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Teoria
La
legge di Coulomb
afferma che l’intensità della forza elettrostatica di re-
pulsione o di attrazione tra due corpi elettricamente carichi è direttamente
proporzionale al prodotto delle loro cariche e inversamente proporzionale al
quadrato della loro distanza.
In simboli,
F
=
k
La costante
k
, detta
costante di Coulomb
, dipende dal materiale interposto
tra le cariche; se queste sono nel vuoto (o nell’aria) vale 9,0
⋅
10
9
N
⋅
m
2
/C
2
.
Le cariche elettriche si possono trasferire da un corpo all’altro: se tocchia-
mo un oggetto metallico neutro con un altro elettricamente carico, il primo
assume una carica dello stesso segno del secondo.
Ma le cariche elettriche non si limitano a trasferirsi da un corpo all’al-
tro. Nel 1800, Alessandro Volta (1745-1827) riuscì a produrre un flus-
so di cariche elettriche, ossia una
corrente elettrica
, per mezzo di un
dispositivo in cui si verificavano reazioni chimiche: la
pila
(
figura 3
).
Successivamente, gli inglesi William Nicholson (1753-1815) e
Humphry Davy (1778-1829) riuscirono a far avvenire, per
mezzo dell’elettricità, alcune reazioni chimiche, come la de-
composizione dell’acqua in idrogeno e ossigeno: il processo
fu chiamato
elettrolisi
.
q q
r
1 2
2
Esistono due tipi di cariche elettriche, chiamate convenzionalmente
cari-
ca positiva
e
carica negativa
e indicate con + e –. Il vetro strofinato, per
esempio, si carica positivamente; invece il plexiglas e l’ebanite si caricano ne-
gativamente
.
Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno op-
posto si attraggono (
figura 2
). In entrambi i casi, l’intensità
F
della
forza
elettrostatica
con cui interagiscono due quantità
q
1
e
q
2
di carica elettri-
ca poste a una distanza
r
l’una dall’altra è descritta da una legge formu-
lata da Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806). In suo onore è stata
chiamata
coulomb
(simbolo
C
) l’unità di misura della quantità di carica
elettrica.
UNITÀ 9
L’atomo: i modelli del passato
3
Una bacchetta di vetro elettrizzata
(positiva) esercita una forza attrattiva su
una sfera carica negativamente.
Una bacchetta di vetro elettrizzata
(positiva) esercita una forza repulsiva
su una sfera carica positivamente.
Una bacchetta di ebanite elettrizzata
(negativa) esercita una forza attrattiva
su una sfera carica positivamente.
figura 2
Due corpi elettrizzati si respingono
se la loro carica è dello stesso
segno, si attraggono se è di segno
opposto.
+
+
+
+ +
+++++
+++++
+++++
+++++
+ +
−−−−−
−−−−−
− −
−
−−
+ +
+
++
bacchetta
di vetro
elettrizzata
bacchetta
di vetro
elettrizzata
bacchetta
di ebanite
elettrizzata
cariche elettriche (C)
distanza (m)
forza elettrostatica (N)
costante di Coulomb
(N
⋅
m
2
/C
2
)
figura 3
La pila di Volta.
Leggi
e definizioni
evidenziate
Infografica
SEZIONE D
Dall’atomo ai composti inorganici e organici
20
CHIMICA E SALUTE
Salviamo la pelle!
Un tempo veramente breve, di pochi minuti, è sufficiente affinché l’esposizione ai
raggi solari possa provocare arrossamenti e scottature: l’eritema solare. A lungo
termine, un’eccessiva esposizione al Sole provoca l’ispessimento e l’invecchiamento
della pelle, oltre a favorire la formazione di tumori cutanei, poiché i raggi solari
danneggiano il DNA cellulare.
Il pericolo dei raggi UV
I danni cellulari sono provocati dai rag-
gi ultravioletti (UV): le radiazioni
che coprono la porzione dello spet-
tro elettromagnetico corrispon-
dente a lunghezze d’onda com-
prese tra 100 e 400 nanometri.
In generale, indipendentemen-
te dal fatto che provengano dal
Sole o da sorgenti artificiali, la
capacità di penetrazione e
quindi la “pericolosità” per
l’uomo dei raggi UV aumenta
al diminuire della lunghezza
d’onda (
figura A
).
Sebbene una parte della radia-
zione ultravioletta di origine solare
venga bloccata in quota dallo strato di
ozono, una percentuale non indifferente
giunge sino a noi. (A causa del “buco del-
l’ozono” sembra che questa parte sia cresciuta
negli ultimi anni!)
Filtri chimici e filtri fisici
Per difendersi dalle radiazioni solari nocive si
fa spesso uso di creme protettive (i filtri solari)
che impediscono ai raggi UV di penetrare nel-
la pelle.
