Chimica

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La chimica è la scienza, o, più precisamente, è quella branca delle scienze naturali, che si occupa dello studio della costituzione della materia e delle sue trasformazioni; è lo studio degli atomi quali elementi base di costruzione della natura e di come essi si combinano per produrre i solidi, i liquidi, i gas che formano noi stessi e tutto ciò che ci circonda. La conoscenza della struttura elettronica degli atomi è alla base della chimica convenzionale, mentre la conoscenza della struttura del nucleo è alla base della chimica nucleare. La rottura e la formazione dei legami tra gli atomi e le molecole sono responsabili della trasformazione della materia. La chimica si occupa quindi essenzialmente dello studio della natura e della trasformazione dei legami tra gli atomi.

Discipline della Chimica

La chimica è storicamente suddivisa nelle seguenti branche principali:

Altre discipline

Esistono numerosissime specializzazioni e discipline della chimica, ad esempio: La chimica delle macromolecole, l'astrochimica, l'ingegneria chimica, la chimica computazionale, l'elettrochimica, la geochimica, l'ingegneria dei materiali, la biologia molecolare, la chimica nucleare, la metallorganica, la stereochimica, la chimica ambientale, la chimica verde, la radiochimica, la chimica del suolo.

Concetti base

Atomi e molecole

La materia è formata da particelle piccolissime chiamate atomi: in natura ne esistono un centinaio e ognuno di essi ha struttura e proprietà differenti. Quando gli atomi si combinano fra loro si generano delle molecole.

La struttura dell'atomo
La tavola periodica degli elementi
Numero atomico, peso atomico, numero di massa
Metalli, Nonmetalli, Metalloidi, Gas nobili
La molecola e la struttura molecolare
Gli ioni, anioni e cationi
Formula chimica, Isomeria, Chiralità
IUPAC, Nomenclatura chimica

I legami chimici e le forze di attrazione intermolecolare

Gli atomi possono legarsi fra loro, e la forza che li unisce viene definita legame chimico. Esistono poi forze intermolecolari, di minore intensità rispetto al legame chimico, che attraggono atomi e molecole fra di loro.

I composti chimici

Quando gli atomi si legano fra loro in proporzioni definite si ottengono dei composti chimici (ad esempio l'acqua, H₂O).
Aggregati di più composti vengono definiti miscugli (ad esempio la cioccolata).

Stati e aggregazione della materia

I composti chimici possono mostrare diverse fasi. Le più note sono la fase solida, quella liquida e quella gassosa: a bassa temperatura le molecole sono attratte fra loro in maniera forte e non si spostano, ma "vibrano", e si mostrano nello stato solido; all'aumentare della temperatura acquistano energia e "scivolano" fra di loro, passando allo stato liquido; aumentando ancora la temperatura acquistano così tanta energia da "schizzare" in tutte le direzioni, formando un gas.
Nell'ambito di queste fasi si possono poi avere diversi tipi di aggregazione (come la soluzione o la dispersione).

Leggi della chimica e della fisica

Tutte le reazioni chimiche e le trasformazioni fisiche avvengono secondo leggi chimico-fisiche.

Meccanica quantistica

La chimica può anche essere considerata come una branca della fisica.
La meccanica quantistica è stato il settore della fisica che ha dato maggior impulso allo sviluppo della chimica, spiegando la struttura e le caratteristiche degli atomi.

La simmetria CP

Per trasformare una particella nella corrispondente antiparticella non basta semplicemente invertire il segno della carica elettrica (e di tutte le altre cariche). Le particelle elementari, infatti, oltre alla carica, possiedono un'altra caratteristica fondamentale: il momento angolare intrinseco, o spin, che ne caratterizza l'orientamente nello spazio. Le particelle si comportano un po' come delle trottole e lo spin ci dice in che verso e con che velocità esse ruotano su loro stesse.

La meccanica quantistica relativistica, la teoria che prevede l'esistenza delle antiparticelle, richiede che esse non solo abbiano carica, ma anche rotazione intrinseca opposta rispetto alle corrispondenti particelle: dal punto di vista dell'orientamento spaziale, un'antiparticella si comporta come una particella vista attraverso uno specchio.

Dunque la trasformazione che collega materia e antimateria è l'azione combinata dell'inversione di carica (indicata con C) e della riflessione spaziale (indicata con P), denominata nel suo insieme trasformazione di CP. Se potessimo costruire in un specchio in grado di invertire la carica, oltre alle coordinate spaziali, avremmo costruito un vero e proprio specchio materia-antimateria.

Possiamo cercare di capire meglio come agisce la trasformazione di CP con l'ausilio di un famoso quadro di Escher: assumendo che il colore rappresenti la carica, l'azione di C trasforma l'immagine nel suo negativo, mentre P agisce come un normale specchio.

Come si può notare, l'azione combinata di C e P porta ad un'immagine che differisce dall'originale solo per piccoli dettagli. Analogamente a quest'esempio, il mondo subatomico è quasi perfettamente simmetrico rispetto alla trasformazione di CP, per questo motivo lo studio della violazione di tale simmetria richiede esperimenti molto sofisticati.

Ingegneria dei materiali

L'ingegneria dei materiali è un settore dell'ingegneria che si occupa di studiare e caratterizzare le proprietà dei materiali in modo da ottimizzarne l'impiego in vari campi tecnologici, migliorarne le prestazioni e studiare materiali innovativi da impiegarsi in luogo di altri materiali meno appropriati o dalle prestazioni non più soddisfacenti per una determinata applicazione.

I fondamenti dell'ingegneria dei materiali si trovano nella chimica inorganica ed organica, nella scienza dei materiali, nella metallurgia, nella tecnologia dei materiali polimerici, ceramici e compositi, dei materiali per uso biomedico e dei materiali aerospaziali, nella scienza della corrosione e nelle tecnologie di protezione dalla corrosione.

POTENZE DA DIECI

IL mondo delle potenze di dieci,
in viaggio attraverso l'Universo.
Cambiando la scala delle dimensioni di solo qualche potenza,
la vostra prospettiva sarà modificata profondamente.

10 ⁰ metri = 1 metro

Il vostro viaggio comincia nel giardino del centro visite Microcosm. Questa è la scala che conosciamo meglio, la nostra. Spostandovi lungo le diverse potenze sul righello, potete aumentare o diminuire la scala in potenze di dieci.

Cos'è una potenza di dieci ?

E' un modo per esprimere brevemente numeri molto grandi o molto piccoli.

10⁶
si legge 'dieci alla sesta'
è uguale a 1 seguito da 6 zeri: 1 000 000
è uguale a 1,0 spostando la virgola a destra di 6 posti

10^-6
si legge 'dieci alla meno 6'
è uguale a 1 diviso per 10⁶, cioè 1/1 000 000
è uguale 1,0 spostando la virgola a sinistra di 6 posti, cioè 0, 000001

10^{-12 metri = 0,000 000 000 001
metri}

L'atomo di carbonio, ingrediente essenziale per la vita, è per lo più fatto di spazio vuoto. Una nube di sei elettroni, di carica negativa , è in orbita attorno al nucleo, di carica positiva.

Fra 10^-10 e 10^{-13 metri non c'è molta differenza.}