La Chimica nel Contesto
In tutta la storia dell'umanità, la mente delle persone ha cercato di trasformare la materia in cose più utili. I nostri antenati dell'Età della Pietra scheggiavano pezzi di selce per ricavarne strumenti pratici e scolpivano il legno per farne statue e giocattoli. Questi sforzi implicavano il cambiamento della forma di un oggetto senza alterarne la sostanza stessa. Ma con l'aumentare della conoscenza, si è iniziato a cambiare anche la composizione delle cose: l'argilla è stata trasformata in ceramica, le pelli venivano conciate per farne indumenti, i minerali di rame diventavano strumenti e armi, e il grano veniva trasformato in pane. L'uomo ha iniziato a praticare la chimica una volta appreso come gestire il fuoco e usarlo per cucinare, produrre ceramica e fondere i metalli. Successivamente, ha iniziato a isolare e utilizzare particolari tipi di materia. Dalle piante sono stati estratti vari farmaci come l'aloe, la mirra e l'oppio. I coloranti, come l'indaco e la porpora di Tiro, venivano ricavati da materia vegetale e animale. I metalli venivano combinati per creare leghe — mescolando rame e stagno per fare il bronzo, per esempio — e metodi di fusione più ingegnosi produssero il ferro. Gli alcali venivano ricavati dalle ceneri e i saponi erano prodotti mescolando quegli alcali con i grassi. L'alcol veniva prodotto tramite fermentazione e purificato mediante distillazione. I tentativi di capire come si comporta la materia risalgono a più di 2500 anni fa. Già nel VI secolo a.C., i filosofi greci discutevano di un sistema in cui l'acqua era la base di tutte le cose. Potresti aver sentito parlare del postulato greco secondo cui la materia è composta da quattro elementi: terra, aria, fuoco e acqua. In seguito, un mix di tecnologie chimiche e speculazioni filosofiche si diffuse dall'Egitto, dalla Cina e dal Mediterraneo orientale grazie agli alchimisti, che cercavano di trasformare i "metalli vili" come il piombo in "metalli nobili" come l'oro, e di creare elisir per curare le malattie e prolungare la vita.
STEM: Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica
Discussione sulla chimica come scienza centrale.
La chimica è talvolta chiamata "la scienza centrale" perché è collegata a una vasta gamma di altre discipline STEM (STEM è l'acronimo di scienza, tecnologia, ingegneria e matematica). La chimica e il linguaggio dei chimici svolgono un ruolo vitale nella biologia, nella medicina, nella scienza dei materiali, nella medicina legale, nelle scienze ambientali e in molti altri campi.
I principi di base della fisica sono essenziali per comprendere molti aspetti della chimica, e c'è una massiccia sovrapposizione tra molte sottodiscipline all'interno dei due campi, come la chimica fisica e la chimica nucleare. La matematica, l'informatica e la teoria dell'informazione forniscono strumenti importanti che ci aiutano a calcolare, interpretare, descrivere e, in generale, dare un senso al mondo chimico.
La biologia e la chimica si uniscono nella biochimica, che è fondamentale per comprendere i molti fattori e processi complessi che mantengono in vita gli organismi viventi (come noi, per esempio). L'ingegneria chimica, la scienza dei materiali e la nanotecnologia combinano principi chimici e scoperte empiriche per produrre sostanze utili, che vanno dalla benzina ai tessuti, fino all'elettronica.
L'agricoltura, la scienza alimentare, la medicina veterinaria e la produzione di birra e vino aiutano a fornire sostentamento sotto forma di cibo e bevande alla popolazione mondiale. La medicina, la farmacologia, la biotecnologia e la botanica identificano e producono sostanze che ci aiutano a restare in salute. Le scienze ambientali, la geologia, l'oceanografia e le scienze atmosferiche utilizzano molte idee chimiche per aiutarci a comprendere e proteggere meglio il nostro mondo fisico. Persino nell'astronomia e nella cosmologia si usano concetti chimici per comprendere l'universo.
Quali sono alcuni cambiamenti della materia essenziali per la vita quotidiana? La digestione e l'assimilazione del cibo, la produzione di polimeri per abiti, contenitori, stoviglie e carte di credito, e la raffinazione del petrolio greggio in benzina e altri prodotti sono solo alcuni esempi.
