Le orze intermolecolari, i liquidi e i solidi. Capitolo 11

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1 Le orze intermolecolari, i liquidi e i solidi Capitolo 11

2 Una fase è una parte omogenea di un sistema in contatto con altre parti del sistema ma da esse separata da un confine ben definito. 2 fasi Fase solida - ghiaccio Fase liquida - acqua Tabella 11.1 Le proprietà caratteristiche dei gas, dei liquidi e dei solidi Stato della materia Volume/Forma Densità Comprimibilità Movimento delle molecole Gas Assume il volume e la forma del suo contenitore Bassa Molto comprimibile Movimento molto libero Liquido Ha un volume definito, ma assume la forma del suo contenitore Alta Solo debolmente comprimibile Scorrono l una sull altra liberamente Solido Ha volume e forma definiti Alta Quasi incomprimibile Vibrano intorno a posizioni fisse 12.1

3 Forze intermolecolari Le forze intermolecolari sono forze attrattive tra molecole. Le forze intramolecolari tengono insieme gli atomi in una molecola. Intermolecolari vs Intramolecolari 41 kj per vaporizzare 1 mole di acqua (inter) 930 kj per rompere tutti i legami O-H in 1 mole di acqua (intra) Misura delle forze In genere, le intermolecolari forze Punto di ebollizione intermolecolari sono più deboli Punto di fusione delle forze ΔH vap intramolecolari. ΔH fus ΔH sub 12.2

4 Forze intermolecolari Forze dipolo - dipolo Forze attrattive tra molecole polari Orientamento delle molecole polari in un solido 12.2

5 Forze ione - dipolo Forze intermolecolari Forze attrattive tra uno ione e una molecola polare Interazione ione - dipolo 12.2

6 Interazione debole Interazione forte 12.2

7 Forze di dispersione Forze intermolecolari Forze di attrazione che aumentano in conseguenza di un dipolo temporaneo indotto in atomi o molecule Catione Dipolo indotto Interazione ione dipolo indotto Dipolo Dipolo indotto Interazione dipolo - dipolo indotto 12.2

8 Dipoli indotti che interagiscono l uno con l altro 12.2

9 Forze di dispersione continue Forze intermolecolari La polarizzabilità è la facilità con cui può essere distorta la distribuzione elettronica in un atomo o in una molecola. La polarizzabilità aumenta con: Maggior numero di elettroni Nuvola elettronica più diffusa Normalmente le forze di dispersione aumentano con la massa molare. Tabella 11.2 Punti di fusione di composti apolari simili Composto CH CF CCl CBr CI Punto di fusione ( C) 12.2

10 Che tipo(i) di forze intermolecolari esistono tra ognuna delle seguenti molecole? HBr HBr è una molecola polare: forze dipolo-dipolo. Ci sono soltanto forze di dispersione tra molecole di HBr. CH 4 CH 4 è apolare: forze di dispersione. S SO 2 SO 2 è una molecola polare: forze dipolo-dipolo. Ci sono soltanto forze di dispersione tra molecole di SO

11 Legame idrogeno Forze intermolecolari Il legame idrogeno è una speciale interazione dipolo-dipolo tra l atomo di idrogeno coinvolto in un legame polare, come N-H, O-H o F-H, e un atomo elettronegativo O, N o F. A H B o A H A A e B sono N, O, o F 12.2

12 12.2 Il legame idrogeno

13 Perchè il legame idrogeno è considerato una speciale interazione dipolo-dipolo? Gruppo 6A Massa molare decrescente Punto di ebollizione decrescente C) Punto di ebollizione ( Gruppo 7A Gruppo 5A Gruppo 4A Periodo 12.2

14 Proprietà dei liquidi La tensione superficiale è la quantità di energia richiesta per stirare o aumentare la superficie di un liquido di una unità d area. Forze intermolecolari intense Alta tensione superficiale 12.3

15 Proprietà dei liquidi La coesione è l attrazione intermolecolare tra molecole simili. L adesione è un attrazione tra molecole diverse. Adesione Coesione 12.3

