I giovani e le scienze 2012

24 01 2012

 

     Cos’è? Si tratta della selezione italiana di un concorso rivolto a studenti  appassionati e “giovani scienziati”, organizzata dalla Fast (Federazione delle associazioni scientifiche e tecniche) nell’ambito dell’iniziativa European Union Contest for Young Scientists. Possono partecipare studenti, singoli o in gruppi, con un’età compresa tra i 14 e i 21 anni frequentanti le scuole secondarie di II grado. Cosa fare? Bisogna realizzare uno Studio o progetti originali e innovativi in qualsiasi campo scientifico, ad esempio: acqua, scienze della terra, chimica, fisica, matematica, medicina, salute, scienze biologiche, scienze ambientali, energia (con particolare riferimento alle fonti rinnovabili e alle tecnologie dell’idrogeno), tecnologie dell’informazione, … La scadenza per partecipare alla selezione è molto ravvicinata: il 16 febbraio 2012. Entro tale data, chi volesse partecipare deve preparare il progetto e alcuni documenti in formato cartaceo e/o elettronico, oltre a compilare il modulo di iscrizione. A livello europeo, il Concorso EUCYS è stato voluto da Commissione, Consiglio e Parlamento e intende promuove la cooperazione e l’interscambio tra gli studenti. Per i consigli su come preparare un buon progetto, vedi i link sottostanti. Si tratta di un’ottima opportunità per “mettersi in gioco”, mostrare la propria passione per le scienze e la propria creatività, anche se non si dovesse arrivare alla fase europea.

Per il bando e ulteriori informazioni: http://www.fast.mi.it/giovaniescienze2012.htm oppure: http://ec.europa.eu/research/leaflets/young-scientists/index_it.html

 




Bilanciamento di equazioni chimiche

22 01 2012

          

 

 

 

 

 

 

 

Il bilanciamento delle equazioni chimiche è un’operazione fondamentale per rappresentare in modo corretto i rapporti quantitativi delle sostanze che prendono parte ad una reazione chimica. Ricordiamo che non bisogna confondere reazione ed equazione chimica. La prima è una trasformazione delle sostanze in cui non si crea né distrugge materia ma ci sono solo atomi dei reagenti che modificano i loro legami nei prodotti, formando nuove sostanze. Le equazioni chimiche invece sono scritture abbreviate, sintetiche, simboliche delle reazioni chimiche. Quindi quelle rappresentate in basso sono equazioni che rappresentano le trasformazioni (reali) che avvengono in natura o in un laboratorio. In generale, nelle reazioni chimiche c’è la rottura di alcuni legami e la formazione di legami chimici nuovi.

     Il bilanciamento di un’equazione chimica deve fare in modo che il tipo e il numero di atomi presenti nei prodotti sia lo stesso di quelli dei reagenti, rispettando quindi la legge di conservazione della massa (o legge di Lavoisier). Spesso il bilanciamento è un’operazione abbastanza semplice perché i coefficienti da inserire sono numeri interi piccoli e determinabili a prima vista. Nota bene: una buona parte delle reazioni chimiche riguardanti i composti inorganici, avviene in soluzione acquosa, cioè i reagenti per essere mescolati vengono prima sciolti in acqua per consentire il contatto tra le particelle. Questo può determinare un’interazione tra reagenti, acqua e prodotti. Tralasciando le reazioni di ossido-riduzione che vedremo a parte, vediamo i passaggi da seguire per il bilanciamento. 1. Si analizzano e si contano gli atomi dei reagenti e dei prodotti, determinando quali devono essere bilanciati; 2. Generalmente si parte dai metalli, si prosegue con i non metalli e infine con l’idrogeno e l’ossigeno; 3. Si bilanciano gli elementi uno alla volta, inserendo gli opportuni coefficienti davanti agli atomi o alle molecole. Ricorda: un coefficiente anteposto ad una formula, si riferisce a tutti gli atomi della formula! 4. Si ricontrollano e si ricontano gli atomi dei vari elementi apportando eventuali ulteriori correzioni ai coefficienti. 5. I coefficienti devono essere formati da valori interi, i più piccoli possibili e quando è 1, si omette. Ad esempio la scrittura:

4NaOH + 2H2SO4 –> 2Na2SO4 + 4H2O  è errata perché tutti i coefficienti sono multipli di 2 e perciò non sono quelli minimi. La scrittura corretta è:

2NaOH + H2SO4 –> Na2SO4 + 2H2

     Alcuni esempi sono stati svolti in classe e altri sono presenti sul libro di testo. Esercitati nel bilanciamento delle seguenti equazioni, scrivi i nomi IUPAC dei composti presenti, scrivi come si leggono (le informazioni che forniscono) le equazioni bilanciate e il tipo di reazione chimica che rappresentano.

