180 - Le parole delle Scienze 1: la materia (con lezioni semplificate)

Tutte le cose sono fatte di materia; ogni porzione di materia, diversa da altre porzioni, si chiama corpo.

3 esempi di corpi:

Un sasso

Un pomodoro

Una bottiglia

Tutti i corpi occupano uno spazio e quindi hanno un volume.

Il volume si misura in metri cubi (m³) o in centimetri cubi (cm³) o in decimetri cubi (dm³).

Tutti i corpi hanno una massa che li compone. La massa si misura sulla bilancia a bracci uguali, per confronto con l’unità di misura che è il chilogrammo (kg).

LE SOSTANZE

Una sostanza è un tipo di materia con caratteristiche determinate.

3 esempi di sostanze:

ferro

acqua

sale

I corpi fatti di sostanze diverse hanno densità diverse. La densità di un corpo è il rapporto tra la sua massa e il suo volume:

d = m : V

Le sostanze possono presentarsi ad uno stato fisico diverso:

- solido

- liquido

- gassoso.

La parte più piccola di una sostanza semplice è l’atomo.
La parte più piccola di una sostanza meno semplice è la molecola.

I TRE STATI DELLA MATERIA

La materia si può presentare in 3 forme diverse (o in 3 stati di aggregazione):

-         stato solido

-         stato liquido

-         stato aeriforme (o gassoso)

Esempi:

Ghiaccio

Acqua

Vapore acqueo

ELEMENTI E COMPOSTI

Esistono due gruppi importanti di sostanze:

-         gli elementi

-         i composti

Gli elementi sono sostanze pure formate da atomi tutti uguali o da molecole che contengono un solo tipo di atomo.

Esempi:

Oro

Mercurio

Cloro

I composti sono sostanze pure formate da tipi diversi di atomi legati tra loro.

Esempi:

Sale (atomi di cloro + atomi di sodio)

Acqua (atomi di ossigeno + atomi di idrogeno)

Metano (atomi di carbonio + atomi di idrogeno)

La molecola è la parte più piccola di un composto che ne conserva tutte le caratteristiche.

LA TEMPERATURA

Ogni corpo ha una temperatura che si misura con uno strumento chiamato termometro.

caldo

freddo

termometro

IL CALORE

Il calore è una forma di energia (energia termica) che passa dai corpi più caldi ai corpi più freddi.

Esempio:

 

L’unità di misura per il calore è la caloria, che è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grammo d’acqua di 1 grado centigrado.

Poiché la caloria è una unità molto piccola, di solito si usa la chilocaloria (kcal).

1 chilocaloria = 1.000 calorie

LA DILATAZIONE TERMICA

Quando un corpo si riscalda le sue particelle si muovono di più e tendono a occupare più spazio; perciò il corpo si dilata, cioè si allarga, si ingrandisce. Si dice che ha una dilatazione termica.

Esempio:

 

COME SI TRASMETTE IL CALORE

Il passaggio di calore da un corpo più caldo a un corpo più freddo avviene in 3 modi:

1. la conduzione = quando il passaggio di calore avviene per contatto diretto, cioè tra due corpi che si toccano

Esempio:

2. la convenzione = quando nei liquidi e nei gas la materia di cui sono fatti si mette in movimento

Esempio:

3. l’irraggiamento = quando il passaggio di calore avviene senza contatto tra i corpi e senza spostamento di materia, ossia a causa delle radiazioni provocate dai corpi caldi

Esempio:

Il riscaldamento di un corpo varia a seconda di

1-     la massa (cioè la grandezza di un corpo; infatti un corpo piccolo di una certa materia si riscalda con una minore quantità di calore rispetto a un corpo grande della stessa materia)

2-     la sostanza (cioè di che cosa è fatto un corpo; infatti la stessa quantità di calore non riscalda allo stesso modo sostanze diverse)

Per misurare il riscaldamento di una sostanza si usa il calore specifico, cioè la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 grado centigrado la temperatura di 1 grammo di quella sostanza.

Per esempio il calore specifico del rame è 0,092 cal/g°C: ciò vuol dire che per far aumentare di 1°C la temperatura di 1 grammo di rame, sono necessarie 0,092 calorie.

