Stati d aggregazione della materia

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1 Stati d aggregazione della materia AERIFORME (GASSOSO): Forma e volume del recipiente in cui è contenuto. PLASMA Gas ionizzato LIQUIDO: Forma del recipiente in cui è contenuto, ma volume proprio. Parametri di stato Volume: in m 3, oppure (non ufficialmente) in L Massa: in kg Pressione: in N m -2 = Pa, oppure in atm SOLIDO: Forma e volume propri. CRISTALLI LIQUIDI sostanze non passano direttamente dallo stato liquido a quello solido, ma in particolari condizioni sono in grado di organizzarsi in fasi intermedie (mesofasi) che presentano caratteristiche sia dello stato liquido cristallino che di quello solido N.B. 1 atm =760mmHg=1,01Bar=101,32KPa (perché 1Bar= Pa) Temperatura: in K, oppure (non ufficialmente) in C

2 PLASMA Il plasma è un gas ionizzato in cui elettroni e ioni si muovono in modo indipendente, e non sono legati gli uni agli altri come nei rimanenti stati della materia. In quanto tale, si distingue quindi dal solido, il liquido e il gas. "Ionizzato" in questo caso significa che gli elettroni sono stati strappati dai loro stati legati in una frazione significativamente grande.(accade ad altissime temperature) Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici.

3 Cristalli liquidi.

4 Transizioni di fase Una sostanza può esistere in tre stati fisici: solido liquido gassoso Il processo in cui una sostanza passa da uno stato fisico ad un altro è noto come transizione di fase o cambiamento di stato Vi sono sei possibili tipi di transizione di fase: - solido liquido fusione - solido gas sublimazione - liquido solido congelamento o solidificazione - liquido gas evaporazione - gas liquido condensazione o liquefazione - gas solido condensazione o deposizione (brinamento) Scrittura in formule: - H 2 O (s) H 2 O (l) fusione - H 2 O (l) H 2 O (g) evaporazione - H 2 O (s) H 2 O (g) sublimazione

5 Stato Aeriforme (Gas e Vapore) PROPRIETA di un GAS Può essere compresso facilmente Esercita una pressione sul recipiente Occupa tutto il volume disponibile Non ha forma propria nè volume proprio Due gas diffondono facilmente uno nell altro Tutti i gas hanno basse densità aria g/ml acqua 1.00 g/ml ferro 7.9 g/ml

6 TEORIA CINETICA DEI GAS James Clerk Maxwell Edimburgo Cambridge 1879 Ludwig Eduard Boltzmann Vienna Duino (TS) 1906 Ipotesi di partenza: Gas ideale - Un gas è formato di molecole puntiformi (le dimensioni delle molecole sono molto più piccole del volume medio a disposizione per ogni molecola). - Il moto delle molecole è completamente casuale. - Le molecole non interagiscono tra loro (le traiettorie, tra una collisione e l altra) sono rettilinee. - Le collisioni delle molecole (gli urti) con le pareti e tra le molecole stesse sono elastiche.

7 frazione di molecole DISTRIBUZIONE DI MAXWELL-BOLTZMANN DELLE VELOCITÀ MOLECOLARI TEORIA CINETICA DEI GAS velocità più probabile velocità media T 1 T 1 < T 2 < T 3 velocità quadratica media E N T 2 T 3 velocità N E = N * e E/RT velocità Se aumenta la t aumenta la v media e diminuisce il n di molecole con quella v media Ne aum con la T e diminuisce aum e

8 Perchè sono importanti queste curve? Alcuni processi (reazioni) avvengono solo se le molecole hanno velocità più grandi di un certo valore (energia di attivazione)

9 Le tre leggi più importanti che regolano il comportamento di un gas perfetto sono: In ogni caso per poter studiare un gas tramite le coordinate termodinamiche è necessario tenerne costante una per poter capire quale relazione ci sia tra le altre due. Vi sono inoltre altre tre leggi che descrivono il comportamento dei gas:

