CORSO DI CHIMICA PER L AMBIENTE CRISTIANO BENELLI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

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1 CORSO DI CHIMICA PER L AMBIENTE CRISTIANO BENELLI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

2 RECAPITI Dipartimento di Ingegneria Industriale Via di S. Marta, 3 cristiano.benelli@unifi.it

3 Ricevimento Studenti Prima o dopo le lezioni Presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale. Si consiglia di usare la posta elettronica per concordare l incontro.

4 LIBRI DI TESTO Qualunque libro di Chimica per l Università Non per corsi bio-medici Vietati i libri delle superiori

5 Programma del Corso Cenni di struttura della materia: come è fatto il mondo che ci circonda. Le trasformazioni della materia e le leggi che le regolano. Esempi di impatto delle attività chimiche sull'ambiente.

6 Zero Emissioni: il Futuro dell Auto

7 Ma è vero? Per valutare correttamente l assunzione «Emissioni Zero», si deve considerare che il motore ha una determinata efficienza energetica, che le batterie si scaricano e che vanno ricaricate: Efficienza motore elettrico + batterie Li- Polimero: 80 % Efficienza rete elettrica (produzione + trasporto): 39 %

8 Ma è vero? Nella realtà solo il 32% dell energia introdotta nel sistema si trasforma in energia che muove il mezzo. Il rimanente 68% si perde nelle varie componenti di un sistema complesso. A questa valutazione, basata sul solo funzionamento, si deve aggiungere l energia utilizzata per produrre il motore e le batterie più l energia necessaria per smaltire entrambi al termine della loro vita. Il valore totale deve essere ripartito sul tempo complessivo di funzionamento del sistema.

9 Ma è vero? Tutta questa energia, oggi, deve essere prodotta in una centrale da qualche parte (Piombino, Cavriglia) con relative emissioni in atmosfera. Se si esamina il problema nella sua totalità, superando facili slogan, risulta chiaro che un mezzo elettrico non produce emissioni localmente ma ne genera altrove ed il suo bilancio energetico non è poi così diverso da altri criticatissimi mezzi di locomozione. L efficienza di un motore Diesel è attorno al 30%.

10 Il Pianeta Terra La Terra è un sistema chiuso: scambia energia con lo spazio circostante ma non materia Si può immaginare il pianeta come costituito da tre sottoinsiemi interconnessi tra di loro: L atmosfera L idrosfera La crosta terrestre

11 L Atmosfera TROPOSFERA - Strato a maggiore densità dell aria - Temperatura decrescente con la quota: 6 C per km - Altezza variabile: da 8 km ai poli a 18 km all Equatore - 99% del vapore acqueo dell atmosfera - Concentrazione vapore acqueo decrescente con la quota

12 L Atmosfera STRATOSFERA - Temperatura costante con la quota fino a 25 km, poi crescente fino a 0 C - 90% dell ozono in atmosfera - Strato di ozono fra i 20 e 30 km: regolatore termico

13 La Composizione dell Atmosfera Componenti Principali Azoto (N 2 ): 78,08% Ossigeno (O 2 ): 20,95% Argon (Ar): 0,93% Vapore acqueo (H 2 O): 0,33% Anidride carbonica (CO 2 ): 0,032% (320 ppm)

14 La Composizione dell Atmosfera Componenti Secondari Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm) Elio (He): 0,0005% (5 ppm) Metano (CH 4 ): 0,0002% (2 ppm) Idrogeno (H 2 ): 0,00005% (0,5 ppm) Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm) Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm) Ozono (O 3 ): 0,000004% (0,04 ppm) Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO 2, N 2 O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH 3 ), Biossido di zolfo (SO 2 ), Solfuro di idrogeno (H 2 S).

15 L Idrosfera

16 L acqua Elemento Cloro Sodio Magnesio Zolfo Calcio Potassio Bromo Carbonio Stronzio Boro Silicio Fluoro Argo Azoto Litio Rubidio Fosforo Iodio Bario Mg/L Acqua Salata ,6 3 1,3 0,6 0,5 0,17 0,12 0,07 0,06 0,03 Mg/L Acqua Dolce 1,9 6,9 29,4 0,6 48,2 1, ,06-0,

17 La Crosta Terrestre Il raggio terrestre è di circa 6300 km. La crosta ha uno spessore medio di circa 40 km.

18 Come è fatta la materia che ci circonda? La prima risposta conosciuta la dobbiamo al filosofo greco Democrito probabilmente nato ad Abdera forse nel 460 a. C.. Gli atomi erano concepiti come particelle originarie indivisibili: essi cioè erano quantità o grandezze primitive e semplici (non composte), omogenee e compatte, la cui caratteristica principale è l'indivisibilità.