Il calore specifico dell’acqua è di 1 cal/g°C.

IL CALORE E GLI STATI DI AGGREGAZIONE

Se a una sostanza viene dato calore, il suo stato di aggregazione può cambiare; si dice che avviene un passaggio di stato. Il passaggio di stato può essere di vari tipi:

1-     fusione = quando una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido

2-     solidificazione = quando una sostanza passa dallo stato liquido allo stato solido

3-     vaporizzazione = quando una sostanza passa dallo stato liquido allo stato di vapore

4-     condensazione = quando una sostanza passa dallo stato di vapore allo stato liquido

5-     brinamento = quando una sostanza passa direttamente dallo stato di vapore allo stato solido

6-     sublimazione = quando una sostanza passa direttamente dallo stato solido allo stato di vapore

IL MOVIMENTO

Osserva:

La quiete
Il movimento

Il movimento (o moto) ha 2 caratteristiche: lo spostamento e la traiettoria.

Lo spostamento è la distanza percorsa tra il punto di partenza e il punto d’arrivo:

La traiettoria è l’itinerario percorso durante lo spostamento. La traiettoria può essere rettilinea o curvilinea.

Traiettoria rettilinea
Traiettoria curvilinea

LA VELOCITÀ

La velocità (v) è il rapporto tra lo spostamento (s) compiuto da un corpo e il tempo (t) che esso impiega a compierlo.

v = s : t [si legge: v uguale s diviso t]

v = 100 m : 12 secondi                  v =  8,3 m/s [si legge: 8,3 metri al secondo]

Ne consegue che:

t = s : v [si legge: t uguale s diviso v]

s = v x t [si legge: s uguale v moltiplicato t]

LE FORZE

La forza è tutto ciò che è capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo, oppure di provocare una deformazione in un corpo.

Esempi:

Forza che mette in moto un corpo
Forza che arresta il moto di un corpo
Forza che devia la traiettoria di un corpo
Forza che deforma un corpo

Ci sono diversi tipi di forze:

la forza peso (o gravità)
la forza di attrito
la forza elastica
la forza elettrica
la forza magnetica

Per misurare le forze si usa il dinamometro:

L’unità di misura della forza è il newton (N).

LA STRUTTURA DEGLI ATOMI

Gli antichi credevano che gli atomi fossero il più piccolo oggetto esistente.

Oggi sappiamo che dentro l’atomo ci sono particelle ancora più piccole:

-         l’elettrone

-         il protone

-         il neutrone

Protone e neutrone hanno quasi la stessa massa, mentre l’elettrone ha una massa 1.836 volte più piccola.

Osserva l’immagine: ci sono alcuni termini che studierai più avanti:

Una proprietà importante di queste 3 particelle è la loro carica elettrica.

Un corpo può avere una carica elettrica positiva (+) o negativa (-) o può non averla (si dice che è neutro).

Due oggetti carichi elettricamente

- si respingono se tutti e due sono positivi o negativi

- si attraggono se uno è positivo e l’altro negativo

Ma se la carica positiva e la carica negativa sono di uguale entità, il corpo è neutro.

Le particelle dell’atomo sono così:

l’elettrone è negativo

il protone è positivo

il neutrone non ha carica, cioè è neutro.

Osserva la figura:

Protoni e neutroni sono molto vicini tra loro, in una zona centrale che si chiama nucleo, mentre gli elettroni si trovano più in periferia (cioè ai margini della zona centrale) e si muovono intorno al nucleo.

Gli atomi sono fatti in questo modo (protoni + neutroni + elettroni) in ogni sostanza; però ogni sostanza è diversa, perché è diverso il numero dei protoni, dei neutroni e degli elettroni.

Il numero di protoni presenti nel nucleo di un atomo si chiama numero atomico e caratterizza l’atomo di ogni singolo elemento. Inoltre, poiché l’atomo è elettronicamente neutro, il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni.

Invece il numero dei neutroni non è fisso, ma variabile. E quando due o più atomi hanno lo stesso numero atomico, ma hanno un diverso numero di neutroni, si dicono isotopi.

Ciò che distingue 2 isotopi di uno stesso elemento è la massa dei loro atomi: il numero di massa è la somma del numero di protoni e di neutroni che formano il nucleo di un atomo.

