Chimica e didattica della chimica

1. Luca Fiorani Chimica e didattica della chimica L'universo e il pianeta

2. Cosaapprenderemo in questo modulo? • L’Universo: come è nato e quantianni ha • Il nostropianeta: come si è formato e come è comparsa la vita • Le risorseenergeticheche ci regala la Terra

3. La vita è unafantasticaavventura • Gliinglesidiconoche per raccontarebeneunastoriasidevericorrereallaregoladelle 5 W • Who? Chi? • Where? Dove? • When? Quando? • What? Cosa? • Why? Perchè? • Who? L’uomo • Where? L’universo o cosmo

4. L’universo • L’universo è la nostra casa. Ognuno di noi è un essere spazio-temporale, viviamo infatti in un dato luogo e in un determinato periodo storico. • Il "luogo" è per noi una necessità. Abbiamo bisogno infatti di un "dove" per poter esplicare la nostra esistenza. • Che cosa sarebbe di noi senza un "dove"? Per autocomprenderci abbiamo bisogno di situarci e di conoscere il luogo del nostro stare.

5. Conoscenzadell’universo • Con ilperfezionamentodeglistrumentid’osservazionequaliitelescopi e iradiotelescopi, l’uomo ha scopertocheilcosmoosservabile è incredibilmentevasto e riempito da un numeroimpressionante di strutture

6. Dimensionidell’universo • L’universo osservabile è incredibilmente vasto. La nostra galassia ha un diametro di circa 100 mila anni-luce ed è composta da circa 100 miliardi di stelle di cui il nostro Sole è soltanto una. Ma nell’universo oggi osservato vi sono non meno di altri 100 miliardi di galassie. • Gli oggetti più distanti da noi che siamo in grado di osservare (quasars e galassie) sono distanti circa 10 miliardi di anni-luce. Il che vuol dire che la luce che noi riceviamo oggi da questi oggetti è partita da loro circa 10 miliardi di anni fa.

7. Cos'è un anno luce? • L'anno luce (al) è un'unità di misura della lunghezza, definita come la distanza percorsa dalla luce nell'intervallo di un anno • Infatti la luce è composta di particelle dette fotoni che viaggiano alla velocità più elevata che si conosca, ma comunque non infinita • Questa velocità è pari a 300.000 km al secondo • Per cui un fotone, in un anno, percorre una distanza pari a300.000 × 365 × 24 × 60 × 60 = 9461 miliardi di km Velocità Della luce Ore in un giorno Giorni in un anno Minuti In un ora Secondi in un minuto

8. Il telescopiospaziale Hubble • l telescopio spaziale Hubble è un telescopio posto negli strati esterni dell'atmosfera terrestre, a circa 560 km di altezza, in orbita attorno alla Terra (ogni orbita dura circa 92 minuti). È stato lanciato il 24 aprile 1990 con lo Space Shuttle Discovery e permette di osservare gli spazi interstellari senza l’interferenza dell’atmosfera terrestre.

9. Nascitaedetàdell’universo (What? e When?) • La domandanaturaleosservandol’universo è: come e quando è nato? • Come? Le osservazioniattualipermettono di concludereche: • l’universonasce con unagrandeesplosionedetta Big Bang • l’universosiespande • Quando? Almeno 13.5 miliardi di annifa (l’oggettostellarepiùlontanoosservatoda noidista 13.5 miliardi di anniluce) anche se sipensachel'universoabbia 15 miliardi di anni

10. Teoria del Big Bang:prove sperimentali • L’osservazione alla base della Teoria del Big bang è il dato sperimentale che le galassie si allontanano tra di loro, come frammenti di una grossa palla di materia esplosa • Inoltreesiste un rumore di fondonell’universo (radiazionecosmica di fondo) chevieneinterpretato come l’ecodell’esplosione

11. Etàdell’universo: provasperimentale • La luceviaggia a 300.000 km al secondo • Per cui se un oggettocheemetteluce è distante da me 300.000 km, la luceimpiega un secondo a raggiungermi. La lucechevedo è quellaemessa un secondo prima. • Quindi, se sisonoosservatioggettistellari (quasar) ad unadistanzache la luceimpiegherebbe 13.5 miliardi di anni a percorrere (13.5 miliardi di anniluce) vuol dire che la lucecheoggiosserviamo è stataemessa 13.5 miliardi di annifa. In conclusione, 13.5 miliardi di annifal’universogiàesisteva! 300.000 Km 1 secondo

12. L’evoluzionedell’universo • La scienza non puòparlare del Big Bang in sé (né di ciòchec'era prima) ma solo di quelloche è accadutodopo: è con la grandeesplosionechehannoinizio lo spazio e il tempo • Le conoscenzeattuali ci permettono di risalire a 10-43 secondi dopol'iniziodell'universo • Dopo10-4 s la temperatura è 1012 K: siformanoelettroni, neutrini, protoni e neutroni (gliultimi due a partiredai quark) in un "mare" di fotoni • Tra 14 s e 3 minutisiriduceilnumerodelleparticelledotate di massa: rimangonopochielettroni, protoni e neutroni (per un quarto combinati a formare nuclei di elio) in un "mare" di neutrini e fotoni