Na   +   O2         –>     Na2O

K   +   O2         –>     K2O

Cu   +   O2         –>     Cu2O

Cu   +   O2         –>     CuO

Cl2   +   O2         –>    Cl2O5

Fe    +   O2         –>    FeO

Cl2   +   O2         –>    Cl2O7

Fe    +   O2         –>    Fe 2O3

CH4 +  O2         –>    CO2 + H2O

KClO3  –>  KCl + O

C3 H8 +  O2         –>     CO2 + H2O

C4 H10 +  O2         –>    CO2 + H2O

CH4 +  O2         –>     H2O + CO(in carenza di ossigeno)

Al + Br2 –>  AlBr3

PbO2 –> PbO + O

Al + H2SO4 –> H2 + Al2 (SO4)3

Fe + H2O –> H2 + Fe3O4

HCl + Na2CO3 –> NaCl + H2CO3

C8 H18 +  O2         –>    CO2 + H2O

HNO3 +  NaOH  –>   NaNO3 +  H2O

NaClO3  –>    NaCl  +   O2

FeCl3 + AgNO3 –> AgCl + Fe(NO3)3

Al(OH)3 + HCl  –> AlCl3 + H2O

Al(OH)3 + H2SO4  –> Al2(SO4)3 + H2O

 




Allarme benzene

13 01 2012

     Da molti anni si sa che il benzene è dannoso per la salute. Secondo una notizia d’agenzia riportata alcune settimane fa,  a Cerano in provincia di Novara, sono stati accertati molti superamenti delle soglie massime di benzene consentite in atmosfera. La notizia riportata dal Ticino New e dal TG3 delle Scienze Leonardo, in base ai dati dell’Agenzia Regionale per l’Ambiente (ARPA), sono riferiti al monitoraggio 2009-2010. Il comune di Cerano è confinante con quello di Trecate e con il polo industriale di San Martino di Trecate dove operano impianti chimici, attività di raffineria del petrolio e depositi di idrocarburi. Sicuramente bisognerà intervenire in qualche modo  per ridurre le emissioni di questa ed altre sostanze in atmosfera.

Ma cos’è il benzene? È un idrocarburo aromatico alla base di molti altri composti. Il primo ad isolarlo, nel catrame del carbon fossile, fu l’inglese Michael Faraday (1791-1867) nel 1825. Faraday fu assistente di Humphry Davy (1778-1829, lo scopritore di sodio, potassio, calcio, stronzio, bario e, insieme a Gay-Lussac e Thenerd, anche del boro) a Londra, per qualche tempo. Faraday è famoso per aver scoperto e descritto molti fenomeni e dispositivi che portano il suo nome (effetto Faraday, gabbia di Faraday, leggi di Faraday). Circa due secoli fa, ci vollero alcuni anni per determinare la formula bruta del benzene: C6H6. Ce ne vollero ben quaranta per arrivare ad una formula di struttura soddisfacente e a proporla fu  Friedrich August Kekulé (1829-1896) che, nel 1865, pensò di attribuire al benzene una struttura ad anello esagonale simmetrico, con tre doppi legami alternati a tre legami singoli. Fu un’intuizione geniale e fondamentale per la comprensione delle caratteristiche del benzene e dei suoi derivati. Ma quella proposta da Kekulé non era ancora la struttura definitiva. Dopo oltre cinquant’anni, lo statunitense Linus Pauling (1901-1994) elaborò il concetto di valenza legato alla struttura elettronica del livello energetico più esterno di un atomo e ideò la teoria della risonanza, in base alla quale la formula di molte molecole o ioni poliatomici può essere descritta mediante due o più formule con alcuni elettroni delocalizzati su diversi atomi e legami. Per l’insieme delle sue scoperte, Pauling ricevette il Premio Nobel per la chimica nel 1954. Il suo lavoro proseguì anche con un impegno costante di portavoce nella lotta  per il disarmo nucleare e, nel 1962, ottenne anche il Nobel per la pace.

La reale molecola di benzene non è nessuna delle due specie rappresentate con i doppi legami alternati ma è un ibrido di risonanza tra queste due forme limite. Graficamente l’ibrido si rappresenta con la doppia freccia  <—> oppure, per comodità, con un cerchio interno all’esagono che simboleggia la delocalizzazione degli elettroni dei doppi  legami (legami pi greco). I sei elettroni quindi formano una nube delocalizzata che si estende, simmetricamente, sopra e sotto il piano dell’anello esagonale. Questa conformazione conferisce agli anelli benzenici una caratteristica stabilità. Il benzene costituisce il punto di partenza per la sintesi di molti altri composti aromatici: fenolo, nitrobenzene, anilina, vari coloranti.