Osserva la figura:

LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI

Gli atomi degli elementi sono i mattoni con cui è costruita tutta la materia dell’Universo. Per classificare gli elementi, gli scienziati hanno sviluppato una tabella in cui disporre gli elementi con ordine. Questa tabella si chiama tavola periodica degli elementi.

 LE TRASFORMAZIONI DEL NUCLEO

 Il numero di neutroni presenti nell’atomo determina la stabilità nucleare dell’atomo. Che cos’è?

Quando in un atomo il numero dei neutroni è simile a quello dei protoni, l’atomo è stabile, cioè il nucleo dell’atomo riesce a stare insieme.
Invece, quando il numero dei neutroni è maggiore o minore del numero dei protoni, il nucleo è instabile, cioè non riesce a stare insieme e tende a trasformarsi in nuclei di altri elementi.
I nuclei instabili che si trasformano emettendo radiazioni si chiamano radioattivi e le radiazioni che emettono prendono il nome di radioattività.

 LA FUSIONE E LA FISSIONE DEI NUCLEI

 Accade che nuclei con pochi protoni (nuclei leggeri) possono fondersi a formare nuclei con più protoni (nuclei pesanti); questo fenomeno si chiama fusione nucleare, un processo che libera enormi quantità di energia ed è presente nelle stelle come il Sole.

Nel secolo scorso gli scienziati sono riusciti a realizzare un processo nucleare (chiamato fissione nucleare) in cui i nuclei si dividono (un nucleo pesante si spezza, dando origine a due nuclei più leggeri); anche questo processo libera una grande quantità di energia, come avviene nelle bombe atomiche e nelle centrali nucleari oggi esistenti.

 I GUSCI ELETTRONICI

 I gusci elettronici sono le zone attorno al nucleo in cui si trovano gli elettroni: ogni guscio ospita un numero fisso di elettroni (che è diverso da guscio a guscio).

Il primo guscio, più vicino al centro, contiene al massimo due elettroni; nel secondo, un po’ più lontano, ne possono stare non più di otto e così anche nel terzo; il quarto guscio può contenere fino a 18 elettroni e così via.

 I LEGAMI CHIMICI

 In natura è piuttosto raro trovare atomi isolati: di solito atomi isolati si uniscono tra loro a formare molecole di composti. Anche molti elementi chimici sono formati da due o più atomi uguali uniti tra loro. Questa unione tra atomi è detta legame chimico.

Il legame chimico può avvenire tra atomi dello stesso tipo o tra atomi diversi: nel primo caso il risultato sarà un elemento, nel secondo caso un composto.

 Come già sai, i vari elementi vengono indicati da simboli utilizzati in tutto il mondo. Per indicare i composti si usa la loro formula chimica, che indica quali elementi sono presenti e in quali quantità in ogni composto.

Per esempio, la formula chimica dell’acqua è H₂O, che significa che l’acqua è un composto formato da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O).

 IL LAVORO E L’ENERGIA

 In fisica si chiama lavoro una forza impiegata per lo spostamento di qualcosa; si può sintetizzare con questa relazione matematica:

L = F x s
in cui L è il lavoro compiuto, F la forza impiegata, s lo spostamento ottenuto nella direzione della forza.
L’unità di misura del lavoro è il joule (che si indica con il simbolo J): esso è il lavoro compiuto da una forza di 1 newton che produce uno spostamento di 1 metro (in simboli si può scrivere: 1J = 1N x 1m).
In un lavoro si può misurare anche la potenza: essa è il rapporto tra lavoro compiuto e tempo impiegato per compierlo. La formula è: P = L : t, dove P è la potenza, L il lavoro, t il tempo.
L’unità di misura della potenza è il watt (simbolo W), uguale al lavoro di 1 joule effettuato in 1 secondo (1W = 1J : 1s).

 Si chiama energia la capacità di compiere lavoro.

Per fare un lavoro, un corpo deve avere a disposizione dell’energia e deve essere capace di trasferirla ad altri corpi. Il trasferimento dell’energia può avvenire in molti modi diversi.
L’energia in genere viene indicata con il simbolo E e si misura in joule (J) o anche in calorie (cal), o meglio ancora in kilocalorie (kcal).