Stati della materia. Stati della materia

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1 Stati della materia La materia può esistere in 3 diversi STATI DI AGGREGAZIONE: SOLIDO LIQUIDO GASSOSO MACROSCOPICHE MICROSCOPICHE Stati della materia Lo stato di aggregazione di una sostanza dipende dal bilancio tra: -Energia cinetica delle particelle (atomi, molecole, ioni) -Energia di interazione tra le particelle (atomi, molecole, ioni)

2 STATO DI AGGREGAZIONE SOLIDO Stati della materia MICROSCOPICHE Elevate forze di attrazione tra le particelle Bassa energia cinetica atomi, ioni o molecole vibrano intorno a posizioni fisse MACROSCOPICHE Forma propria Volume proprio Rigidità Incompressibilità GAS Deboli forze di attrazione tra le particelle Elevata energia cinetica atomi o molecole in continuo movimento rettilineo e disordinato Forma e Volume non propri Fluidità LIQUIDO Energia cinetica e forze di attrazione tra le particelle paragonabili moto relativamente indipendente delle particelle Forma non definita Volume proprio Fluidità STATO SOLIDO: solidi cristallini e solidi amorfi SOLIDI CRISTALLINI Formano cristalli: corpi solidi omogenei con proprietà anisotrope (dipendenti dalla direzione) che hanno la forma di un poliedro geometrico cioè di un solido con facce piane, spigoli e vertici. Sono caratterizzati da una disposizione regolare nello spazio degli atomi, delle molecole o degli ioni di cui sono costituiti. Tale disposizione ordinata e periodica è detta reticolo cristallino. ripetitiva fondamentale di un reticolo cristallino è detta cella elementare. Tipi di celle elementari Reticolo cubico Semplice Es. Po Reticolo cubico a corpo centrato Es. Na,K Reticolo cubico a facce centrate Es. Metalli: Au, Ag, Al, Cu

3 STATO SOLIDO: solidi cristallini e solidi amorfi Una stessa sostanza può cristallizzare in forme diverse, caratterizzate da una diversa POLIMORFISMO Sostanze diverse, aventi composizione chimica simile, possono cristallizzare nella stessa forma ISOMORFISMO SOLIDI AMORFI Pur avendo forma e volume propri, sono caratterizzati da una disposizione disordinata degli atomi nello spazio. Non assumono una forma di tipo poliedrico (non formano cristalli). (Es. vetro) TIPI DI SOLIDI Le particelle che costituiscono i solidi possono essere atomi, molecole, ioni Forze di attrazione di diversa entità tra le particelle di un solido SOLIDI A STRUTTURA COVALENTE SOLIDI MOLECOLARI SOLIDI IONICI SOLIDI METALLICI

4 Esempi: SOLIDI A STRUTTURA COVALENTE Sono costituiti da atomi tenuti insieme da legami covalenti duri, cattivi conduttori, insolubili, elevate T di fusione Struttura del diamante. Composizione chimica: C puro. Gli atomi di C presentano una ibridazione sp 3 e sono tenuti insieme da legami localizzati. Ogni C forma 4 legami covalenti con 4 C adiacenti dando luogo ad una struttura cristallina tetraedrica. La trama di legami covalenti è estesa a tutto il solido che è come grande molecola elevata durezza, elevato punto di fusione Struttura della grafite. Composizione chimica: C puro. La grafite è una modificazione cristallina del C ed è soltanto in parte un solido covalente: gliatomidic presentano una ibridazione sp 2 gli atomi di C legati mediante legami covalenti sono tutti complanari e formano reticoli bidimensionali a maglie esagonali. La combinazione degli orbitali 2p non ibridi dei C porta alla formazione di orbitali molecolari delocalizzati estesi a tutti gli atomi di C del piano. Ne risulta una struttura a strati con forze di interazione tra atomi di uno stesso strato più forti di quelle tra atomi di strati adiacenti. sfaldabilità, bassa durezza, conducibilità elettrica anisotropa. Esempi: SOLIDI A STRUTTURA MOLECOLARE Sono costituiti da molecole (che occupano le posizioni del reticolo cristallino) tenute insieme da legami deboli quali legami idrogeno, forze di Van der Waals o interazioni dipolo-dipolo teneri, volatili, basse T di fusione Struttura cristallina dello Iodio Le molecole sono tenute insieme nel cristallo da forze di Van der Waals. Le forze di interazione non sono direzionali la disposizione delle molecole è tale da avere il miglior impacchettamento Struttura cristallina del ghiaccio è determinata dalla formazione di legami idrogeno. Tali legami sono direzionali struttura relativamente aperta densità bassa

5 SOLIDI A STRUTTURA IONICA Sono costituiti da ioni (che occupano le posizioni del reticolo cristallino) tenuti insieme da forze attrattive di tipo elettrostatico poco volatili, duri, alte T di fusione, solubili in solventi polari, non conduttori allo stato solido (buoni conduttori allo stato fuso o in soluzione) Reticolo cristallino di NaCl Gli ioni Na + e Cl - (di dimensioni maggiori) sono ai nodi di due reticoli cubici a facce centrate compenetrati. SOLIDI METALLICI Sono costituiti da atomi tenuti insieme da legami di tipo metallico attrazione con gli elettroni di valenza delocalizzati su tutto il cristallo. Buoni conduttori di elettricità e di calore, T di fusione variabili La disposizione è tale da ottenere il miglior impacchettamento Ca, Sr, Al Li, Na, K, Rb, Cs Be, Mg Reticoli cristallini di alcuni metalli Nella struttura cubica a facce centrate e esagonale compatta si realizza un buon impacchettamento