10 Gli Esperimenti mostrano che 4 variabili (di cui solo 3 indipendenti) sono sufficienti a descrivere completamente il comportamento all equilibrio di un gas. Pressione (P) Volume (V) Temperatura (T) Numero di particelle (n) p f ( n, V, T ) Lo studio dei gas e un eccellente esempio di metodo scientifico in azione. Illustra come delle osservazioni posso portare a dedurre delle leggi naturali, che a loro volta, possono essere spiegate con dei modelli

11 La Legge di Boyle Nel 1662, Robert Boyle scopre che il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione V 1 P (T,n costanti) O PxV=K

12 Poniamo il gas in un cilindro graduato sormontato da un pistone libero di scorrere senza attrito. Sul pistone poniamo un pesetto e, quando il pistone si è fermato, determiniamo il valore del volume. Dato che la sezione S è costante, per aumentare la pressione P, essendo P=F/S, basta aumentare la forza F, cioè il numero dei pesetti. In effetti, mettendo sul pistone due e poi tre pesetti, vediamo che il volume man mano diminuisce.

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14 La Legge di Boyle A Temperatura costante pv = costante p 1 V 1 = p 2 V 2 Robert Boyle Figlio del Conte di Cork, Irlanda. ISOTERMA: Trasformazione nella quale la temperatura del gas rimane costante.

15 Grafico della Legge di Boyle

16 Grafico della Legge di Boyle

17 Interpretazione Molecolare Se il numero di molecole raddoppia, nell unità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia. Se la pressione e bassa, le molecole sono lontane e non si influenzano, per cui la loro identità è ininfluente

18 Interpretazione Molecolare Se il volume si dimezza, nell unità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia.

19 Legge di Boyle e Respirazione N.B. l aria fluisce sempre da una zona ad alta P ad una zona a bassa P

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21 Leggi di Charles-Gay Lussac A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura Vt=Vo(1+ t) = 1/273,15 A Volume costante P varia linearmente con la temperatura Pt=Po(1+ t) = 1/273,15 P O V P Jacques Charles Isolò il Boro Studiò i gas e i palloni areostatici

22 Prendiamo in esame un cilindro con un volume V di gas e mettiamo su un pistone scorrevole senza attrito due pesetti, senza mai cambiarli, allo scopo di mantenere così costante la pressione. Se riscaldiamo allora il gas e di misuriamo ogni tanto temperatura t e volume V occupato, notiamo che all aumentare della temperatura aumenta con proporzionalità diretta anche il volume. ISOBARA: Trasformazione nella quale la pressione del gas rimane costante.

23 Dopo aver introdotto nel cilindro una certa quantità di gas, riscaldiamo il sistema, misurando regolarmente la temperatura e la pressione. Poiché il volume V deve restare invariato e il gas ovviamente tende ad espandersi, dobbiamo disporre sul pistone un numero di pesetti via via crescente. ISOCORA: Trasformazione nella quale il volume del gas rimane costante. la pressione aumenta all aumentare della temperatura secondo una relazione lineare.

24 Legge di Charles-Gay Lussac Tutti i grafici predicono un volume nullo per T = C Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante = Zero Assoluto

25 Legge di Charles-Gay Lussac Questo è vero per tutti i gas (... diluiti ovviamente)

26 La Scala Kelvin di Temperatura Dato che tutti i grafici della legge di Charles-Gay Lussac intersecano l asse delle temperature a C, Lord Kelvin propose di usare questo valore come zero di una scala assoluta di temperature: la scala Kelvin. 0 Kelvin (0 K), definito ZERO ASSOLUTO è la temperatura dove il volume (o la pressione) di un gas ideale è nullo, e cessa ogni movimento molecolare ed è pari a - 273,15 C. Per cui T( K)= t ( C) + 273,15 da ciò deriva che 0 C è pari a 273,15 K