Man mano che procederai in questo corso, scoprirai molti esempi diversi di cambiamenti nella composizione e nella struttura della materia, come classificare tali cambiamenti e come sono avvenuti, cosa li ha causati, le variazioni di energia che li accompagnano e i principi e le leggi coinvolti.
Imparando queste cose, studierai la chimica — lo studio della composizione, delle proprietà e delle interazioni della materia. La pratica della chimica non si limita ai libri o ai laboratori: accade ogni volta che qualcuno è coinvolto in cambiamenti della materia o in condizioni che potrebbero portare a tali cambiamenti.
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Il Contadino
Questa è la mia fattoria
È tempo di raccolto
Questo è il periodo delle tasse
Il giorno dopo gli dei mi avevano abbandonato
Mio figlio corse in città cercando un antidoto
Sono salvo
Il giorno seguente, vendetti la grande quantità di grano raccolto
L'uomo dal nome straordinario 'Agronomo' arrivò alla fattoria
Fui sorpreso dalla visita dell'agronomo in una strana carrozza
Così decidemmo di fare le valigie per il viaggio di mio figlio con l'agronomo
Il figlio del contadino arrivò in città con l'agronomo
La prima sosta fu in un posto chiamato 'alma mater', ma il vero nome era l'università futuristica
Mi portò alla cattedra di micologia (qualunque cosa significhi)
Ricordai il dottore che diede l'antidoto per mio padre
Poi ci furono diverse visite ai loro amici, che si chiamavano tra loro 'colleghi'
Così camminammo di stanza in stanza tutto il giorno
Alla fine ebbi molta fame e lo dissi al mio curatore (l'Agronomo)
Poi visitammo il dipartimento chiamato 'chimica inorganica'
Il professore spiega che un certo argomento è estremamente importante per questi processi, e lo chiamò 'energia'
Seguirono altre visite; la mia ansia cresceva a ogni tappa, ma allo stesso tempo cresceva anche l'interesse
Il giorno dopo tornammo verso casa, ma chiesi di visitare la fucina di mio zio
Così mi svegliai al mattino pensando fosse un sogno, ma...
Per i successivi anni, ho dedicato tutta la mia vita allo studio della chimica. Grazie, signor Agronomo.
D'ora in avanti, tutto il resto di questo tutorial riguarderà l'apprendimento della chimica — lo studio di ciò di cui è fatta la materia, come si comporta e come reagisce. Non pensare che la pratica della chimica sia solo per quei vecchi libri polverosi o per laboratori sofisticati. Accade continuamente, ogni volta che qualcuno è coinvolto in cambiamenti della materia o nelle condizioni che ne causano il mutamento.
Il Metodo Scientifico
La chimica è una scienza basata sull'osservazione e sulla sperimentazione. Fare chimica implica cercare di rispondere a domande e spiegare osservazioni in termini di leggi e teorie della chimica, utilizzando procedure accettate dalla comunità scientifica. Non esiste un'unica strada per rispondere a una domanda o spiegare un'osservazione, ma c'è un aspetto comune a ogni approccio: ognuno utilizza conoscenze basate su esperimenti che possono essere riprodotti per verificare i risultati. Alcuni percorsi prevedono un'ipotesi, una spiegazione provvisoria delle osservazioni che funge da guida per la raccolta e la verifica delle informazioni. Testiamo un'ipotesi attraverso la sperimentazione, il calcolo e/o il confronto con gli esperimenti di altri, per poi affinarla secondo necessità.
Alcune ipotesi sono tentativi di spiegare il comportamento riassunto nelle leggi. Le leggi della scienza riassumono un vasto numero di osservazioni sperimentali e descrivono o prevedono alcuni aspetti del mondo naturale. Se tale ipotesi si rivela capace di spiegare un ampio corpo di dati sperimentali, può raggiungere lo status di teoria. Le teorie scientifiche sono spiegazioni ben fondate, complete e verificabili di particolari aspetti della natura. Le teorie vengono accettate perché forniscono spiegazioni soddisfacenti, ma possono essere modificate se si rendono disponibili nuovi dati. Il percorso di scoperta che conduce dalla domanda e dall'osservazione alla legge o all'ipotesi, fino alla teoria, combinato con la verifica sperimentale dell'ipotesi e ogni necessaria modifica della teoria, è chiamato metodo scientifico.
