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Capitolo 1

Le misure

e le grandezze

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La chimica:�dal macroscopico al microscopico

La materia è tutto ciò che occupa uno spazio

e possiede una massa.

La chimica è la scienza che studia la composizione,

la struttura e le trasformazioni della materia.

La chimica si basa sulla teoria per cui tutti i materiali

che ci circondano e costituiscono i nostri corpi sono formati da atomi (piccolissime particelle elettricamente neutre) e ioni (atomi elettricamente carichi).

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

Le proprietà che possono essere misurate, come

la massa o la densità, si chiamano grandezze fisiche.

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Simbolo della grandezza

m = 10 Kg

Simbolo dell’unità di misura.

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

La comunità scientifica internazionale ha identificato sette grandezze indipendenti, le grandezze fondamentali, dalle quali possono essere ricavate tutte le altre (grandezze derivate).

Il sistema metrico fondato sulle sette grandezze fondamentali è chiamato Sistema Internazionale

di unità (abbreviato in SI).

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

A ciascuna grandezza fondamentale è stata assegnata una propria unità di misura.

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

Dalla combinazione algebrica delle sette unità fondamentali si possono ottenere le unità di misura delle grandezze derivate.

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

Spesso si usano multipli e sottomultipli dell’unità

di misura, indicati da un prefisso e da un simbolo.

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Il Sistema Internazionale �di unità di misura

Per esprimere il valore di una grandezza si ricorre

alla notazione scientifica esponenziale.

150000 = 1,5 x 105

0,0000006 = 6 x 10-7

L’ordine di grandezza del numero è definito come

la potenza di 10 che più si avvicina al numero.

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2-Grandezze estensive �e grandezze intensive

Le grandezze che descrivono le proprietà della materia sono di due tipi:

  • grandezze estensive, che sono le proprietà fisiche

che dipendono dalla dimensione del campione;

  • grandezze intensive, che sono le proprietà fisiche

di un materiale che non dipendono dalla dimensione

del campione.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

L’unità di misura della lunghezza nel SI è il metro, m.

Per esprimere la dimensione di un atomo o la lunghezza d’onda di un fascio di luce, si sceglie il sottomultiplo nanometro, nm (10−9 m), o, più raramente, l’ångström,

Å (10−10 m), un’unità di misura non inclusa nel Sistema Internazionale.

Fra i due sottomultipli del metro esiste la seguente relazione: 10 Å = 1 nm.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Il volume è una grandezza derivata da una lunghezza elevata al cubo e la sua unità di misura nel SI

è il metro cubo, m3.

Per la conversione delle misure, si ricorda che:

1 L = 10-3 m3 = 1 dm3 = 1000 cm3

1 L = 1000 mL

Pertanto:

1000 mL = 1000 cm3

1 mL = 1 cm3 = 10-3 dm3

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Vetreria di laboratorio

utilizzata per la

determinazione di volumi:

cilindro graduato (a sinistra)

e matraccio tarato (a destra).

Vetreria di laboratorio

utilizzata per prelevare piccole quantità di liquidi:

A buretta graduata e B pipetta tarata.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

La massa è la misura dell’inerzia di un corpo,

è cioè la misura della resistenza che un corpo

oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto.

L’unità di massa prescelta dal SI è il kilogrammo, kg.

La massa si misura per mezzo di una bilancia in cui

la massa dell’oggetto incognito viene confrontata

con una serie di masse standard.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Bilance diverse possono avere portata e sensibilità molto

differenti. La portata di uno strumento è uguale al massimo valore della grandezza che si può misurare, mentre la sensibilità è uguale alla minima variazione

registrabile dallo strumento.

In laboratorio si parla di bilance analitiche, in grado

di effettuare pesate con una precisione di 0,0001 g,

e di bilance tecniche, che hanno maggiore portata

ma minore sensibilità (0,001 g).

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Bilancia a due piatti (a sinistra), bilancia elettronica

(al centro) e bilancia analitica (a destra).

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Il peso è dato dal prodotto della massa (kg)

per l’accelerazione di gravità:

P = m ∙ g

dove g è l’accelerazione di gravità, che

sulla superficie terrestre è pari a 9,8 m/s2.

Il peso è una forza, ha la sua stessa unità di

misura, il newton (N), e si misura con il dinamometro.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

La massa è una proprietà caratteristica di ciascun corpo.

Il peso cambia da un luogo a un altro della superficie terrestre e da un pianeta all’altro, in funzione dell’accelerazione di gravità, g.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

La densità (kg/m3) di un corpo è il rapporto fra la sua massa e il suo volume:

È una proprietà intensiva della materia che varia

al variare della temperatura del campione e non dipende dalla quantità di materia presente nel campione.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

All’aumentare della massa

del campione aumenta in

proporzione anche il suo volume,

perciò la densità non varia.

I valori di densità sono espressi in kg/m3, ma, comunemente, si adoperano anche il grammo (g) per la massa e il millilitro (mL) o il centimetro cubo (cm3) per il volume. Per i gas la densità è espressa generalmente in grammi/litro (g/L).

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

La densità relativa esprime il rapporto tra la massa

di un corpo, misurata a 20 °C, e la massa di un uguale volume di acqua distillata, misurata a 4 °C;

si tratta perciò di un numero puro.