16 Proprietà dei liquidi La viscosità è una misura della resistenza del fluido al suo scorrere. Forze intermolecolari intense Tabella 11.3 Viscosità di alcuni tra i liquidi più comuni a 20 C Viscosità (N s/m 2 ) * Liquido Acetone (C 3 H 6 O) 3.16 x 10-4 Benzene (C 6 H 6 ) 6.25 x 10-4 Sangue 4 x 10-3 Tetracloruro di carbonio (CCl 4 ) 9.69 x 10-4 Etere di etilico (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) 2.33 x 10-4 Alta viscosità Etanolo (C 2 H 5 OH) 1.20 x 10-3 Glicerolo (C 3 H 8 O 3 ) 1.49 Mercurio (Hg) 1.55 x 10-3 Acqua (H 2 O) 1.01 x 10-3 * L unità di misura SI per la viscosità è newton secondo per metro quadro. 12.3

17 Struttura 3D del ghiaccio L acqua è una sostanza unica Densità massima 4 0 C Densità dell acqua Il ghiaccio è meno denso dell acqua Densità (g/ml) Temperatura ( C) 12.3

18 Un solido cristallino possiede un ordine rigido e a lungo raggio. In un solido cristallino, gli atomi, le molecole o gli ioni occupano posizioni specifiche (prevedibili). Un solido amorfo non possiede un arrangiamento ben definito e un ordine molecolare a lungo raggio. Una cella elementare è l unità strutturale ripetitiva di un solido cristallino. Punto reticolare Al punto reticolare: Atomi Molecole Ioni Cella elementare Celle elementari in tre dimensioni 12.4

19 Sette tipi di celle elementari Cubica semplice Tetragonale Rombica Romboedrica Monoclina Triclina Esagonale 12.4

20 Tre tipi di cella cubica Cubica semplice Cubica a corpo centrato Cubica a facce centrate 12.4

21 Disposizione di sfere identiche in un reticolo cubico semplice 12.4

22 Disposizione di sfere identiche in un reticolo cubico a corpo centrato 12.4

23 Un atomo nel vertice e un atomo centrato su una faccia Condiviso Shared by tra 8 8 unit celle cells elementari Condiviso Shared by tra 2 2 unit celle cells elementari 12.4

24 Cubica semplice 1 atom/unit cell 1 atomo/cella elementare (8 x 1/8 = 1) Cubica a corpo centrato 2 atoms/unit cell 2 atomi/cella elementare (8 x 1/8 + 1 = 2) Cubica a facce centrate 4 atoms/unit cell 4 atomi/cella elementare (8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4) 12.4

25 Relazione tra il raggio atomico e la lunghezza del bordo in tre differenti celle elementari 12.4

26 Quando l argento cristallizza, forma celle cubiche a fecce centrate. La lunghezza del bordo della cella è di 409 pm. Calcola la densità dell argento. d = m V V = a 3 = (409 pm) 3 = 6.83 x cm 3 4 atomi/cella elementare in una cella cubica a facce centrate m = 4 Ag atomi g x mole Ag x 1 mole Ag x atomi = 7.17 x g d = m V 7.17 x g = = 10.5 g/cm x cm

27 Disposizione per ottenere un modello di diffrazione ai raggi X di un cristallo Cristallo Schermo Fascio di raggi X Lamina fotografica Tubo a raggi X 12.5

28 Riflessione di raggi X da due strati di atomi Raggi incidenti Raggi riflessi d senθ d senθ Distanza extra = BC + CD = 2d senθ = nλ (Equazione di Bragg) 12.5

29 I raggi X di lunghezza d onda di 154 nm sono diffratti da un cristallo ad un angolo di Assumendo che n = 1, qual è la distanza (in pm) tra gli strati nel cristallo? nλ = 2d sen θ n = 1 θ = λ = nm = 154 pm d = nλ 2senθ = 1 x 154 pm 2 x sen14.17 = pm 12.5