19 FUOCO SECCO CALDO TERRA Gli Elementi di Aristotele AERE FREDDO ACQUA UMIDO

20 Robert Boyle ( )

21 Antoine-Laurent de Lavoisier ( ) Metodo di Nomenclatura Chimica, 1787 Legge di conservazione della materia Elemento: sostanza semplice che non può essere scomposta da nessun metodo conosciuto e che è la base per la formazione dei composti chimici.

22 Gli Elementi di Dalton

23 Antoine Henri Becquerel ( ) Maria Skłodowska Curie ( ) Becquerel, nel corso di studi sui raggi X scoprì che Sali di Uranio emettevano raggi capaci di impressionare lastre fotografiche non esposte alla luce. Maria Curie prosegue questi studi e scopre che anche altri elementi presentavano la stessa capacità e coniò il nome di Radioattività.

24 Le Radiazioni

25 Particelle Elementari Carica Massa SI (C) Atom. SI (kg) Atom. Protone 1.602x x Neutrone x Elettrone 1.602x x

26 Radioattività Raggi alfa ==> 2 protoni + 2 neutroni ( carica 2 +) Raggi beta ==> Elettroni (carica 1 -) Raggi gamma ==> Radiazioni elettromagnetiche

27 L Esperimento di Rutherford

28 L Atomo Un atomo è costituito da un nucleo dove si addensano i neutroni ed i protoni. Attorno al nucleo si muovono nello spazio gli elettroni Date le caratteristiche delle particelle, la massa dell atomo è concentrata nel nucleo. Il nucleo è caricato positivamente, mentre gli elettroni creano nello spazio attorno al nucleo una nuvola di carica negativa

29 Le Dimensioni degli Atomi Un atomo ha un diametro di circa m. Il nucleo ha un diametro di circa m. Se il nucleo fosse delle dimensioni di una zanzara e stesse al centro del cerchio di centrocampo, gli elettroni starebbero in Curva Fiesole. Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli oggetti si contrarrebbero di 10 5 volte conservando la stessa massa. L Everest diventerebbe una montagna alta 8 cm.

30 Le Dimensioni degli Atomi Un atomo ha un diametro di circa m. Il nucleo ha un diametro di circa m. Se il nucleo fosse delle dimensioni di una zanzara e stesse al centro del cerchio di centrocampo, gli elettroni starebbero in Curva Fiesole. Se gli elettroni si muovessero sulla superficie del nucleo, gli oggetti si contrarrebbero di 10 5 volte conservando la stessa massa. L Everest diventerebbe una montagna alta 8 cm.

31 Atomi e Molecole Atomo: La più piccola particella di un elemento che ne conservi le proprietà chimiche. Secondo la teoria atomica si tratta di una specie elettricamente neutra costituita da un nucleo contenente neutroni e protoni e dagli elettroni che lo circondano. Elemento: sostanza costituita da un unica specie di atomi

32 Atomi e Molecole Molecola: Aggregato neutro di atomi che costituisce la più piccola particella di una sostanza che ne conservi le proprietà chimiche. Ione: Atomo o molecola che possiedono una carica elettrica. Si formano quando la specie chimica perde od acquista elettroni rispetto a quelli che bilanciano la carica nucleare.

33 Numero Atomico e di Massa Numero atomico: Numero dei protoni contenuti nel nucleo atomico: è il parametro che identifica un elemento. Si indica con la lettera Z. Numero di massa: Numero totale dei nucleoni (protoni più neutroni) presenti nel nucleo di un dato atomo: è il parametro che identifica i vari isotopi di uno stesso elemento. Si indica con la lettera A.