Le creme solari possono contenere preparati di
due tipi: i filtri chimici sono composti aroma-
tici come i benzofenoni e l’acido p-ammino-
benzoico, che assorbono le radiazioni ultravio-
lette; quelli fisici contengono polveri di diossi-
do di titanio e di ossido di zinco, dotate di un
elevato potere riflettente, come dei microsco-
pici specchi.
Il fattore di protezione, che troviamo scritto
sulla confezione, ci dice di quante volte pos-
siamo aumentare l’esposizione al Sole senza
correre il rischio di scottarci (
figura B
): se per
esempio la nostra pelle resiste al Sole solo 10
minuti senza protezione, una crema con fatto-
re 10 ci permette di rimanere esposti sino a
100 minuti.
figura A
Le lampade abbronzanti emettono raggi UV tanto
dannosi per la pelle quanto quelli solari.
figura B
Poiché la sensibilità cutanea è notevolmente
diversa da persona a persona e i livelli di UV nella
radiazione solare sono molto variabili con la
latitudine, l’altitudine le condizioni dell’atmosfera e
l’ora del giorno, il fattore di protezione rappresenta
un’indicazione di massima e non un dato esatto.
Nessuna crema, inoltre, è in grado di fornire uno
schermo totale dai raggi UV.
Chimica e…:
schede interdisciplinari
Sostanza A
, di quantità
assegnata: come trovare il
numero di moli
n
A
?
Noto il rapporto
molare
rm
I/A
, il numero
di moli di I è:
n
I
=
rm
I/A
n
A
Dati:
• massa molare
M
m
A
• massa
m
A
in grammi
della quantità di sostanza
considerata
Dati:
• molarità
M
A
• volume
V
A
La sostanza
A
è in soluzione
La sostanza
A
è un solido
n
A
=
M
A
V
A
Nota la massa molare
M
m
I
, la
massa in grammi è:
m
I
=
n
I
M
m
I
La sostanza
I
è in soluzione
La sostanza
I
è un solido
Nota la molarità
M
I
, il volume è:
V
n
M
I
I
I
=
viceversa, noto il
volume
V
I
, la molarità è:
M
n
V
I
I
I
=
Note la pressione
P
I
e la
temperatura assoluta
T
I
,
il volume è:
o, in condizioni normali:
V
I
=
n
I
(22,4 L/mol)
V
n R T
P
I
I
I
I
=
Se invece sono noti
V
I
e
T
I
, si ha:
P
n R T
V
I
I
I
I
=
Dati:
• pressione
P
A
• volume
V
A
• temperatura
assoluta
T
A
o, in condizioni
normali:
n
V
A
A
L/mol
=
22 4,
n
P V
R T
A
A A
A
=
La sostanza
A
è un gas
Sostanza I
, di quantità incognita.
La sostanza
I
è un gas
UNITÀ 15
La stechiometria delle reazioni
173
figura 1
Come risolvere i
problemi sulle
reazioni.
Acidità di stomaco e stechiometria
RISOLVIAMO INSIEME 1
La massa molare del bicarbonato di sodio (NaHCO
3
)
è 84 g/mol.
Calcoliamo quanti grammi di bicarbonato reagisco-
no con 150 mL di succo gastrico, avente una con-
centrazione 0,050 M di HCl, mediante la reazione:
NaHCO
3
+
HCl
→
NaCl
+
CO
2
+
H
2
O
M
NaHCO
3
=
84 g/mol
M
=
0,050 mol/L
V
=
150 mL
=
0,15 L
m
NaHCO
3
=
?
Soluzione
Dalla molarità
M
e dal vo-
lume
V
del succo gastrico
otteniamo il numero di mo-
li
n
HCl
dell’acido da neutra-
lizzare:
n
HCl
=
M V
=
(0,050 mol/L) (0,15 L)
=
0,0075 mol
Dati e incognite
Il rapporto molare tra i due reagenti, come si vede
dall’equazione bilanciata della reazione, è 1/1. Per-
ciò il numero di moli di bicarbonato occorrente è
n
NaHCO
3
=
n
HCl
=
0,0075 mol, ovvero la massa di bicar-
bonato coinvolta nella reazione è:
m
NaHCO
3
=
n
NaHCO
3
M
NaHCO
3
=
=
(0,0075 mol) (84 g/mol)
=
0,63 g
Riflettiamo sul risultato
È sufficiente una piccola quantità di bicarbonato, so-
lo 630 mg, per lenire l’acidità di stomaco.