30 Tipi di cristalli Cristalli ionici Punti reticolari occupati da cationi o anioni Tenuti insieme da attrazioni elettrostatiche Duri, friabili, elevati punti di fusione Cattivi conduttori di calore e elettricità CsCl ZnS CaF

31 Tipi di cristalli Cristalli covalenti Punti reticolari occupati da atomi Tenuti insieme da legami covalenti Duri, alti punti di fusione Cattivi conduttori di calore e elettricità carbon atoms Atomi di carbonio diamond Diamante graphite Grafite 12.6

32 Tipi di cristalli Cristalli molecolari Punti reticolari occupati da molecole Tenuti insieme da forze intermolecolari Teneri, bassi punti di fusione Cattivi conduttori di calore e elettricità 12.6

33 Tipi di cristalli Cristalli metallici Punti reticolari occupati da atomi metallici Tenuti insieme da legami metallici Teneri o duri, punti di fusione bassi o elevati Buoni conduttori di calore e elettricità Nucleo e e- interni (inner shell e -) Sezione trasversale di un cristallo metallico mare mobile di e

34 Strutture cristalline dei metalli Esagonale close packed Cubica a facce centrate Cubica a corpo centrato Altre strutture 12.6

35 Tipi di cristalli Tabella 11.4 Tipi di cristalli e proprietà generali Tipo di cristallo Ionico Molecolare * Forze che tengono insieme le particelle Proprietà generali Attrazione elettrostatica Duro, friabile, elevato punto di fusione, cattivo conduttore termico ed elettrico. Forze di dispersione, forze dipolo-dipolo, legami idrogeno Tenero, basso punto di fusione, cattivo conduttore termico ed elettrico Covalente Legame covalente Duro, elevato punto di fusione, cattivo conduttore termico ed elettrico Metallico Legame metallico Tenero o duro, punto di fusione basso o elevato, buon conduttore di calore e elettricità * In questa categoria sono inclusi i cristalli costituiti da singoli atomi. Il diamante è un buon conduttore termico Esempi NaCl, LiF, MgO, CaCO 3 Ar, CO 2, I 2, H 2 O, C 12 H 22 O 11 (saccarosio) C (diamante), SiO 2 (quarzo) Tutti gli elementi metallici; per esempio Na, Mg, Fe, Cu 12.6

36 Un solido amorfo non possiede una disposizione ben definita e un ordine molecolare a lungo raggio. Un vetro è un prodotto otticamente trasparente ottenuto dalla fusione di materiali inorganici che vengono raffreddati allo stato rigido senza cristallizzare Quarzo cristallino (SiO 2 ) Vetro al quarzo Non cristallino 12.7

37 Chimica in azione: superconduttori ad alta temperatura

38 Chimica in azione: tutto per un bottone T < 13 0 C Stagno bianco Stagno grigio stabile debole

39 Passaggi di stato Least Order Minimo ordine Numero di molecole Energia cinetica E Numero di molecole Temperatura Evaporation Evaporazione Condensation Condensazione Liquido Energia cinetica E T 2 > T 1 Solido Greatest Massimo Order ordine 12.8

40 La tensione di vapore all equilibrio è la pressione di vapore misurata quando esiste un equilibrio dinamico tra condensazione ed evaporazione H 2 O (l) H 2 O (g) Equilibrio dinamico Velocità di condensazione = Velocità di evaporazione Velocità Velocità di evaporazione Equilibrio dinamico stabilito Velocità di evaporazione Tempo 12.8

41 Sistema per misurare la tensione di vapore di un liquido Vuoto Spazio vuoto Liquido Liquido Before Prima dell evaporazione Evaporation All equilibrio 12.8

42 Il calore molare di vaporizazione (ΔH vap ) è l energia necessaria per vaporizzare 1 mole di un liquido al suo punto di ebollizione Equazione di Clausius-Clapeyron ln P = - ΔH vap RT + C P = (equilibrio) tensione di vapore T = temperatura (K) R = costante dei gas (8.314 J/K mol) Tensione di vapore in funzione della temperatura Tensione di vapore (atm) Etere etlico Acqua Mercurio Temperatura ( C) 12.8