27 Legge di Avogadro Il volume di un gas, a temperatura e pressione costanti, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas. V n (T,P costanti) Amedeo Avogadro1811 Uguali volumi di gas alla stessa temperatura e pressione, contengono un egual numero di molecole. Il volume molare è lo stesso. Da cui 1 mole di qualsiasi gas in condizioni normali occupa 22,4l

28 Condizioni Ambientali Standard di Temperatura e Pressione (SATP) Temperatura: 25 C = K Pressione: 101,325 KPascal (o 1 bar) Il volume molare di un gas e V m = L Condizioni Normali (o vecchie STP, non piu usate) Temperatura: 0 C = K Pressione: 1 atm (o 760 mmhg o1,01bar o 101,3KP) Il volume molare di un gas ideale e V m = L

29 Volumi Molari Gas reali non ideali UNA mole di qualsiasi gas in condizioni normali occupa 22,4 litri e contiene N molecole di gas

30 pv = nrt Combinando le tre leggi si ottiene: EQUAZIONE GENERALE DEI GAS PV=nRT

31 Il valore di R Il valore di R, come avviene per tutte le costanti sperimentali, dipende dalle unità di misura usate per esprimere le variabili in gioco. Nel caso dei gas, è determinante l'unità di misura della pressione, poiché numero di moli e temperatura hanno dimensioni obbligate e il volume, nel sistema MKS, è misurato in litri o, il che è lo stesso, in dm 3. E' bene sottolineare che la costante R non è una costante limitata alle leggi dei gas, ma compare in numerose relazioni termodinamiche. Per rendersi conto dell'universalità di R, ricordiamo che il suo valore è dato dal prodotto del numero di Avogadro (N) per la costante di Boltzmann (k), una costante fondamentale che vale ca x Joule/ K. R = Nk Un modo per calcolare il valore di R quando si misuri la pressione in atm è quello di far riferimento al volume molare. Dall'equazione di stato si può scrivere che R = PV/nT. Poiché abbiamo visto che 1 mole di un gas in condizioni standard (0 C e 1 atm) occupa un volume di litri, sostituendo, si ottiene: Se invece la pressione è misurata in Pascal (1 atm = x 10 5 Pa), si ottiene lo stesso valore calcolato dalla relazione R=Nk, ovvero:

32 Riassumendo alla temperatura di 0 C (273,15 K) e alla pressione di 1 atm, 1 mole di un gas occupa il volume di 22,414 L con R = L. atm/(k. mol) R = L. Torr/(K. mol) R = L. Pascal/(K. mol)

33 Equazione di stato dei gas reali (Equazione di Van der Waals) I gas reali differiscono dai gas ideali perché le particelle : Hanno volume proprio (e non trascurabile) Hanno interazioni deboli tra loro Per cui il volume sarà V= V-nb (n=moli b= volume di una mole) La P = (an 2 /v 2 ) dove a= coefficiente specifico di ogni gas L equazione quindi per i gas reali è: (differisce per 1% dai gas ideali) (P + a n 2 /v 2 ) x (V- nb ) = nrt

34 La pressione esercitata da un miscuglio gassoso è pari alla somma delle pressioni parziali che ciascun gas eserciterebbe da solo occupando lo stesso volume nel miscuglio. + = L'aria è composta dal 78% di azoto, dal 21% di ossigeno e da piccole quantità di altri gas come anidride carbonica, vapor acqueo e gas nobili. La pressione dell'aria è la somma delle pressioni parziali esercitata da ciascuno dei gas che la compongono. Questi si comportano come se occupassero da soli un dato volume, si ha cioè che la pressione parziale di un gas non influisce su quella di un altro.