Per leggere il rapporto dell’ARPA Piemonte con i dati dell’aria nella zona di Cerano: http://www.comune.cerano.no.it/repository/ARPA_mezzomobile_Cerano_2009_2010.pdf

    La mappa (sopra) dei principali composti derivati dal benzene è tratta da: http://it.wikipedia.org/wiki/Benzene

Le frasi di rischio associate al benzene sono:

R 11, facilmente infiammabile. R 48/23/24/25, Tossico: pericolo di gravi danni alla salute in caso di esposizione prolungata per inalazione, a contatto con la pelle e per ingestione. R 45, può provocare il cancro. R 46, può provocare alterazioni genetiche ereditarie. R 36/38, irritante per gli occhi e la pelle. R 65, nocivo: può causare danni ai polmoni in caso di ingestione.

 




Per il recupero: l’atomo

9 01 2012

   Anche la biologia si occupa, a grandi linee, di atomi e molecole. Vedi e ascolta il video: http://www.scuolavivaonlus.org/video2.php?video=ATOMI+E+MOLECOLE+%28biologia%29.flv

Soprattutto per le classi seconde e per le attività di recupero di biologia e chimica.

      Il secondo video “L’atomo in chimica” è adatto anche per le attività di recupero nelle classi terze.

http://www.scuolavivaonlus.org/video2.php?video=L%27ATOMO+IN+CHIMICA+%28chimica%29.flv

Se può aiutarti, puoi anche stampare il corrispondente testo.




Risposte degli esercizi: Massa molare, percentuali e formule

4 01 2012

            Per permettere un controllo, prima della ripresa delle lezioni, degli esercizi proposti, vi segnalo i risultati e il relativo svolgimento. Altri eventuali dubbi di chi ha avuto qualche difficoltà saranno chiariti in classe. Sarò grato a chi vorrà segnalarmi qualche errore o incongruenza.

1)     Qual è la massa di un atomo di calcio? Poiché una mole di Ca corrisponde a 40,08 grammi e in una mole sono contenuti 6,022*1023 atomi, allora la massa di una atomo di calcio è: (40,08 g / 6,022*1023) = 6,66*10-23 grammi.

2)     Qual è la massa di una mole di Fe(OH)3? Una mole di Fe = 55,85 g, una mole di O=16,00 g, una mole di H= 1,008 g. Perciò una mole di Fe(OH)3 = (55,85+48,00+3,024)g = 106,874 g .

3)     Quante moli di Li sono contenute in 36,00 g di litio? Una mole di litio corrisponde a 6,94 g. Quindi in 36,00 g di litio abbiamo (36,00/6,94)g = 5,19 moli.

4)     Qual è la massa di 4,58 moli di Al2O3 ? Calcolando la massa di una mole del composto, si ha: (2*26,98+48)g = 101,96 g/mol. Allora la massa di 4,58 moli è: 4,58*101,96 g = 466,98 g.

5)     Quante moli sono contenute in 42,1 g di NaHCO3? Come al solito si calcola la massa di una mole del composto: (22,99+1,008+12,01+48) g/mol = 84,008 g/mol . In 42,1 g sono contenute: 42,1 g /8,008 g/mol = 0,5 mol.

6)     Quante molecole d’acqua sono contenute in 12 g di H20? Una mole d’acqua corrisponde a (1,008*2+16)g = 18,016 g. In 12 grammi sono contenute 12 g /18,016 g/mol = 0,666 moli. Sapendo che in una mole d’acqua ci sono sempre 6,022*1023 molecole, in 0,666 moli ce ne saranno 0,666*6,022*1023 = 4,01*1023 .

7)     Qual è la massa di 3,24*1023 molecole di CCl4? Si inizia sempre dalla massa di una mole del composto: (12,01+35,45*4)g = 153,81 g/mol. Trasformando il numero di molecole in moli: (3,24*1023  / 6,022*1023) = 0,538 mol. Infine si trasformano le moli in grammi: 0,538mol*153,81g/mol= 82,754 g.

8)     Quante molecole di acido solforico sono contenute in 0,500 moli di H2SO4? Se in una mole abbiamo 6,022*1023 molecole di acido solforico, in mezza mole ce ne sono: 0,500*6,022*1023 = 3,011*1023 .

