IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA
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- Fabiano Rubino
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1 IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA UNITÀ SI Il sistema di misura standard, adottato su scala mondiale, è conosciuto come Système International d Unités. Le unità fondamentali da cui derivano tutte le altre sono: per la lunghezza il metro (m) per la massa il kilogrammo (kg) per il tempo il secondo (s) per la corrente elettrica l ampere A per la temperatura il kelvin (K) per la quantità di sostanza la mole (mol) per l intensità luminosa la candela (cd) Le rimanenti grandezze fisiche (come energia, forza, carica, intensità di un campo magnetico, ecc.) vengono espresse in base alle unità fondamentali.
2 IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA PREFISSI PER UNITA PREFISSO ABBREVIAZIONE MOLTIPLICATORE giga- G 10 9 mega- M 10 6 kilo- k 10 3 deci- d 10-1 centi- c 10-2 milli- m 10-3 micro- µ 10-6 nano- n 10-9 pico- p femto- f atto- a 10-18
3 IL SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA In chimica analitica e in generale in chimica e in fisica spesso si utilizzano unità di misura e prefissi che non sono compresi nel Sistema Internazionale. Ad esempio per misurare la lunghezza della radiazione elettromagnetica nel campo dei raggi X si utilizza l Angstrom (sigla Å) che ha un valore pari a metri, ovvero 0,1 nm). Per le misure di volume piuttosto che il m 3, si utilizza il litro (L) o il millilitro (ml). Il litro è pari a 10-3 metri cubi mentre il millilitro è pari a 10-6 m 3 oppure 1 cm 3. In chimica analitica a volte si utilizzano i termini massa e peso indifferentemente ma bisogna sottolineare che sono due grandezze distinte: la massa è una misura della quantità di sostanza ed è invariante; il peso è una grandezza vettoriale e rappresenta la forza dell attrazione gravitazionale fra quella sostanza e la terra.
4 ESPRESSIONI DELLA CONCENTRAZIONE Per concentrazione si intende la quantità di una sostanza contenuta in un determinato volume o in una determinata massa. Massa atomica Le masse atomiche sono costituite da una serie di numeri relativi i cui valori assoluti dipendono da uno standard definito, la massa dell isotopo 12 C. Ad essa viene assegnata la massa esatta 12 ed 1/12 di questa massa viene definito unità di massa atomica unificata, abbreviata u. L unità di massa atomica unificata viene anche chiamata dalton in onore di uno dei chimici più importanti della storia.
5 MISURE DI COMPOSIZIONE Per esprimere la composizione di materiali che non siano costituiti da un singolo elemento o composto puro si impiegano quattro tipi fondamentali di espressioni: Misure massa-su-massa (m/m) Misure massa-su-volume (m/v) Misure numero-su-volume (M, N) Misure volume-su-volume (v/v)
6 MISURE MASSA SU MASSA Una misura massa-su-massa esprime il rapporto fra la massa di un componente e la massa complessiva del campione. La massa percentuale, abbreviata in m% o %(m/m), è il rapporto, espresso in percentuale, fra la massa di un componente e la massa complessiva del campione. La percentuale %(m/m) viene denominata parti per cento. Frazioni più piccole vengono indicate utilizzando le parti per mille (ppt, ), le parti per milione (ppm), le parti per bilione (ppb) e le parti per trilione (pptr). Dicendo una parte per milione, ad esempio, si intende che un grammo della sostanza in questione è presente in un milione di grammi di soluzione o di miscela totale ppt = μg di sostanza/g di campione ppm = ng di sostanza/g di campione pptr = pg di sostanza/g di campione
7 MISURE MASSA SU VOLUME Una misura massa-su-volume esprime il rapporto fra la massa di un componente e il volume totale del materiale. Dal momento che la densità dei solventi varia con la temperatura, una misura precisa massa-su-volume dipende dalla temperatura della soluzione.
8 MISURE NUMERO SU VOLUME: MOLARITÀ E NORMALITÀ L unità più frequentemente utilizzata per esprimere la concentrazione è la molarità (M, moli per litro). Una mole si definisce come il numero di atomi di 12 C contenuti in 12 g esatti di 12 C. Questo numero di atomi è detto numero di Avogadro ed il valore attualmente riconosciuto è La massa molare (M) di una sostanza è la massa espressa in grammi di una mole di quella sostanza e contiene un numero di Avogadro di molecole. Le masse molari dei composti chimici (spesso chiamate Pesi Molecolari), si ottengono sommando le masse di tutti gli atomi che compaiono in una formula chimica.