35 LEGGE di DALTON La legge di Dalton si applica nel caso di miscele gassose formate da due o più gas La pressione totale di una miscela gassosa è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas costituenti la miscela Ptot= Pa+Pb+Pc.. o anche In una miscela ciascun gas esercita una pressione proporzionale alla sua concentrazione Pa= na/ntot * Ptot (Frazione molare)

36 1 - legge di Boyle e Gay-Lussac P V = cost P V = nrt n = numero di moli R = costante dei gas T = temp. assoluta 2 - pressione parziale di un gas in una miscela gassosa Dalla legge di Boyle e Gay-Lussac: In una miscela di n gas: Pgas [Cgas] T Ptot = P1 + P Pn Esempio: Nell aria: N 2 = 79%, O 2 = 21% e la Ptot = 760 mmhg T = 37 o C per tutti i gas corporei quindi PN2 = 760 x 0.79 = 600 mmhg PO2 = 760 x 0.21 = 160 mmhg Ptot = 760 mmhg

37 Verifica di apprendimento 1. Calcolare il volume occupato da 11 g di CO 2 alla temperatura di 16 C e alla pressione di 3 x 10 5 Pa. [R. 2.0 litri] 2. Un gas alla pressione di 2 atm a alla temperatura di 23 C occupa un volume di 12 litri. Qual è pressione esercita il gas, se si porta la temperatura a 171 C e il volume a 15 litri? [R. 2.4 atm] g di un gas alla pressione di 7 atm a alla temperatura di 26 C occupano un volume di 700 cm 3. Qual è il peso molecolare del gas? [R. 28 g/mole] 4. L'aria che respiriamo è una miscela, la cui composizione percentuale in volume è approssimativamente 21% O 2 e 79% N 2. Qual è la pressione parziale in mmhg dei due gas quando la pressione atmosferica è 1 atm? [R. rispettivamente 160 e 600 mmhg

38 Gas e Vapori Lo stato aeriforme comprende i gas e i vapori, ma finora abbiamo parlato solo di gas. I vapori si comportano come i gas, almeno in determinate condizioni. Vediamo ora quali condizioni ci permettono di distinguere un gas da un vapore, e che cosa implica la differenza tra i due. A temperature al di sotto di un certo valore diminuendo il volume la pressione cessa di aumentare, e si mantiene costante. Questo andamento indica il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido.

39 Possiamo quindi dire che per ogni sostanza aeriforme esiste una temperatura, detta temperatura critica, al di sopra della quale la sostanza non può essere liquefatta per sola compressione. Si definisce gas un aeriforme al di sopra della temperatura critica, mentre vapore un aeriforme al di sotto della temperatura critica che può essere quindi liquefatto per sola compressione.

40 Possiamo quindi dire che per ogni sostanza aeriforme esiste una temperatura, detta temperatura critica, al di sopra della quale la sostanza non può essere liquefatta per sola compressione. Si definisce gas un aeriforme al di sopra della temperatura critica, mentre vapore un aeriforme al di sotto della temperatura critica che può essere quindi liquefatto per sola compressione. Quindi la temperatura critica di un gas è quella temperatura, caratteristica di ogni sostanza, al di sopra della quale, pur comprimendo il gas non è possibile liquefarlo; un vapore è una sostanza aeriforme che si trova ad una temperatura inferiore alla sua temperatura critica. Diventa liquido e poi solido per compressione oppure per raffreddamento; un gas è una sostanza aeriforme che si trova a temperatura superiore alla sua temperatura critica; per liquefarlo non basta la sola compressione, bisogna prima raffreddarlo al di sotto della temperatura critica. GAS VAPORE Tc

41 Gas (a 25 C) Tc Vapore (a 25 C) Tc Elio Acqua Azoto CO Ossigeno Propano (GPL) 95.6 Il punto critico dell acqua si trova alla temperatura di 374 C e alla pressione di 220x10 5 Pa; l acqua allo stato aeriforme che si forma a 100 C e 1,013x10 5 Pa è molto al di sotto delle condizioni critiche ed è quindi un vapore. L ossigeno e l idrogeno hanno temperatura critica rispettivamente di 119 C e di 240 C; pertanto, a temperatura ambiente si trovano molto al di sopra del loro punto critico e quindi sono dei gas. Infatti per liquefare l idrogeno bisogna prima raffreddarlo a temperatura inferiore a 240 C e poi comprimerlo.