Prosegui tu
Sapendo che la massa molare della glicerina
(C
3
H
8
O
3
) è 92,1 g/mol, calcola quanti kilogrammi di
questa sostanza e quanti litri di soluzione 2,00 M di
HNO
3
sono necessari affinché siano prodotti 20,0 kg
di nitroglicerina (C
3
H
5
O
3
(NO
2
)
3
), la cui massa molare
è 227 g/mol, per mezzo della reazione:
C
3
H
8
O
3
+
3 HNO
3
→
C
3
H
5
O
3
(NO
2
)
3
+
3 H
2
O
[
8,11 kg; 132 L
]
n
m
M
m
A
A
A
=
Facciamo il punto
2.
Vero o falso?
Conoscendo il rapporto molare è possibile ricavare la quantità
di un prodotto che si formada una nota quantità di un reagente.
F V
Facciamo
il punto:
prima verifica
per fissare i
concetti
Risolviamo insieme:
problemi ragionati
su argomenti concreti
UNITÀ 20
Le reazioni di ossidoriduzione e l’elettrochimica
351
Facciamo il punto
7.
La quantità di carica
q
che
attraversa in un intervallo di
tempo
t
un elettrodo di una
cella elettrolitica è espressa
da
a
q
=
i/t
, con
i
intensità della
corrente che scorre nella
cella.
b
q
=
i t
, con
i
intensità della
corrente che scorre nella
cella.
c
q
=
M
eq
t
, con
M
eq
massa
equivalente della specie
chimica che si riduce o si
ossida all’elettrodo.
d
q
=
n t
, con
n
numero delle
moli di elettroni passati per
l’elettrodo.
8.
Scegli tra le due alternative.
Il processo di elettrolisi segue
le leggi di
Daniell/Faraday
.
Le masse delle diverse specie
chimiche che si riducono o si
ossidano agli elettrodi, al pas-
saggio nella cella elettrolitica
di una fissata quantità di cari-
ca elettrica, sono direttamen-
te proporzionali alle loro
mas-
se molari/masse equivalenti
.
Un cerchio alla testa
Il diossido di zolfo (o anidride solforosa, SO
2
) viene aggiunto al mosto in
fermentazione, soprattutto dei vini bianchi, come tale o in forma inorga-
nica (solfiti e idrogenosolfiti) e organica. Questa sostanza ha la proprietà
di preservare il mosto da attacchi batterici, grazie alla sua azione anti-
settica e antiossidante.
La normativa italiana stabilisce che il contenuto massimo ammissibile di
SO
2
nei vini rossi sia di 160 mg/L e nei vini bianchi e rosati di 210 mg/L. Se
questi valori vengono superati, l’eccesso di SO
2
provoca effetti spiacevo-
li come il caratteristico “cerchio alla testa”.
Se un volume
V
=
50,0 mL di vino bianco è stato titolato con un volume
V’
=
45,0 mL di una soluzione di iodio con normalità
N’
=
0,0100 eq/L,
possiamo bere quel vino con tranquillità o ci verrà un tremendo cerchio
alla testa?
Il dosaggio del diossido di zolfo viene effettuato sul vino, trattato dappri-
ma con una soluzione di KOH e successivamente acidificato, per via io-
dimetrica. La titolazione, che usa la salda d’amido come indicatore cro-
matico, si basa sulla reazione:
SO
2
+
I
2
+
2 H
2
O
→
2 I
−
+
SO
4
2
−
+
4 H
+
nella quale gli elettroni scambiati sono due (perché l’n.o. dello zolfo pas-
sa da 4 a 6).
Applicando la relazione
N V
=
N’ V’
si ricava che la concentrazione nor-
male di diossido di zolfo nel vino è:
Essendo 2 il numero di elettroni scambiati, la concentrazione molare è
dunque:
Infine, sapendo che SO
2
ha massa molare
M
m
=
64,1 g/mol, possiamo de-
terminare la massa
m
/
V
della quantità di questa sostanza disciolta nel
vino per unità di volume:
m/V
=
M
m
M
=
(64,1 g/mol) (4,50 · 10
−
3
mol/L)
=
0,288 g/L
=
288 mg/L
Abbiamo trovato che la concentrazione di SO
2
è superiore al limite mas-
simo stabilito per legge; pertanto è sconsigliabile bere il vino analizzato.
I comuni vini italiani hanno un contenuto medio di SO
2
di circa 100 mg/L.
M
N
=
=
⋅
= ⋅
−
−
2
9 00 10
2
4 50 10
3
3
eq/mol
eq/L
eq/mol
mol/L
,
,
N
N V
V
=
=
(
)
(
)
= ⋅
−
'
'
,
,
,
,
0 0100
45 0
50 0
9 00 10
eq/L
mL
mL
3
eq/L
SVILUPPA IL TUO INTUITO
Sviluppa il tuo intuito:
per allenarsi con
il pensiero scientifico