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Grandezze estensive �e grandezze intensive

Il peso specifico (N/m3) di un corpo è il rapporto

fra il suo peso e il suo volume, ovvero corrisponde �al prodotto della densità per l’accelerazione di gravità:

È una proprietà intensiva della materia.

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Temperatura e termometri

La temperatura è una grandezza intensiva che fornisce una misura di quanto un corpo è caldo o freddo.

Il calore è una grandezza estensiva che rappresenta

un trasferimento di energia da un corpo a temperatura

più elevata a uno con temperatura più bassa.

Il trasferimento cessa quando i due corpi

raggiungono la stessa temperatura.

Nel SI l’unità di misura del calore è il joule (J).

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Temperatura e termometri

La temperatura si misura con il termometro, che si basa

sulla capacità che hanno i liquidi (ma anche i solidi

e i gas) di dilatarsi all’aumentare della temperatura.

Le scale termometriche più utilizzate sono:

  • scala Celsius (°C)
  • scala Kelvin (K)
  • scala Fahrenheit (°F)

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Temperatura e termometri

Per convertire in kelvin (T) una temperatura espressa

in gradi Celsius (t), si applica la seguente relazione:

T (K) = t (°C) + 273,15

Per convertire la temperatura espressa nella scala Fahrenheit in gradi Celsius si usa la relazione:

°C = (°F − 32)

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1,8

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Temperatura e termometri

Corrispondenza fra le diverse scale termometriche

(il valore 273,15 è stato approssimato a 273).

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Misure precise e misure accurate

Ogni misura è accompagnata inevitabilmente

da errori che possono essere:

  • sistematici, legati all’imprecisione dello strumento;
  • accidentali, dovuti a piccoli cambiamenti delle condizioni in cui avviene la misurazione.

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Misure precise e misure accurate

In base alla teoria degli errori, il valore più attendibile

di una misura si ottiene calcolando la media aritmetica dei risultati ottenuti.

La media aritmetica dei valori raccolti si calcola sommando tutti i valori delle misure e dividendo

il risultato per il numero dei valori.

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Misure precise e misure accurate

La media aritmetica x

m1=2,80 g m2=2,72 g m3=2,74 g m1=2,76 g m1=2,68 g

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2,80g + 2,72g + 2,74g + 2,76g + 2,68g

5

X =

= 2,74 g

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Misure precise e misure accurate

L’errore assoluto, ea, si ottiene calcolando la differenza

tra il massimo valore misurato e il valore minimo, dividendo poi il risultato per due:

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Xmax – X min

2

ea =

= 0,06 g

2,80 g – 2,68 g

2

ea =

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Misure precise e misure accurate

L’intervallo dei valori accettabili = x ± ea

intervallo dei valori accettabili= 2,74 ± 0,06 g

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Misure precise e misure accurate

L’errore relativo, er, è una grandezza adimensionale data dal rapporto tra l’errore assoluto e la media dei valori:

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x

ea

er =

2,74 g

0,06 g

er =

= 0,02

= 2 %

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L’incertezza di una misura

Spesso l’incertezza di una misura è determinata dalla sensibilità dello strumento che si utilizza.

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L’incertezza della misura eseguita con la bilancia mostrata è sul grammo. Infatti la bilancia segna 150 g e quindi la mela ha un peso compreso tra 149 g e 151 g.

m= 150±1 g

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Misure precise e misure accurate

Una singola misura è precisa quando non si discosta molto dal valore medio di una serie ripetuta di misure.

Una misura è accurata se la media è vicina al risultato ritenuto vero.

In generale, gli errori accidentali influiscono sulla precisione di una misurazione, mentre quelli sistematici influiscono sulla sua accuratezza.

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Misure precise e misure accurate

I modi in cui si distribuiscono le freccette su un bersaglio aiutano a capire la differenza tra precisione e accuratezza.

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Le cifre significative

Il modo più semplice per indicare l’incertezza della misura è utilizzare le cifre significative.

Si definiscono cifre significative tutte le cifre certe

di una misurazione più la prima cifra incerta.

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Le cifre significative

Le cifre significative si indicano in base alle seguenti regole:

  • tutti i numeri diversi da zero si considerano cifre significative;
  • gli zeri che si trovano fra due cifre significative

sono sempre significativi;

  • gli zeri che precedono, a sinistra, la prima cifra

diversa da zero non sono significativi;

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Le cifre significative

  • gli zeri terminali, a destra di una cifra decimale

diversa da zero, sono cifre significative.

Numeri e cifre significative.

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Le cifre significative

Quando si ottiene un risultato con cifre che non sono tutte significative si arrotonda con le seguenti regole:

  • se la prima cifra da eliminare è minore di 5,

la cifra precedente rimane uguale;

  • se la prima cifra da eliminare è maggiore di 5,

si aumenta di 1 la cifra precedente;

  • se la prima cifra da eliminare è 5, si può usare indifferentemente la prima o la seconda regola.

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Le cifre significative

Per risultati ottenuti mediante addizione e sottrazione si arrotonda in modo che il risultato abbia lo stesso numero di cifre decimali del dato che ne ha di meno.

Con moltiplicazione e divisione, il numero delle cifre significative finali non può superare il numero delle cifre significative del dato meno accurato: si arrotonda allo stesso numero di cifre significative del dato che ne ha

di meno.

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