42 Sperimentalmente la temperatura critica corrisponde al valore in cui scompare il menisco di separazione fra la fase liquida e la fase gassosa in un recipiente chiuso. Circa 10 C sotto T C Circa 1 C sotto T C Temperatura critica Molti gas hanno una temperatura critica bassa e non possono essere liquefatti per semplice compressione a temperatura ambiente. Ad esempio N 2 ha T C = -147 C

43 EQULIBRIO GAS-LIQUIDO: Evaporazione e condensazione Quando un GAS passa allo stato LIQUIDO parliamo di CONDENSAZIONE, ma il processo avviene anche in senso contrario e in questo caso parliamo di EVAPORAZIONE In un intervallo definito di pressioni e temperature liquido e vapore possono coesistere, ed in questo caso assisteremo ad un equilibrio dinamico. Osserviamo il fenomeno partendo dall evaporazione, considerando un recipiente chiuso che contiene un liquido mantenuto a temperatura costante.

44 Pressione di vapore Se il recipiente è aperto, l equilibrio non viene mai raggiunto, e il liquido evapora Se il recipiente è chiuso, la pressione del vapore aumenta sino ad arrivare al valore di equilibrio

45 Pressione di Vapore saturo La pressione che il vapore esercita sul suo liquido in condizioni di equilibrio viene chiamata PRESSIONE di VAPORE saturo Le condizioni di equilibrio si hanno quando il n delle molecole che passano dallo stato liquido a quello di vapore è = al n delle molecole che passano dallo stato di valore a quello liquido

46 Fattori che influiscono sull evaporazione L intensità del processo di evaporazione dipende da tre fattori: Temperatura Ventilazione Superficie di contatto

47 La Pressione di Vapore saturo è una proprietà del liquido il cui valore dipende, oltre che dalla natura del liquido, soltanto dalla temperatura. La pressione di vapore saturo, detta anche TENSIONE DI VAPORE SATURO, ad OGNI TEMPERATURA, ha un valore definito e diverso da sostanza a sostanza. Per l acqua alla temperatura corporea (37 C) la pressione di vapore saturo è 47 mm Hg. Pressione di Vapore e Volatilità Le sostanze volatili evaporano piu rapidamente. Piu alta la temperatura, piu veloce l evaporazione perchè la pressione di vapore è direttamente proporz alla Temperatura La Volatilita di una sostanza è correlata alle forze intermolecolari, poichè la pressione di vapore è inversam proporz. alla forza e N legami, si ha che piu deboli sono le forze intermolecolari, piu veloce è l evaporazione. 0 o C 20 o C 30 o C Dietiletere Press. Vap (torr) Etanolo Acqua

48 STATO LIQUIDO Un liquido NON ha forma propria ma cambia forma e si adatta alla forma del recipiente che lo contiene Ha volume proprio e non è comprimibile, poiché le molecole sono già a distanza ravvicinata Le variazioni di volume con la temperatura e la pressione sono molto inferiori a quelle dei gas I legami tra le molecole si possono rompere e riformare con facilità e continuamente Le caratteristiche dei liquidi dipendono dal tipo e dal numero di legami che possono formarsi tra le molecole, per questo motivo i liquidi non hanno quella uniformità di comportamenti che caratterizzano i gas Ricordiamo che nel gas non ci sono legami e le molecole sono indipendenti!

49 Ebollizione Se riscaldiamo un liquido in un recipiente aperto il vapore diffonde e non si raggiungerà mai la condizione di equilibrio. Quando la pressione di vapore saturo raggiunge il valore della pressione esterna il vapore può formarsi anche all interno del liquido, con la formazione di bolle, con il fenomeno ben noto dell ebollizione. altitudini (m) P (mmhg) t ebollizione ( C) livello del mare , , , , E importante sottolineare che: durante l ebollizione la temperatura del liquido non cambia perché tutto il calore fornito viene utilizzato per far evaporare altro liquido

50 Punto di Ebollizione Il liquido entra in ebollizione quando la pressione di vapore e uguale alla pressione esterna Il Punto di Ebollizione aumenta all aumentare della pressione. (es autoclave e pentola a pressione) Punto di Ebollizione Normale: pressione = 1 atm= KPascal

