Unit

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Unità 1

• La chimica
• e
• il metodo sperimentale

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Protagonisti e idee
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La curiosità guida della scienza Di fronte alle
multiformi manifestazioni del mondo, comunemente
dette fenomeni (dal greco fainómenon, ciò che
è visibile, che appare), ognuno di noi è, in
genere, uno spettatore involontario. Il più delle
volte, infatti, guardiamo ciò che succede intorno
a noi, ma non lo osserviamo.
Tutti abbiamo guardato lacqua che bolle in una
pentola, ma forse non abbiamo mai osservato che
le bolle appaiono improvvisamente e si sviluppano
dal fondo del recipiente.
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Relativamente al fenomeno dellebollizione ci si
potrebbe chiedere, per esempio

• perché si formano le bolle?
• che cosa cè al loro interno?
• come mai si originano dal basso?
• perché aumentano di numero e dimensione quanto
  più riscaldiamo lacqua?

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La chimica e la fisica, con il supporto della
matematica, sono in un certo senso la base di
tutte le scienze e permettono alluomo di
interpretare i fenomeni osservati e di penetrare
nella complessità degli eventi che accadono
intorno a lui, nelle dimensioni sia del molto
grande sia del molto piccolo.
Osservando tali fenomeni, possiamo notare delle
regolarità al loro interno, che definiamo leggi,
sulla base delle quali possiamo
rappresentarli attraverso modelli che li
semplificano, secondo un approccio noto come
metodo sperimentale.
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La chimica
La chimicaprospettive di sviluppo La curiosità
ha da sempre spinto luomo a interrogarsi sul
perché avvengano certi fenomeni, come per esempio
la combustione della legna o larrugginimento del
ferro. Tutte le domande che ci possiamo porre a
questo proposito ci conducono, però, a uno stesso
interrogativo quali sono le proprietà delle
sostanze che ci circondano e secondo quali regole
esse si trasformano? Losservazione di ciò che è
presente in natura, lo studio del modo di
ottenere i metalli, il tentativo di migliorarne
le caratteristiche, la scelta dei materiali più
opportuni per gli impieghi desiderati, la
scoperta di nuove sostanze hanno fornito
conoscenze che, nel corso del tempo, si sono
andate organizzando nella chimica.
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La chimica si è specializzata in differenti
settori che rispondono a esigenze diverse. Il suo
sviluppo si è indirizzato agli ambiti della
ricerca, della produzione industriale e del
controllo di parametri analitici per ogni sua
branca specifica.
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Il metodo scientifico
La chimica è una scienza sperimentalestudio
controllato dei fenomeni La chimica è una
scienza perché utilizza un metodo specifico
chiamato metodo sperimentale. Ciò significa che è
completamente fondata sullevidenza sperimentale,
ossia che ogni sua affermazione si basa su
esperimenti.
Un esperimento è unesperienza controllata,
condotta in modo che sia riproducibile da
chiunque, in qualunque luogo e in qualunque
momento, purché effettuata in condizioni
identiche.
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Vogliamo ora prendere in esame i punti salienti
del modo di operare del chimico basato sul metodo
sperimentale. Considera, per esempio, questo
fatto, facilmente osservabile gli oggetti di
acciaio comune, esposti allaria umida, si
ricoprono generalmente di ruggine.
Immagina di voler capire perché questo
accade. Prima di tutto, è necessario osservare
bene il fenomeno, per raccogliere quanti più dati
è possibile.
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Unindagine attenta e guidata dalla curiosità,
unita a qualche ricerca, potrebbe portarti alle
seguenti osservazioni
a. la ruggine si forma quasi esclusivamente su
oggetti esposti allaria b. la sua formazione è
più veloce in presenza di acqua c. la ruggine,
analizzata, mostra una forte presenza di
ferro d. il ferro è il componente principale
dellacciaio.
Nota inoltre che larrugginimento dellacciaio è
un fenomeno del tutto generale, riscontrabile
cioè sempre e ovunque, indipendentemente da cause
particolari come, per esempio, la forma degli
oggetti.
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Queste osservazioni ti consentono di descrivere
dettagliatamente il fenomeno e soprattutto di
formulare unipotesi interpretativa La ruggine