Il metodo scientifico segue un processo simile a quello mostrato in questo diagramma. Tutti i componenti chiave sono illustrati, seguendo all'incirca l'ordine corretto. Il progresso scientifico è raramente un percorso lineare e ordinato: richiede un'indagine aperta e la rielaborazione di domande e idee in risposta ai risultati ottenuti.
I domini della chimica
Per descrivere il comportamento della materia e dell'energia, i chimici utilizzano tre domini distinti: macroscopico, microscopico e simbolico. Questi quadri concettuali offrono diverse prospettive per analizzare i fenomeni chimici.
Il dominio macroscopico:
Derivante dal termine greco che significa 'grande', il dominio macroscopico comprende il regno dell'esperienza quotidiana. Include tutto ciò che è abbastanza grande da essere percepito direttamente dai sensi umani, come il cibo che consumiamo o la sensazione tattile di una brezza. Sia nella vita quotidiana che in laboratorio, è in questo dominio che osserviamo e misuriamo le proprietà fisiche e chimiche — come la densità, la solubilità e l'infiammabilità — e assistiamo alle transizioni visibili della materia.
Il dominio microscopico:
Il dominio microscopico, dal termine greco che significa 'piccolo', richiede spesso l'uso dell'immaginazione o di una strumentazione specializzata. Sebbene alcuni aspetti, come i batteri o la superficie della grafite, possano essere osservati attraverso i microscopi tradizionali, i soggetti fondamentali della chimica esistono a una scala molto più ridotta.
Microscopico visibile: Entità come virus o cellule che richiedono un ingrandimento per essere viste.
Submicroscopico: La maggior parte delle entità chimiche — inclusi atomi, molecole, ioni e particelle subatomiche (protoni, neutroni ed elettroni) — sono troppo piccole per essere viste anche con i microscopi standard.
Questo dominio si concentra sulle interazioni discrete che guidano i cambiamenti osservabili, come la disposizione dei singoli atomi di metallo in un filo, la struttura cristallina degli ioni di sale, o la rottura e la formazione di legami chimici che provocano lo sviluppo di calore o variazioni di colore.
Il dominio simbolico:
Il dominio simbolico contiene il linguaggio specializzato utilizzato per rappresentare i componenti dei domini macroscopico e microscopico. I simboli chimici (come quelli usati nella tavola periodica), le formule chimiche e le equazioni chimiche fanno parte del dominio simbolico, così come i grafici e i disegni. Possiamo anche considerare i calcoli come parte del dominio simbolico.
Questi simboli svolgono un ruolo importante in chimica perché aiutano a interpretare il comportamento del dominio macroscopico in termini di componenti del dominio microscopico. Una delle sfide per gli studenti che imparano la chimica è riconoscere che gli stessi simboli possono rappresentare cose diverse nei domini macroscopico e microscopico. Una delle caratteristiche che rendono affascinante la chimica è l'uso di un dominio che deve essere immaginato per spiegare il comportamento in un dominio che può essere osservato.
Un modo utile per comprendere i tre domini è attraverso l'acqua, sostanza essenziale e ubiquitaria.
Dominio macroscopico: Le osservazioni secondo cui l'acqua è liquida a temperature moderate, congela in un solido a temperature più basse e bolle in un gas a temperature più elevate sono macroscopiche.
Dominio microscopico: Alcune proprietà dell'acqua rientrano nel dominio microscopico — ciò che non può essere osservato a occhio nudo. Ciò include la descrizione dell'acqua come composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, nonché la spiegazione del congelamento e dell'ebollizione in termini di attrazione tra queste molecole.
Dominio simbolico: La formula H2O, che può descrivere l'acqua sia a livello macroscopico che microscopico, è un esempio del dominio simbolico. Anche le abbreviazioni (g) per gas, (s) per solido e (l) per liquido sono simboliche.
La formula H2O simboleggia: l'acqua, e (g), (s) e (l) simboleggiano le sue fasi.
L'acqua allo stato gassoso
L'acqua allo stato liquido
Il ghiaccio è la fase solida dell'acqua