51 In una normale pentola in condizioni di pressione atmosferica normale, la temperatura dell acqua in ebollizione non supera mai i 100 C, nessuna fonte di calore potrà innalzare la temperatura al di sopra dei cento gradi. Coprire la pentola con un coperchio permette di ridurre le perdite di calore, ma la pressione rimane uguale alla pressione esterna Nella pentola chiusa ermeticamente come la pentola a pressione, l aumento della temperatura provoca un aumento della pressione di vapore che si somma alla pressione dell aria presente inizialmente nella pentola. L aumento della pressione (oltre le 2 atm) farà aumentare la temperatura di ebollizione che, a livelli di pressione così alti, arriverà a valori di anche di 120 C o superiori. Poiché nella pentola a pressione la temperatura è più elevata rispetto ad una pentola normale, la cottura dei cibi avviene più rapidamente. Lo stesso principio viene sfruttato con l autoclave per sterilizzare eliminando i microrganismi mediante denaturazione di loro proteine e altre biomolecole. Mentre la maggior parte dei microorganismi viene inattivata già a temperature di 100 C, alcuni patogeni possono sopravvivere e per renderli innocui bisogna utilizzare temperature superiori.

52 Calore di evaporazione Solo le molecole con più alta energia sono in grado di evaporare, quindi l evaporazione, in assenza di un sistema di termostatazione, comporta una diminuzione dell energia media del liquido, ovvero un raffreddamento del liquido. Si definisce calore latente di evaporazione la quantità di calore necessaria a temperatura costante per far evaporare un grammo di liquido. L acqua ha un elevato calore di evaporazione, 574 cal/g a 40 C, e questa proprietà viene utilizzata per la termoregolazione corporea.

53 Applicazioni cliniche: la termoregolazione Nell uomo la temperatura corporea è normalmente costante a 37 per mezzo di un meccanismo omeostatico tra la quantità di calore prodotta dall organismo (termogenesi) e la quantità di calore perduto (termodispersione). Il calore prodotto dal metabolismo viene eliminato attraverso CUTE RESPIRAZIONE RESPIRAZIONE La dispersione di calore per via respiratoria non è regolabile, se non aumentando la ventilazione, e avviene indipendentemente dalla temperatura esterna. Nell aria espirata c è vapore d acqua saturo a 37 C. Nell aria inspirata c è vapore acqueo, inferiore a 37 C e la pressione di vapore è inferiore alla pressione di vapore saturo. Quindi a ogni atto respiratorio l organismo perde acqua sotto forma di vapore, e contemporaneamente perde il corrispettivo calore di evaporazione.

54 CUTE Dalla superficie cutanea il calore viene disperso per irraggiamento come energia radiante e per evaporazione del sudore. Con la sudorazione le ghiandole sudoripare della pelle secernono acqua che evapora, disperdendo calore. La termoregolazione per via cutanea può essere modulata per vasodilatazione e vasocostrizione. Dato che la termoregolazione utilizza il calore di evaporazione dell acqua, per la sua efficacia è di fondamentale importanza: la differenza tra la pressione di vapore a 37 C (l acqua espirata o evaporata per sudorazione) e la pressione di vapore dell acqua nell ambiente. L equilibrio liquido-vapore è un processo dinamico in cui il liquido evapora ed il vapore condensa, la sudorazione è tanto più efficace quanto maggiore è la differenza do velocità tra la velocità di evaporazione e quella di condensazione. In un ambiente con umidità relativa molto bassa, come un deserto, la termoregolazione è molto efficiente e si possono agevolmente sopportare temperature anche superiori ai 30 C, mentre in ambienti con umidità relativa molto alta, come la foresta pluviale, una temperature di 30 C è difficilmente sopportabile.