9 ESEMPI DI MOLE DI SOSTANZE DIVERSE A F A B E G D C A: grafite (C); B: permanganato di potassio (KMnO 4 ); C: solfato di rame pentaidrato (CuSO 4 5H 2 O); D: rame (Cu); E: cloruro di sodio (NaCl); F: bicromato di potassio (K 2 Cr 2 O 7 ); G: antimonio (Sb).
10 LA MOLARITÀ Si prepara una soluzione sciogliendo 12,00 g di benzene, C 6 H 6, in una quantità di esano sufficiente a dare 250,0 ml di soluzione. Trovare la molarità del benzene. M del benzene = 6 (massa atomica del carbonio) + 6 (massa atomica dell idrogeno) = 6 (12,011) + 6 (1,008) = 78,114 g/mol L unità relativa al massa molare, ovvero grammi per mole, spesso non viene espressa ma semplicemente sottintesa. Il numero di moli in 12,00 g è: 12,00 g/ 78,114 g/mol = 0,1536 mol La molarità (moli per litro) si ottiene dividendo il numero di moli per il numero di litri: 0,1536 mol/0,250 L = 0,6144 M
11 PREPARAZIONE DI UNA SOLUZIONE 1) Si pesa la quantità di sostanza necessaria per preparare la soluzione a concentrazione stabilita. 2) Si trasferisce la sostanza pesata in un pallone (o matraccio) tarato, ovvero un recipiente in vetro il cui volume è precisamente indicato e dichiarato dalla ditta produttrice con l errore di misura (ad esempio 100 0,01 ml) 3) Si aggiunge il solvente (in genere acqua) fino alla tacca indicata sul collo del matraccio 4) Si scioglie la sostanza tramite agitazione.
12 LA NORMALITÀ La normalita viene usata nelle reazioni acido-base e in quelle di ossido-riduzione ed è una misura di equivalenti. Il numero di equivalenti presenti in una mole di acido o di base è il numero di moli di protoni che può essere donato o accettato da una mole dell acido o della stessa base. La normalità di una soluzione può essere messa in relazione alla molarità moltiplicando il valore della molarità per il numero di equivalenti presenti in una mole: normalità = molarita x numero di equivalenti mole -1 Per le reazioni acido-base: normalità = molarità x numero di protoni donati o accettati mole -1
13 ESEMPI DI NORMALITÀ Ad esempio l acido acetico, CH 3 COOH può donare un protone: CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - Una mole di acido acetico presenta un solo equivalente di protoni da donare in acqua quindi la normalità è uguale alla molarità. Invece l acido solforico, un acido forte con formula H 2 SO 4, può donare due protoni ad una base; una soluzione 1M di acido solforico contiene due equivalenti di protoni ed è perciò una soluzione 2 normale (2N). Un beneficio dell utilizzo della normalità come misura di concentrazione è che non è necessario conoscere esattamente i meccanismi delle reazioni coinvolte, ma solo il loro effetto. Per esempio, in certe soluzioni molto complesse, è difficile scrivere le equazioni delle reazioni coinvolte. Invece, usando la normalità è possibile standardizzare il reagente per trovare gli equivalenti di protoni o elettroni in un dato volume.
14 p-funzioni In chimica analitica spesso si esprime la concentrazione di una specie o il valore di una costante di equilibrio in termini della funzione-p o valore-p ovvero il logaritmo negativo (in base 10) della concentrazione molare della specie o del valore numerico esponenziale della costante di equilibrio. px = -log [X] Il vantaggio di usare questa notazione è quello di poter esprimere con numeri positivi e piccoli le concentrazioni o le costanti di equilibrio che variano di dieci o più ordini di grandezza.
15 DENSITA E GRAVITA SPECIFICA La densità di una sostanza è la sua massa per unità di volume e si esprime generalmente in grammi su millilitri (g/ml). La gravità specifica è il rapporto tra la massa della sostanza e la massa di un ugual volume d acqua ad una data temperatura (generalmente 4 C). Un espressione che si userà moltissimo in chimica analitica è la seguente: V conc c conc = V dil c dil
16 CALCOLI STECHIOMETRICI Si definisce stechiometria la relazione di massa tra specie chimiche reagenti. Un equazione chimica bilanciata è una rappresentazione dei rapporti di combinazione, o stechiometria, fra le sostanze reagenti ed i loro prodotti. 2NaI(acq) + Pb(NO 3 ) 2 (acq) = PbI 2 (s) + 2NaNO 3 (acq)
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