9)     Quanti atomi di idrogeno sono contenuti in 0,2 moli di KOH? In una mole di idrossido di potassio ci sono: 6,022*1023 molecole di KOH, ma anche 6,022*1023 atomi di K, di O e di H. In 0,2 moli sono contenuti 0,2*6,022*1023 = 1,204*1023 atomi di idrogeno.

10) Quanti atomi di ossigeno sono contenuti in 0,4 moli di CO2? In 0,4 moli sono contenute 0,4*6,022*1023 molecole di O2 . Poiché in ciascuna molecola diatomica abbiamo due atomi, il numero di atomi di ossigeno richiesti è: 2*0,4*6,022*1023 = 4,82*1023 .

11) A quante moli corrispondono 2,3*1023 molecole di HCl? Basta un solo calcolo, sapendo che le molecole contenute in una mole sono 6,022*1023 , si ha: (2,3*1023) / (6,022*1023) = 0,382 mol .

12) Qual è la massa molare di (NH4)2SO4? Massa molare (NH4)2SO4) = (2*13,01+8*1,008+32,07+4*16,00)g = 132,15 g .

13) Un composto è costituito da 2,016 g di idrogeno e 32,00 g di ossigeno. Qual è la massa percentuale dei due elementi nel composto? Qual è la formula e qual è il nome del composto? Si calcola la massa totale del composto: 2,016 g + 32,00 g = 34,016 g. Si procede poi al calcolo delle percentuali richieste. Percentuale di H = (2,016 g / 34,016 g)*100= 5,9% . Percentuale di O = (32 g / 34,016 g)*100= 94,1%. La formula non può che essere H2O2, perché le masse date corrispondono esattamente a due moli di atomi di idrogeno e due moli di atomi di ossigeno, e si tratta di perossido di idrogeno (acqua ossigenata).

14) Una sostanza è costituita da 12,01 g di carbonio, 16,00 g di ossigeno e 4,032 g di idrogeno. Qual è la percentuale di ciascun elemento? Qual è la formula del composto? Stessa procedura dell’esercizio precedente: massa totale del composto = (12,01+16,00+4,032)g = 32,042 g. Percentuale di C = (12,01 g /32,042 g)*100 = 37,5%. Percentuale di O = (16,0 g /32,042 g)*100 = 49,9%. Percentuale di H = (4,032 g /32,042 g)*100 = 12,6%.

15) Hai a disposizione tre contenitori, rispettivamente con: 200 g di zucchero da tavola (saccarosio, C12H22O11), 50 g di cloruro di sodio e 50 g d’acqua. Dove sono contenute meno molecole (o unità formula)? Qual è il loro numero?

Calcoliamo la massa molare dei tre composti. 1 mol di saccarosio= (12*12,01+22*1,008+11*16)g = 342,3 g/mol . 1 mol di cloruro di sodio= (22,99+35,45)g =  58,44 g/mol . 1 mol d’acqua= 18,016 g/mol .

Calcoliamo il numero di moli dei composti nei tre contenitori. Saccarosio: (200g/mol) / 342,3 g = 0,584 moli. Cloruro sodico: (50 g/mol) / 58,44 g = 0,856 moli. Acqua: (50 g/mol) / 18,02 g = 2,775 moli.

Possiamo già rispodere alla prima domanda: ad un minor numero di moli, corrisponde un minor numero di molecole, quindi ce ne sono di meno nello zucchero. Calcoliamo il loro numero: saccarosio= 0,584*6,022*1023 = 3,517*1023 molecole; cloruro sodico= 0,856*6,022*1023 = 5,155*1023 unità formula (ricordi? Nel caso di composti ionici non si parla di molecole); acqua= 2,775*6,022*1023 = 16,71*1023 = 1,671*1024 molecole.

 




Carbone sì, carbone no

2 01 2012

Il dilemma non riguarda la composizione della calza della befana che si preparerà in molte famiglie nei prossimi giorni, ma le scelte di politica energetica, ambientale ed economica degli Stati e delle aziende produttrici di energia. Dopo il risultato del referendum che, nel nostro Paese almeno per i prossimi anni, ha ribadito un secco no al nucleare, diverse aziende puntano anche ad aumentare l’utilizzo del carbone. Attualmente l’Italia ricava dalla combustione del carbone il 14% circa dell’energia totale. Secondo l’Amministratore Delegato dell’Enel, Fulvio Conti, nei prossimi anni si arriverà al 20%. In base ai dati della IEA (Agenzia Internazionale dell’Energia), in Europa si ricava dal carbone circa il 33% dell’energia totale e la Germania arriva quasi al 50%. Il carbone è un combustibile di origine fossile, già pronto all’uso, che si estrae da miniere sotterranee o miniere a cielo aperto. La sua formazione risale a circa 300 milioni di anni fa ed è composto prevalentemente da carbonio, idrocarburi e minori quantità di altri minerali.

