Luca Fiorani
Chimica e
didattica
della chimica
L'universo e il pianeta
Luca Fiorani – Chimica e
didattica della chimica
Cosa apprenderemo in questo
modulo?
 L’Universo:
come è nato e quanti anni ha
 Il
nostro pianeta: come si è formato e come è
comparsa la vita
 Le
risorse energetiche che ci regala la Terra
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didattica della chimica
La vita è una fantastica avventura
 Gli
inglesi dicono che per raccontare bene una
storia si deve ricorrere alla regola delle 5 W





Who? Chi?
Where? Dove?
When? Quando?
What? Cosa?
Why? Perchè?
 Who?
L’uomo
 Where?
L’universo o cosmo
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didattica della chimica
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.
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didattica della chimica
Conoscenza dell’universo
 Con
il perfezionamento degli strumenti
d’osservazione quali i telescopi e i radiotelescopi,
l’uomo ha scoperto che il cosmo osservabile è
incredibilmente vasto e riempito da un numero
impressionante di strutture
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didattica della chimica
Dimensioni dell’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.
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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 a
300.000 × 365 × 24 × 60 × 60 = 9461 miliardi di km
Velocità
Della
luce
Giorni
in un
anno
Ore in Minuti
un
In un
giorno ora
Secondi in
un minuto
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Il telescopio spaziale 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.
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Nascita ed età dell’universo (What? e
When?)
 La
domanda naturale osservando l’universo è:
come e quando è nato?
 Come? Le osservazioni attuali permettono di
concludere che:


l’universo nasce con una grande esplosione detta
Big Bang
l’universo si espande
 Quando?
Almeno 13.5 miliardi di anni fa
(l’oggetto stellare più lontano osservato da noi
dista 13.5 miliardi di anni luce) anche se si pensa
che l'universo abbia 15 miliardi di anni
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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
 Inoltre esiste un rumore di
fondo nell’universo
(radiazione cosmica di
fondo) che viene interpretato
come l’eco dell’esplosione
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Età dell’universo: prova sperimentale


La luce viaggia a 300.000 km al secondo
Per cui se un oggetto che emette luce è distante da
me 300.000 km, la luce impiega un secondo a
raggiungermi. La luce che vedo è quella emessa un
secondo prima.
300.000 Km
1 secondo

Quindi, se si sono osservati oggetti stellari (quasar) ad
una distanza che la luce impiegherebbe 13.5 miliardi
di anni a percorrere (13.5 miliardi di anni luce) vuol
dire che la luce che oggi osserviamo è stata emessa
13.5 miliardi di anni fa. In conclusione, 13.5 miliardi di
anni fa l’universo già esisteva!
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L’evoluzione dell’universo
 La
scienza non può parlare del Big Bang in sé (né
di ciò che c'era prima) ma solo di quello che è
accaduto dopo: è con la grande esplosione che
hanno inizio lo spazio e il tempo
 Le conoscenze attuali ci permettono di risalire a
10-43 secondi dopo l'inizio dell'universo
 Dopo 10-4 s la temperatura è 1012 K: si formano
elettroni, neutrini, protoni e neutroni (gli ultimi due
a partire dai quark) in un "mare" di fotoni
 Tra 14 s e 3 minuti si riduce il numero delle
particelle dotate di massa: rimangono pochi
elettroni, protoni e neutroni (per un quarto
combinati a formare nuclei di elio) in un "mare" di
neutrini e fotoni
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L’evoluzione dell’universo
 In
realtà, tra 100 s (3×109 K) e 200 s (109 K) si
formarono anche nuclei più pesanti (nucleosintesi
primordiale): litio (3 p e 4 n) e boro (5 p e 6 n)
 Dopo 30 minuti (3×108 K) la materia era ancora
densa (10 volte l'acqua)
 Dopo 300 mila anni (4000 K) si formarono gli
atomi di idrogeno ed elio
 Soltanto dopo qualche miliardo di anni si sono
iniziate a formare le prime stelle e i primi pianeti
 Gli elementi fino al ferro si sono formati nelle stelle
(nucleosintesi stellare), quelli fino all'uranio nelle
supernovae dai cui resti si sono formate le stelle
di seconda generazione
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L’evoluzione dell’universo
 Piccole
quantità di alcune semplici molecole si
formarono già nell'universo primordiale:
 monossido di carbonio CO
 acido cianidrico HCN
 metanolo CH3OH
 etanolo C2H3OH
 ammonica NH3
 formammide HCONH2
 acqua H2O
 C'erano anche polveri:
 silicati, carbonati, fuliggine, diamante,
ghiaccio
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L’evoluzione dell’Universo
Un bellissiomo grafico
che mostra in alto
quanto tempo è
passato dallo
scoppio del Big Bang
e in basso la
temperatura. Nel
mezzo è disegnata la
materia che
si formava. L’uomo
compare dopo
15 miliardi di anni
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Le 5 W dell’avventura dell’universo
 Resta
una sola risposta da dare per soddisfare la
regola delle 5 W e raccontare in maniera
completa l’avventura della nascita dell’universo
WHY?
Ma qui ci fermiamo e rimandiamo ad altri corsi…
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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
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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 ...
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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
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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
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Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni)
Deriva dei continenti… continuerà a far cambiare
fisionomia al nostro pianeta fino a oggi
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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.
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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
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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
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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)
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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)
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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
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Settembre (da -1504 a -1134 milioni di anni)
L'evoluzione della Terra
continua lentamente…
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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
cellule
eucariote
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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
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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
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Il Pianeta Terra
 Il
Pianeta Terra
come oggi lo
conosciamo, con
la sua struttura
geologica, la sua
flora e fauna e i
suoi abitanti è il
risultato di una
lenta evoluzione
ancora in atto…
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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…
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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)
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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)
Gas
naturale
Petrolio
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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
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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).
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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
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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
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Le risorse RINNOVABILI
Energia delle biomasse
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).
Le biomasse sono tutti i
materiali organici che possono
essere trasformati in
combustibili
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Fine della lezione…
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