Chimica e Fisica. Esperimenti sull elettricità e molto altro. in compagnia del Professor Leopardi

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1 Karen Trovamala e Giulia Monarca 3^A Chimica e Fisica Esperimenti sull elettricità e molto altro in compagnia del Professor Leopardi La chimica (definita come la scienza centrale ) è la scienza che studia la composizione della materia ed il suo comportamento in base alla composizione stessa. Per questo è stato oggetto di studio fin da tempi antichissimi. La fisica (letteralmente scienza della natura ) è la scienza che studia i fenomeni naturali, ovvero tutti gli eventi che possono essere quantificati attraverso opportune grandezze fisiche, al fine di stabilire principi e leggi che regolino le interazioni tra le grandezze stesse. Durante il laboratorio con il Professor Luigi Leopardi, abbiamo assistito alla presentazione di più esperimenti e abbiamo discusso svariati argomenti scientifici che richiamano insieme principi della chimica e della fisica, per introdurci allo studio di queste materie. Il concetto fondamentale che bisogna aver chiaro per poter comprendere i fenomeni descritti in seguito riguarda la strutture delle molecole. Le molecole sono le componenti fondamentali di ogni corpo e non sono visibili ad occhio nudo; a loro volta le molecole sono costituite da atomi, fatti di protoni. 1) Esperimento con l elettroscopio L elettroscopio (da elettro = elettricità e scopio = guardare/vedere) è un strumento che permette di riconoscere se un corpo è carico elettricamente. A differenza dell elettrometro, questo non può quantificare la carica elettrica, ma si tratta solo di un rivelatore. L apparecchio fu messo a punto da Alessandro Volta verso il Per svolgere l esperimento oltre all elettroscopio disponiamo di due bacchette, una di vetro e una di plastica, e di un panno di lana. Strofinando una qualsiasi delle bacchette con il panno di lana e avvicinandola allo strumento, quest ultimo indica la presenza di elettricità sollevando i lembi del filo di rame piegato a squadretta.

2 Spiegazione del fenomeno: strofinando la bacchetta con il panno, questa si elettrizza in quanto il panno tende a cedere i suoi elettroni alla bacchetta. A sua volta la bacchetta trasferisce l elettricità al filo di rame e così i due poli elettrizzati si caricano di energia e si allontanano. 2) Esperimento con la pallina di polistirolo Appesa ad un filo come in una sorta di impiccato si trova una pallina di polistirolo. Oltre a questa disponiamo di due bacchette, una di plastica e una di vetro, e di un panno di lana. Se sfreghiamo una qualsiasi delle bacchette contro il panno, caricandola quindi di energia elettrica, e la avviciniamo alla pallina, quest ultima si muoverà. Spiegazione del fenomeno: la pallina ha carica neutra; avvicinandola ad una carica negativa, i suoi elettroni si spostano e rimangono solo atomi, che hanno una carica positiva. Una carica negativa ed una positiva si attraggono e, di conseguenza, il corpo si sposta. 3) Esperimento con una calamita e un led Appoggiata al bancone del laboratorio di scienze si trova una ruota simile a quella di una bicicletta; su di essa, tra due raggi, si trova una calamita, mentre all interno della bobina vi è un led (uno strumento che emette luce) composto da materiale semiconduttore, quale il silicio unito ad altre sostanze. Facendo girare la ruota velocemente il led si illumina. Spiegazione del fenomeno: quando la calamita arriva vicino alla bobina, provoca il movimento degli elettroni e genera elettricità quindi, mentre la ruota gira, la bobina produce elettricità che raggiunge il led e diventa luce. 4) La Tavola Periodica degli Elementi di Mendeleev La Tavola Periodica degli Elementi è una tabella ideata nel 1869 dal chimico russo Dmitrij Mendeleev che presenta tutti gli elementi chimici esistenti in natura ordinati in base al loro numero atomico e al numero di protoni (che corrisponde sempre a quello di elettroni) presenti nell ultima orbita del atomo stesso. Esistono 92 tipi di atomi che insieme compongono tutto ciò che esiste sia sulla Terra che nell intero Universo. La loro struttura interna ne determina il comportamento ed è in base a questi due fattori così strettamente collegati che gli atomi della Tavola Periodica sono divisi in 8 gruppi:

3 - 1 gruppo 1 elettrone nell orbita più esterna (i più importanti sono l idrogeno e il sodio) - 2 gruppo 2 elettroni nell orbita più esterna (il più importante dei quali è il carbone) - 3 gruppo 3 elettroni nell orbita più esterna (il più importante dei quali è il silicio) - 4 gruppo 4 elettroni nell orbita più esterna (il più importante dei quali è il calcio) - 5 gruppo 5 elettroni nell orbita più esterna (il più importante dei quali è l azoto) - 6 gruppo 6 elettroni nell orbita più esterna (il più importante dei quali è l ossigeno) - 7 gruppo 7 elettroni nell orbita più esterna (i più importanti sono il fluoro e il cloro) - 8 gruppo 8 elettroni nell orbita più esterna (i più importanti sono il neon e l elio) Gli appartenenti all ultimo gruppo sono anche detti gas nobili o inerti, in quanto non reagiscono a nessun tipo di stimolo. I gas nobili rappresentano una sorta di ideale, di forma perfetta che tutti gli altri vorrebbero raggiungere. Per far si che un atomo appartenente a un gruppo diverso dall ottavo diventi nobile, bisogna unirlo con un altro di modo che la somma dei loro elettroni nell ultima orbita sia 8. 5) La struttura di una molecola di H2O Come è spiegato nel punto precedente, i gas non-nobili tendono a diventare tali unendosi con altri atomi e formando quindi una molecola. Nel caso specifico dell ossigeno (appartenente al 6 gruppo e pertanto dotato di 6 elettroni nell orbita più esterna), esso utilizza i 2 elettroni di idrogeno presi da due molecole di idrogeno, in quanto questo gas appartiene al 1 gruppo. Si ottiene così una molecola di H20, ovvero di acqua pura; è una molecola bipolare in cui l ossigeno mette in compartecipazione i due elettroni di idrogeno. All interno di una molecola di acqua, il legame chimico che unisce gli elettroni con l atomo di ossigeno è detto covalente in quanto è piuttosto potente, mentre tra più molecole dello stesso tipo vi è un legame elettrico (più debole e facile da rompere); per questo motivo l acqua riesce facilmente ha passare da uno stato solido a uno liquido e da questo ad uno gassoso.

4 6) Dissociare una molecola di H2O: l Elettrolizzatore Nonostante sia covalente, il legame chimico di una molecola di H20 è spezzabile: lo si può rompere portando la molecola a temperature elevatissime (superiori ai 1000 C). Questo, però, è un procedimento molto pericoloso, durante il quale l idrogeno rischierebbe di esplodere causando danni di proporzioni gigantesche. Abbiamo quindi utilizzato un altro metodo, che prevede lo sfruttamento dell elettrolizzatore. L elettrolizzatore è un complesso apparecchio a vasi comunicanti in grado di dissociare la molecola dell acqua, separando idrogeno da ossigeno. In questo modo i due gas si potranno usare separatamente e poi eventualmente riassociare attraverso un processo che richiede altrettanta delicatezza. 7) L Effetto Serra L effetto serra è un fenomeno atmosfericoclimatico che indica la capacità di un pianeta di trattenere nella propria atmosfera parte dell energia solare proveniente dal Sole. Questo effetto è ottenuto da alcuni gas presenti nell atmosfera e detti appunto gas serra (anidride carbonica, metano e anche vapore acqueo) e ha come risultato finale un notevole innalzamento della temperatura terrestre, in quanto isola la nostra atmosfera da sbalzi o escursioni termiche a cui sarebbe altrimenti soggetta. L effetto serra terrestre è alimentato da una serie di fenomeni come lo sfruttamento dei combustibili fossili che, interagendo tra di loro, regolano costantemente il contenuto dei gas serra in atmosfera. Questo fenomeno ha reso possibile lo sviluppo della vita sulla Terra, in quanto ha portato il nostro pianeta ad una temperatura tale che gli animali e le piante vi potessero vivere; tuttavia ultimamente lo scorretto utilizzo delle risorse terrestri da parte dell uomo sta causando il surriscaldamento globale e lo scioglimento di ghiacciai, oltre che un aumento smisurato dell inquinamento.

5 Solo negli ultimi anni stiamo iniziando a prendere i provvedimenti necessari alla diminuzione di questo fenomeno, ma tutto ciò sarebbe più facile se si sostenessero e si utilizzassero maggiormente le fonti energetiche alternative e se si favorisse lo sviluppo di mezzi ed automobili non inquinanti come l auto a idrogeno. 8) L Auto a Idrogeno la macchina del futuro Un veicolo a idrogeno utilizza l idrogeno come combustibile. Oggi esistono molti mezzi di trasporto di questo tipo, tuttavia sono poco diffusi e utilizzati nonostante non abbiano nessun impatto ambientale; infatti, l unico scarico che producono è l acqua. Per funzionare, questi veicoli convertono l energia chimica dell idrogeno in energia meccanica, bruciandolo in un motore a combustione interna o innescando una reazione con l ossigeno in una pila a combustione, producendo elettricità. l idrogeno utilizzato è liquido, perché occupa uno spazio minore rispetto a quello sotto forma di gas. La diffusione su larga scala dell idrogeno come combustibile nei trasporti è l elemento chiava della cosiddetta economia dell idrogeno.