si forma dallinterazione del ferro presente
nellacciaio con laria umida.
Per quanto evidente possa sembrare unipotesi
interpretativa, tuttavia, in accordo con il
metodo sperimentale essa non può essere accettata
come vera se prima non viene controllata. In
questo caso, dovrai verificare se, nelle
condizioni specificate (acciaio aria umida), si
produce effettivamente il fenomeno
(arrugginimento).
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Per indagare il fenomeno dellarrugginimento
potresti allora, per esempio, prendere un chiodo
di acciaio ed esporlo a un ambiente umido, o
immergerlo in acqua. Dopo poche ore, noterai
sulla sua superficie alcuni punti rossastri, che
vanno espandendosi in chiazze.
È ruggine?
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Puoi avere la sicurezza di aver riprodotto il
fenomeno solo analizzando la patina rossastra e
verificando se si ottengono gli stessi risultati
raggiunti negli altri casi già esaminati. Qualora
la patina non risultasse ruggine, non saresti
riuscito a riprodurre il fenomeno e dovresti
concludere che la tua ipotesi interpretativa era
sbagliata. In tal caso dovresti formulare una
nuova ipotesi per spiegare la formazione della
ruggine e sottoporre anchessa a nuove verifiche.
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Se comunque desideri raggiungere una conoscenza
più approfondita, devi prendere in considerazione
il fatto che laria è una miscela costituita
prevalentemente da ossigeno e azoto, oltre a
piccole quantità di altre sostanze. Potresti
dunque ripetere lesperimento precedente
sostituendo allaria solo ossigeno o solo azoto.
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Osserveresti allora che la ruggine si forma solo
in presenza di ossigeno. La tua ipotesi
interpretativa diverrebbe più o meno La ruggine
si forma dallinterazione del ferro presente
nellacciaio con lossigeno atmosferico, in
presenza di acqua. Questa ipotesi costituisce
una buona descrizione del fenomeno, almeno dal
punto di vista qualitativo. Sinteticamente,
potremmo esprimerla così ferro ossigeno
acqua producono ossido ferrico idrato dove
ossido ferrico idrato è il nome chimico della
ruggine oppure, utilizzando i simboli propri
della chimica, che diverranno chiari in seguito
Fe O2 H2O Fe2O3 H2O
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Quello che ancora ti manca è capire quanta acqua
e quanto ferro sono necessari perché si formi la
ruggine. Ti serve, cioè, una descrizione anche
quantitativa del fenomeno.Dovresti allora
preparare una serie di esperimenti simili ai
precedenti, ma nei quali variare in modo
controllato le quantità di ferro, di ossigeno e
di acqua impiegate, da misurare ogni volta con
precisione.Arriveresti in tal modo alla seguente
espressione
Sei giunto insomma a formulare una legge che
descrive esattamente quanto succede e consente di
fare previsioni che, verificate sperimentalmente,
risultano corrette.
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Unassunzione fondamentale della ricerca
scientifica è che i fenomeni naturali obbediscano
a poche leggi del tutto generali. Si tratta
allora di trovare delle uniformità nelle
osservazioni, pur distinguendo ciò che
differenzia tra loro i fenomeni.
Una volta formulata, una legge, grazie al suo
potere predittivo, permette di fare nuove ipotesi
e spesso fornisce spunti per nuove osservazioni,
che conducono a formulare nuove leggi. Così fu,
per esempio, per le più importanti e note leggi
della fisica, come la legge di Newton o la legge
di Ohm, e della chimica, come la legge di
Lavoisier.
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Per individuare le regolarità cui sono soggetti i
fenomeni, tuttavia, la semplice osservazione
spesso non è sufficiente. I dati sperimentali
raccolti grazie a essa vanno infatti elaborati e
interpretati. Per farlo, la chimica, come tutte
le scienze, fa uso di tabelle e grafici. Questi
ultimi, in particolare, aiutano a evidenziare
landamento dei valori riscontrati, mettono in
luce i dati più significativi e quelli
discordanti. Si possono così più facilmente
scoprire le eventuali regolarità che legano tra
loro le grandezze osservate.
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Una legge trovata sperimentalmente descrive
correttamente un fenomeno (o una classe di
fenomeni). Essa permette cioè di descrivere che
cosa succede quando quel fenomeno si
manifesta. Ma la legge non spiega perché avviene
il fenomeno che descrive. E quando più leggi