13. L’evoluzionedell’universo • In realtà, tra 100 s (3×109 K) e 200 s (109K)siformaronoanche nuclei piùpesanti (nucleosintesiprimordiale):litio (3 p e 4 n) e boro (5 p e 6 n) • Dopo 30 minuti(3×108K) la materia era ancoradensa (10 volte l'acqua) • Dopo 300 milaanni (4000 K) siformaronogliatomi di idrogenoedelio • Soltantodopoqualchemiliardo di annisisonoiniziate a formare le prime stelle e iprimipianeti • Glielementifino al ferrosisonoformatinellestelle (nucleosintesistellare), quellifinoall'uranionelle supernovae dai cui restisisonoformate le stelle di secondagenerazione

14. L’evoluzionedell’universo • Piccolequantità di alcunesemplicimolecolesiformaronogiànell'universoprimordiale: • monossido di carbonio CO • acidocianidrico HCN • metanolo CH3OH • etanolo C2H3OH • ammonica NH3 • formammide HCONH2 • acqua H2O • C'eranoanchepolveri: • silicati, carbonati, fuliggine, diamante, ghiaccio

15. L’evoluzionedell’Universo Un bellissiomografico chemostra in alto quanto tempo è passatodallo scoppio del Big Bang e in basso la temperatura. Nel mezzo è disegnata la materiache siformava. L’uomo compare dopo 15 miliardidianni

16. Le 5 W dell’avventuradell’universo • Restauna sola risposta da dare per soddisfare la regoladelle 5 W e raccontare in manieracompletal’avventuradellanascitadell’universo WHY? Ma qui ci fermiamo e rimandiamo ad altricorsi…

17. Origine ed evoluzione della Terra • Immaginiamo di paragonare la sua età (4.5 miliardi di anni) ad un anno terrestre: così facendo, ogni giorno di questo calendario corrisponde a 12.328.767 anni reali. In pratica la Terra nasce il 1 gennaio, mentre adesso è la mezzanotte del 31 dicembre

18. Gennaio (da -4500 a -4117 milioni di anni) Nascita del sistema solare Contrazione: Le particelle di ferro e silicio si uniscono a polveri, gas e ghiaccio Differenziazione: gli elementi pesanti cadono verso il centro, gli elementi più leggeri rimangono in superficie Atmosfera: un miscuglio di gas composto da metano, idrogeno, azoto, vapore acqueo ed anidride carbonica Intanto è passato un mese, siamo al 31 gennaio ed il lento processo di formazione della terra è appena all'inizio ...

19. Febbraio (da –4117 a –3772 milioni di anni) Il 28 febbraio succede un fatto inatteso ed incredibile… nasce la vita sulla terra! Esperimento di Miller-Urey

20. Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni) Nascono i primi organismi viventi Fra le molecole che si sono create, ce ne sono alcune molto particolari perché si uniscono a formare i coacervati Successivamente compaiono i primi organismi capaci di fotosintesi, procarioti anaerobi fotosintetici, le prime alghe Grazie alla fotosintesi delle alghe inizia a formarsi un'atmosfera in cui è finalmente presente anche l'ossigeno

21. Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni) Deriva dei continenti…continuerà a far cambiare fisionomia al nostro pianeta fino a oggi

22. Aprile (da -3390 a -3020 milioni di anni) Le alghe si danno un gran da fare per arricchire l'atmosfera di ossigeno. I batteri e le alghe sono ancora per molto tempo gli unici abitatori della Terra. La terra che i fiumi hanno strappato dai continenti è trasportata fino agli oceani, dove è sedimentata. Lo strato di questi sedimenti cresce, pesa e sprofonda fino a solidificarsi: si formano le rocce.

23. Maggio (da -3020 a -2638 milioni di anni) Catene montuose: prodotte dallo scontro delle regioni della crosta terrestre che si muovono grazie alle forze che provengono dal mantello Queste orogenesi saranno sempre presenti durante tutta la vita della Terra, come i fenomeni di deriva dei continenti che le provocano

24. Giugno (da -2638 a -2268 milioni di anni) Il pianeta Terra continua nella sua lenta ed inesauribile evoluzione: 1. aumenta il numero dei vulcani 2. aumenta il numero delle specie viventi 3. l'atmosfera cambia la sua composizione arricchendosi sempre di più in ossigeno 4. gli oceani diventano sempre più pieni di acqua salata

25. Luglio (da –2268 a –1886 milioni di anni) L’atmosfera è ora simile alla nostra per quanto riguarda la concentrazione di azoto (80%); l’ossigeno ancora non è al suo massimo, ma è sempre più presente: 1.scomparsa di batteri anaerobi 2.adattamento al nuovo ambiente (archeobatteri anaerobi e batteri aerobi fotosintetici)

26. Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni) Atmosfera Eh si..., a quei tempi si respirava aria buona, mica come oggi, con tutti questi tubi di scappamento e ciminiere varie! L'atmosfera è prevalentemente costituita da: 78% Azoto (N2) 20% Ossigeno (O2) 2 % Argon (Ar), anidride carbonica (CO2) ed elementi vari che cambiano da regione a regione in modo quasi casuale Il 21 agosto comincia a formarsi lo strato di Ozono (O3)

27. Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni) • Quanto è spessa l'atmosfera e dove comincia lo spazio siderale?L'atmosfera viene suddivisa in quattro strati chiamati SFERE in base all'andamento della temperatura con la quota: • TROPOSFERA • STRATOSFERA • MESOSFERA • TERMOSFERA

28. Settembre (da -1504 a -1134 milioni di anni) L'evoluzione della Terra continua lentamente…

29. Ottobre (da -1134 a -752 milioni di anni) Compaiono le prime colonie di organismi unicellulari, come ad esempio i Volvox, e con esse, la differenziazione cellulare Il 10 ottobre compaiono le prime celluleeucariote

30. Novembre (da –752 a –382 milioni di anni) Eccoci al mese dove la vita sulla Terra subisce un'impennata clamorosa e spettacolare... 17 Novembre (540 milioni di anni fa) nascono i trilobiti 27 Novembre si formano i primi scheletri e il primo pesce 28 Novembre nascono i primi anfibi

31. Dicembre (da –752 a –382 milioni di anni) 2 Dicembre: durante il Carbonifero compaiono le prime foreste di felci e conifere, che daranno origine agli enormi giacimenti di carbone 13 Dicembre: il primo dinosauro 31 Dicembre: si sviluppa l’uomo 31 Dicembre (gli ultimi 10 minuti di evoluzione): nella savana africana gli Homo sapiens sapiens si sono ben evoluti

32. Il Pianeta Terra • Il Pianeta Terra come oggi lo conosciamo, con la suastrutturageologica, la sua flora e fauna e isuoiabitanti è ilrisultato di unalentaevoluzioneancora in atto…

33. Le risorse del pianeta Terra Risorse NON RINNOVABILI, sia per l'impossibilità a rigenerarsi, sia per il lungo tempo necessario a ciò; in esse sono compresi tutti i minerali e i combustibili fossili… Risorse RINNOVABILI naturalmente in tempi ridotti, purché utilizzate in maniera accurata; esse corrispondono ai suoli agricoli, ai pascoli, alle foreste e alle cosiddette fonti rinnovabili, ovvero l'energia derivante da sole, vento, correnti marine, maree, salti d’acqua…

34. Le risorse NON RINNOVABILI Carboni fossili Il carbone che si estrae oggi si è formato centinaia di milioni di anni fa nelle paludi preistoriche (345 – 280 milioni di anni fa)

35. Gas naturale Petrolio Le risorse NON RINNOVABILI Petrolio e gas naturale Il petrolio e il gas naturale hanno avuto origine negli oceani preistorici (30 – 180 milioni di anni fa)

36. Le risorse NON RINNOVABILI Energia nucleare Nelle reazioni di fissione nuclei di atomi pesanti (uranio, plutonio e torio) si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia. VIDEO: La radioattività

37. Le risorse RINNOVABILI Energia solare Il Sole invia sulla Terra una grande quantità di energia. L’energia consente la vita sulla Terra (ciclo dell’acqua, venti, movimento delle masse d’acqua, fotosintesi).

38. Le risorse RINNOVABILI L’energia dell’acqua L’acqua è una delle risorse più abbondanti sulla Terra. La sua energia deriva dal Sole. L’energia del vento Gli antichi mulini a vento si sono oggi trasformati nelle cosiddette turbine eoliche in grado di produrre direttamente energia elettrica

39. Le risorse RINNOVABILI Calore interno della Terra All’interno della Terra è contenuta una quantità enorme di calore, ma esso può essere sfruttato solo in quelle zone dove si trovano rocce calde, cioè nelle zone vulcaniche Nel sottosuolo, è presente acqua riscaldata dal magma, con opportune perforazioni essa viene raggiunta e il vapore viene inviato alla turbina, collegata all’alternatore che produce energia elettrica

40. Le risorse RINNOVABILI Energia delle biomasse Le biomasse sono tutti i materiali organici che possono essere trasformati in combustibili L’energia contenuta in questi materiali deriva dall’energia solare (fotosintesi). Questa energia proviene anche dagli scarti dell’agricoltura e dell’allevamento degli animali sottoposti a particolari processi che li trasformano in combustibili solidi, liquidi e gassosi, utilizzabili per la produzione di calore o di elettricità (ad es. con la fermentazione biologica).

41. Fine della lezione… 41