 Quali sono i vantaggi dell’uso del carbone? Sicuramente la sua relativa abbondanza sul Pianeta e il suo basso costo. Secondo i dati del 2011 di Nomisma Energia, il costo dell’energia elettrica prodotta dal carbone è quello più basso, in confronto a quella ricavata dalle altre fonti. Il grafico a sinistra, con i valori in centesimi di euro per kWh, consente un facile raffronto. A questo punto sembra facile trarre conclusioni: la convenienza economica è tale che bisogna incrementare l’uso del carbone. Invece non è così semplice, perché i dati non considerano i costi dell’inquinamento derivante dai processi che portano ad ottenere energia elettrica. In questo caso, tra le varie fonti considerate per ottenere elettricità, sicuramente quella più inquinante è il carbone. Le centrali di ultima generazione consentono di ridurre le emissioni inquinanti ma non l’emissione di CO2. L’adesione dell’Italia e di altri Paesi al Protocollo di kyoto comporta anche l’aumento di costi economici, a fronte di un aumento delle emissioni di CO2. Attualmente in Italia sono in funzione 13 centrali a carbone, la più grande è l’ultima che è entrata in funzione: quella di Torrevaldaliga a Civitavecchia nel Lazio. Era una centrale ad olio combustibile e l’Enel ha deciso di convertirla (con un investimento notevole) in centrale a “carbone pulito”, cioè con emissioni ridotte. La quantità di CO2 emessa però è di circa 10,3 milioni di tonnellate all’anno! Per avere un termine di paragone, la città di Milano in un anno ne emette, con tutte le sue attività civili e industriali (traffico e riscaldamento compresi), circa 2,6 milioni di tonnellate.

Consideriamo poi che l’attuale situazione dei cambiamenti climatici non ci consente di continuare ad aumentare le emissioni di CO2. Nella nostra atmosfera non ce n’è mai stata tanta! Come possiamo affermarlo? I dati provengono dalle ricerche effettuate in Antartide da diverse nazioni. Lo studio delle “carote” di ghiaccio prelevate a diverse profondità ha permesso di analizzare la composizione chimica dell’aria presente nelle “bolle” che vi erano rimaste intrappolate. Si è potuti risalire almeno fino  a 420.000 – 500.000 anni fa. Ebbene la concentrazione del CO2 non è mai stata così elevata. L’aumento brusco, che è tuttora in atto, coincide proprio con la rivoluzione industriale e l’uso massiccio delle fonti di energia fossile. Tutti gli studiosi concordano: il biossido di carbonio è il principale gas ad effetto serra; lascia passare i raggi solari che riscaldano la Terra, ma trattiene i raggi infrarossi emessi dal nostro pianeta che in tal modo non riesce a raffreddarsi come ha sempre fatto. Qualche azienda (ad esempio la Sei, controllata dalla società svizzera Repower), nelle centrali in fase di costruzione prevede, grazie a contributi della Comunità Europea, sistemi “Ccs” (CO2 capture & storage) che aprono però altri problemi: la sostenibilità commerciale e l’individuazione di siti di conservazione del gas.

     Il secondo grafico mostra il costante aumento del CO2 atmosferico dal 1800 ad oggi. I dati della CO2 atmosferica in ppm (parti per milione) sono di Lester Russell Brown, scrittore, ambientalista ed economista statunitense,  fondatore e direttore del Worldwatch Institute di Washington, autore di numerose pubblicazioni.  Il Washington Post lo ha definito “uno dei più influenti opinionisti del mondo”. Appare evidente la necessità di un’inversione di tendenza, pena variazioni climatiche estreme in molte parti del pianeta, una perdita consistente delle riserve d’acqua dolce immagazzinate sotto forma di ghiacci, alluvioni e disastri sempre più frequenti lungo le coste basse di alcune regioni del globo e lungo i corsi d’acqua. I modesti risultati della Conferenza di Durban, conclusa poche settimane fa, purtroppo non inducono all’ottimismo.

I valori attuali del CO2 atmosferico vengono aggiornati mensilmente, nella colonna di destra sull’altro blog, in base ai dati dell’Osservatorio statunitense di Mauna Loa.