34 Isotopi Gli Isotopi sono atomi di uno stesso elemento che possiedono un numero di neutroni differente. Gli isotopi di uno stesso elemento hanno eguale numero atomico (Z) ma differente numero di massa (A). Esempio: 12 C, 13 C e 14 C sono tutti e tre isotopi del carbonio. Gli isotopi di un dato elemento hanno tutti le stesse proprietà chimiche.

35 La Nomenclatura in Chimica Ad ogni numero atomico (Z) corrisponde un dato elemento. Ogni elemento ha un nome. Ogni nome è sintetizzato con un simbolo.

36 Gli Elementi di Mendelejev a

37 La Nomenclatura in Chimica Per secoli, ai composti sono stati attribuiti dei nomi di fantasia che non erano legati alle specie chimiche contenute nella sostanza ma altri aspetti. Nomi come Polvere di algaroth, Spirito di Venere o Acqua fagadenica sono fantasiosi ma sostanzialmente inutili.

38 La Nomenclatura in Chimica Nei secoli dominati dagli Alchimisti, le ricette per preparare i composti erano scritte più per gli adepti di una setta segreta che per dare informazioni. Prendiamo la ricetta per preparare un noto purgante ancora oggi usato: Magnesia + Vetriolo = Sale di Epsom

39 La Nomenclatura in Chimica Alla fine del 1700, uno dei più grandi chimici mai esistiti, Antoine Lavoisier, propose di introdurre dei nomi che indicassero il contenuto atomico della sostanza. Nacque così la FORMULA CHIMICA Ad esempio, la reazione : Magnesia + Vetriolo = Sale di Epsom diventa : MgCO 3 + H 2 SO 4 = MgSO 4 + CO 2 + H 2 O

40 Formula Chimica La forma più semplice di formula chimica è la FORMULA EMPIRICA o BRUTA La formula empirica è composta dai simboli di tutti gli elementi che sono presenti nella unità base della sostanza. Inoltre, la formula indica la proporzione numerica tra gli atomi dei vari elementi. Ad esempio, il glucosio (lo zucchero che si mette nel caffè) ha una formula empirica : CH 2 O

41 Formula Chimica La Formaldeide è un liquido velenoso che viene largamente utilizzato per la conservazione dei reperti biologici proprio per la sua bio-tossicità. La formula bruta della Formaldeide è CH 2 O. La stessa del glucosio. Per evitare di confondere le due sostanze c è bisogno di qualche ulteriore informazione in quanto, evidentemente, essendo sostanze diverse devono essere formate da molecole differenti

42 Formula Chimica La formula empirica (CH 2 O) ci dice che la molecola dello zucchero o della formaldeide contengono carbonio, idrogeno ed ossigeno in proporzione 1:2:1 L informazione più completa è fornita dalla FORMULA MOLECOLARE. La formula molecolare riporta il numero reale di atomi di ciascun elemento contenuti nella

43 Formula Chimica La formula molecolare del glucosio è: C 6 H 12 O 6 mentre quella della formaldeide è: CH 2 O Ogni molecola di glucosio è costituita da sei atomi di carbonio, dodici di idrogeno e sei di ossigeno. E importante sottolineare che tutte le molecole di glucosio (e questo vale per qualunque sostanza) hanno esattamente la stessa formula molecolare.

44 Formula Chimica Esiste, infine, un terzo tipo di formula chimica detta FORMULA DI STRUTTURA. In questo caso si disegna uno schema della molecola tenendo conto della sequenza e disposizione spaziale dei vari atomi

45 Glucosio (C 6 H 12 O 6 )

46 Glucosio (C 6 H 12 O 6 )

47 Formaldeide (CH 2 O)

48 Particelle Elementari Carica Massa SI (C) Atom. SI (kg) Atom. Protone 1.602x x Neutrone x Elettrone 1.602x x

49 Unità di Massa Atomica Unità di Massa Atomica (UMA) =1/12 della massa dell isotopo 12 C 1 UMA = x10-27 kg

50 Sistema SI Lunghezza: Metro Simbolo: m. Massa: Chilogrammo Simbolo: kg Tempo: secondo Simbolo: s Corrente Elettrica: Ampere Simbolo: A Temperatura: Kelvin Simbolo: K Quantità di materia: mole Simbolo: mol Intensità Luminosa: candela Simbolo:cd