concernono fenomeni simili, cerchiamo in che modo
possano essere correlate tra loro. Ne cerchiamo
cioè delle radici comuni, che possano
spiegarle. In tutti questi casi, siamo spinti a
formulare unipotesi più ampia e articolata, una
teoria, che possa spiegare tutti i fenomeni
descritti dalle diverse leggi trovate.
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Per tornare allesempio della ruggine, potresti
progettare nuove esperienze, analoghe a quelle
condotte, per studiare il comportamento
dellacciaio in presenza di altre sostanze,
diverse dallacqua.
Individueresti così una serie di leggi capaci di
descrivere, nel loro insieme, il comportamento
generale del ferro (che, come ricorderai, è il
principale componente dellacciaio). Si possono
unificare, cioè ricondurre a una spiegazione
comune?
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La risposta è sì esiste una teoria che spiega il
comportamento del ferro in tutti i casi studiati.
Essa, tuttavia, rimanda alla struttura intima
delle particelle (atomi) che costitueiscono la
sostanza ferro e richiede, dunque, conoscenze
che ancora non hai, ma che acquisirai nel seguito
di questo Corso.
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In base al metodo scientifico, una teoria è
considerata corretta fino a quando riesce a
spiegare tutti i fenomeni osservati e a formulare
previsioni corrette su fenomeni nuovi. Quando si
osservano fenomeni che la contraddicono ovvero
che, come si dice, la falsificano la teoria va
abbandonata. Ricorda che un numero qualunque di
verifiche positive, per quanto grande sia, non è
sufficiente a far accettare come valida in modo
definitivo unipotesi o una teoria basta infatti
una sola prova contraria per falsificarla,
vanificando quanto accettato fino a quel
momento. Secondo la definizione oggi più diffusa,
una teoria può dirsi scientifica solo se è
falsificabile, ossia solo se è possibile
smentirne sperimentalmente le previsioni.
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Green Chemistry
Una nuova via la chimica sostenibile A causa
anche di incidenti quali quelli di Bhopal, la
chimica è spesso associata, nei mezzi
dinformazione, allinquinamento e al pericolo.
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La chimica viene messa in relazione con la
contaminazione di vaste aree per la fuoriuscita
di petrolio, le piogge acide, la corrosione dei
monumenti, linquinamento da metalli.
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Green Chemistry
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Essa, però, è anche la scienza dei motori a
idrogeno, delle sostanze che combattono
linquinamento e che aumentano la produttività
dei terreni, dei prodotti ignifughi, dei
farmaci salvavita.
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È anche la scienza dellaria pulita e dellacqua
pura, necessarie alla nostra stessa vita.
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Oggi è necessario sperimentare con urgenza nuove
vie per migliorare i processi di trasformazione
chimica, ottimizzando il recupero di materiali e
di energia. Non mancano esempi virtuosi, che però
prevedono ancora costi elevati e non hanno
trovato il pieno e consapevole coinvolgimento dei
cittadini.
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Ne sono esempio i nuovi inceneritori, che
consentono di smaltire i rifiuti nel pieno
rispetto dellambiente. Sarà anche grazie al
nostro impegno se in un futuro prossimo potremo
renderli competitivi con gli impianti e i sistemi
attualmente in uso. La chimica dà alluomo il
potere di agire sul mondo che lo circonda.
Maggiore è il potere, però, maggiore è anche il
rischio a cui un suo cattivo impiego ci espone.
Solo una buona conoscenza della chimica e dei
suoi effetti permette di cercare il migliore
compromesso fra rischi e vantaggi e di agire di
conseguenza.
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Per limitare i rischi, inoltre, molti ricercatori
e molte aziende si sono dati un codice etico di
comportamento che, in qualche caso, è addirittura
più restrittivo delle leggi di controllo
promulgate dai Paesi nei quali operano.
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Protagonisti e idee
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Protagonisti e idee
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LAccademia dei Lincei, fondata nel 1603, è la
più antica accademia scientifica del mondo
annoverò tra i suoi primi Soci Galileo Galilei.
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