanto da carbonio e ossigeno. 1.4 I grassi si sciolgono in acqua. 1.5 Il glucosio è un monosaccaride. V V V V V F F F F F 1.6 Gli amminoacidi diversi usati per costruire le proteine sono soltanto La cellulosa è un componente fondamentale del legno e del cotone. 1.8 La cellulosa è un monosaccaride. 1.9 L atomo di carbonio non può formare molecole complesse Un carboidrato formato da una lunga catena di molecole tutte uguali si chiama monosaccaride. V V V V V F F F F F 2 Scegli la risposta corretta. 2.1 he cosa hanno in comune tutte le sostanze organiche? a b c d Sono composti a base di carbonio. Sono tutte prodotte dagli esseri viventi. Sono tutte prodotte dalle piante. Sono tutte sostanze naturali. 2.2 Quale delle seguenti sostanze NON è organica? a Aceto. b Acqua. c Alcol. d Zucchero. 2.3 Un composto organico formato dalla ripetizione di centinaia o migliaia di molecole tutte uguali si chiama: a disaccaride. b monomero. c polimero. d proteina. 2.4 Quali fra le seguenti sostanze contengono grassi? a Il latte. c La benzina. e La vitamina. b Il metano. d La margarina vegetale. f L olio di mais. 2.5 Nelle cellule che compongono tutti gli esseri viventi, dove si trovano i fosfolipidi? a Negli organi interni. c Nel nucleo. b Nel citoplasma. d Nella membrana. 2.6 Quali fra le seguenti sostanze sono a base di carboidrati? a Bianco d uovo. b otone. c Legno. d Teflon. 2.7 he cosa sono gli amminoacidi? a Molecole semplici che, unendosi assieme in un ordine ben preciso, formano le proteine. b Molecole semplici che, unendosi assieme in un ordine ben preciso, formano i grassi. c Proteine che accelerano le reazioni chimiche. d Sostanze acide presenti nello stomaco. 2.8 Quali dei seguenti oggetti non contengono carbonio? a b c d e f g Un chiodo. Un coltello di acciaio. Un maglione di fibra sintetica (poliammide). Un maglione di pura lana vergine. Una bottiglia di vetro. Una matita. Una pentola di alluminio con i manici di plastica. 2.9 Qual è il principale idrocarburo liquido? a Il glucosio. b Il petrolio. c La benzina. d L olio di oliva ome definiresti la cellulosa? a b c d Un idrocarburo. Un monosaccaride. Un polisaccaride. Una proteina. 3 Rispondi alle seguenti domande. 3.1 Quali sono i principali gruppi di composti organici? 3.2 he cos è il glucosio? Scrivi la sua formula chimica. 3.3 Secondo te, esistono giacimenti di benzina? Motiva la tua risposta. 3.4 L acqua ( 2 O), componente fondamentale di tutti gli esseri viventi, è una sostanza organica o inorganica? Motiva la tua risposta. 3.5 he cosa sono gli amminoacidi essenziali? 110

30 he cosa so fare 4 Descrivi l esperimento illustrato nella figura Il vino contenuto in una bottiglia lasciata aperta in poche settimane si è trasformato in aceto. Spiega che cosa potrebbe essere successo ompleta la mappa. mappa ON LINE Mappa dei concetti I OMPOSTI ORGANII hanno una struttura a base di si classificano in idrocarburi per esempio carboidrati per esempio il cui atomo è caratterizzato da 6 protoni 6 elettroni alcoli per esempio acidi carbossilici per esempio grassi per esempio proteine per esempio