43 Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale (all equilibrio) la tensione di vapore di un liquido è uguale alla pressione esterna. Il punto normale di ebollizione è la temperatura a cui un liquido bolle quando la pressione esterna è 1 atm. Tabella 11.6 Calori molari di vaporizzazione per diversi liquidi Punto di ebollizione * ( C) ΔH vap (kj/mole) Sostanza Argon (Ar) Benzene (C 6 H 6 ) Etere di etilico (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) Etanolo (C 2 H 5 OH) Mercurio (Hg) Metano (CH 4 ) Acqua (H 2 O) * Misurati ad 1 atmosfera 12.8

44 La temperatura critica (T c ) è la temperatura sopra la quale la forma gassosa di una sostanza non può essere liquefatta, indipendentemente dall entità della pressione esercitata. La pressione critica (P c ) è la pressione minima che deve essere esercitata per o t t e n e r e l a liquefazione alla temperatura critica. Tabella 11.7 Temperature critiche e pressioni critiche per diversi liquidi T c ( C) P c (atm) Sostanza Ammoniaca (NH 3 ) Argon (Ar) Benzene (C 6 H 6 ) Diossido di carbonio (CO 2 ) Etere di etilico (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) Etanolo (C 2 H 5 OH) Mercurio (Hg) Metano (CH 4 ) Idrogeno molecolare (H 2 ) Azoto molecolare (N 2 ) Ossigeno molecolare (O 2 ) Zolfo esafluoruro (SF 6 ) Acqua (H 2 O)

45 Il fenomeno critico di SF 6 T < T c T > T c T ~ T c T < T c 12.8

46 Passaggi di stato H 2 O (s) H 2 O (l) Il punto di fusione di un solido o il punto di congelamento di un liquido è la temperatura a cui le fasi solide e liquide coesistono all equilibrio. Temperatura Melting Fusione Liquido Freezing Congelamento Solido 12.8

47 Il calore molare di fusione (ΔH fus ) è l energia necessaria per fondere 1 mole di una sostanza solida al suo punto di congelamento. Tabella 11.8 Calori molari di fusione per diversi liquidi Punto di fusione * ( C) ΔH fus (kj/mole) Sostanza Argon (Ar) Benzene (C 6 H 6 ) Etere di etilico (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) Etanolo (C 2 H 5 OH) Mercurio (Hg) Metano (CH 4 ) Acqua (H 2 O) * Misurati ad 1 atmosfera 12.8

48 Curva di riscaldamento Temperatura Punto di ebollizione Punto di fusione Liquido e vapore in equilibrio Vapore Solido e liquido in equilibrio Liquido Solido Tempo 12.8

49 Passaggi di stato H 2 O (s) H 2 O (g) Il calore molare di sublimazione ( Hsub) è l energia necessaria per sublimare 1 mole di un solido. ΔH sub = ΔH fus + ΔH vap ( Legge di Hess) Temperatura Sublimation Sublimazione Liquido Deposition Brinamento Solido 12.8

50 Un diagramma di stato riassume le condizioni per le quali una sostanza può esistere nella forma di solido, liquido o gas. Diagramma di stato dell acqua Pressione Solido Liquido Vapore Temperatura 12.9

51 Diagramma di stato del diossido di carbonio Liquido Pressione Solido Vapore A 1 atm CO 2 (s) CO 2 (g) Temperatura 12.9

52 Effetto dell aumento della pressione sul punto di fusione del ghiaccio e sul punto di ebollizione dell acqua Pressione Solido Liquido Pressione Solido Liquido Vapore Vapore Temperatura Temperatura Diminuzione del punto di fusione Aumento del punto di ebollizione 12.9

53 Chimica in azione: i cristalli liquidi Polarizzatore Polarizzatore Elettrodo Cristallo liquido Polarizzatore Specchio Nematico Smetico

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