6 STATO LIQUIDO cinetica delle molecole ma comunque più rilevante Le molecole si dispongono in modo da lasciare poco spazio vuoto ma non presentano la disposizione spaziale ordinata caratteristica dei solidi Relativa mobilità delle molecole ma la distanza media intermolecolare si conserva Le forze intermolecolari determinano la viscosità di un liquido Volume proprio e forma del recipiente Maggiore volatilità dei solidi evaporazione STATO LIQUIDO: EVAPORAZIONE EVAPORAZIONE: è la trasformazione di una sostanza liquida in gas (vapore). che avviene a qualsiasi T Schema delle forze di attrazione tra le molecole di un liquido. Per le molecole che si trovano all'interno del liquido, la risultante delle forze attrattive è nulla. Per le molecole che si trovano alla superficie, la risultante delle forze che agiscono di esse è una forza diretta verso l'interno del liquido detta tensione superficiale (da qui la superficie curva di un liquido: menisco). N/N (Frazione molecole aventi una certa E cin ) E cin O 2 0 T 400 C 6 N 10 E cin Distribuzione delle Energie cinetiche delle molecole di un liquido. E cin = energia cinetica media. cin E cin e di un certo valore soglia (E p ) tale da vincere le forze di attrazione intermolecolari. Le particelle aventi E cin E p e che si trovano in prossimità della superficie vincono la tensione superficiale e passano allo stato di vapore EVAPORAZIONE

7 STATO LIQUIDO: EVAPORAZIONE Distribuzione delle energie cinetiche delle particelle di un liquido a due diverse temperature. Alla temperatura più elevata, l' E c delle particelle si distribuisce in un intervallo di valori più ampio ed è quindi il numero di particelle con E c E p. STATO LIQUIDO: TENSIONE DI VAPORE Nel caso di un liquido contenuto in un recipiente chiuso, le molecole con E cin sufficiente che passano allo stato vapore diffondono fino ad occupare tutto il volume libero. La concentrazione del vapore, ad ogni T, aumenta fino ad un determinato valore. Si raggiunge un equilibrio dinamico fra la fase liquida e la fase gassosa. La pressione esercitata dal vapore in equilibrio con il liquido si definisce TENSIONE DI VAPORE ed è caratteristica di ogni liquido puro ad ogni T. La tensione di vapore di un liquido puro aumenta della T.

8 STATO GASSOSO intermolecolare Le molecole sono separate e in continuo movimento rettilineo e disordinato Forma e volume non definiti Lo stato di aggregazione di una sostanza è una proprietà fisica definita della sostanza una volta fissate T e p. Variando opportunamente p e T, una sostanza può presentarsi in tutti e 3 gli stati di aggregazione conservando inalterate le proprie proprietà chimiche PASSAGGI DI STATO (fenomeni di cambiamento di stato di aggregazione delle sostanze)

9 PASSAGGI DI STATO sublimazione fusione evaporazione solidificazione condensazione brinamento T PASSAGGI DI STATO: CURVE DI RISCALDAMENTO f T e T f b fusione c d ebollizione e Curva di riscaldamento a p costante a Tratto ab molecole del solido aumento della T del sistema Tratto bc: Al raggiungimento della T f, il movimento delle particelle intorno alle posizioni del reticolo diventa sufficiente a rompere la regolarità di impacchettamento del solido FUSIONE. particelle nelle posizioni disordinate dello stato liquido. Tratto cd cinetica delle molecole del liquido aumento della T del sistema. Tratto de: Al raggiungimento della T e evaporare tutta la massa di liquido EBOLLIZIONE. La T resta costante fino al termine del processo. t

10 PASSAGGI DI STATO: DIAGRAMMI DI STATO Il diagramma di stato di una sostanza è una rappresentazione grafica dei diversi stati di aggregazione della sostanza in funzione della p e della T. Permette di seguire le trasformazioni che la sostanza subisce al variare delle condizioni esterne. - 3 zone corrispondenti alle regioni di stabilità dei 3 stati di aggregazione della sostanza - Le linee che separano le 3 regioni sono le curve di equilibrio: coppie di valori p/t in corrispondenza delle quali si ha passaggio di stato e quindi coesistenza di 2 fasi. - Il punto di incontro delle 3 linee è il PUNTO TRIPLO, in cui si ha equilibrio tra tutte e 3 le fasi. DIAGRAMMI DI STATO Trasformazioni che subisce una sostanza allo stato solido p 3 casi: p = p T p > p T p p T p>p T S L p T p p T G T s T f T e Analogamente è possibile seguire trasformazioni a T costante. T

11 DIAGRAMMI DI STATO p (torr) 760 S L p (atm) S L 4,58 G 5,1 G p p S 0 0,01 T ( C) 100 L G Diagramma di stato di una generica sostanza T Per (e poche altre sostanze) si ha una diversa inclinazione della curva S/L rispetto a quella di una generica sostanza. Tale comportamento riflette la proprietà di avere un volume specifico > allo stato solido che allo stato liquido. 56,6 T ( C) Diagramma di stato p T > 1 atm a p atmosferica il 2 solida) sublima