55 Tensione superficiale Le molecole che si trovano alla superfice del liquido sono soggette alle forze di attrazione delle altre molecole in modo asimmetrico, questo fa si che esse tendano a stare all interno del liquido, dove il legami sono più numerosi. Una molecola all interno del liquido è sottoposta alle forze di attrazione in tutte le direzioni la cui risultante è nulla. Le molecole che si trovano sulla superficie del liquido sono sottoposte a forze di attrazione non bilanciate che tendono a portarle all interno del liquido

56 In altre parole per portare una molecole di liquido in superficie dobbiamo rompere dei legami chimici, ovvero dobbiamo spendere energia. L energia necessaria a far aumentare la superficie libera di un liquido si chiama tensione superficiale. Per questo motivo i liquidi tendono ad avere la minor superficie libera possibile. La forma ideale di un liquido a contatto con il solo gas è la sfera, quella che garantisce a parità di volume la superficie minore. Quando il contatto è tra liquido e solido si possono instaurare legami tra il liquido e il solido più forti o più deboli dei legami tra le molecole del liquido. In questo caso si può osservare una curvatura della superfice del liquido (menisco), che diventa concava nel caso di legami più forti, o convessa nel caso di legami più deboli. Le sostanze che diminuiscono la tensione superficiale sono dette tensioattivi

57 A B Mettendo acqua pura in una provetta di plastica il menisco sarà orizzontale o leggermente convesso (A), perché tra acqua e plastica le energie di legame sono minori di quelle tra molecole d acqua. Aggiungendo una proteina alla soluzione il menisco diventa concavo (B), perché l aggiunta della proteina ha diminuito la tensione superficiale.

58 Applicazioni cliniche: Tensione superficiale e respirazione Gli alveoli sono bolle di gas in acqua. La tensione superficiale agisce sull'alveolo all'interfaccia ariaacqua e tende a rendere la bolla più piccola Il polmone può essere paragonato a un palloncino: la compliance polmonare durante il gonfiaggio e lo sgonfiaggio varia per effetto della tensione superficiale che durante il gonfiaggio si oppone alla pressione esterna, mentre durante lo sgonfiaggio si aggiunge alla diminuzione di pressione esterna. Per ridurre l effetto della tensione superficiale le cellule alveolari secernono una complesso formato da lipidi e proteine chiamato surfattante polmonare che riduce la tensione superficiale dell acqua a livello alveolare e impedisce agli alveoli di espandersi o ridursi troppo rapidamente. Il surfattante polmonare è presente nei polmoni maturi. Nei neonati prematuri il surfattante piò mancare proporzionalmente al grado di immaturità, per cui alla nascita può manifestarsi una grave insufficienza respiratoria: la Sindrome da Distress Respiratorio (RDS). Nell adulto numerose patologie infiammatorie e infettive provocano : Sindrome da Distress Respiratorio Acuto dell adulto (ARDS).

59 STATO SOLIDO Le particelle elementari sono l'una accanto all'altra, più o meno ordinate, tenute strettamente unite da forze di legame ed oscillano intorno ad un punto fisso senza però spostarsi liberamente, per questo motivo un solido ha forma e volume proprio. SOLIDI CRISTALLINI Sono caratterizzati da un perfetto ordine poiché le loro particelle si trovano ai vertici di figure geometriche tridimensionali ben definite. Esistono vari tipi di solidi cristallini: solidi covalenti: le particelle sono legate fra loro da legami omopolari o covalenti. Esempi: il diamante e la grafite, entrambi formati esclusivamente da atomi di carbonio, ma disposti secondo figure geometriche diverse e quindi con caratteristiche diametralmente opposte. Altro esempio: la silice (SiO 2 ) n che forma i cristalli di quarzo. Ad eccezione della grafite i solidi covalenti non conducono la corrente, hanno altissima temperatura di fusione, sono insolubili in acqua e durissimi. solidi ionici: ai vertici del reticolo troviamo ioni positivi e negativi alternati gli uni agli altri, ad esempio il cloruro di sodio NaCl; sono generalmente solubili in acqua, duri, ma frantumabili, non conducono la corrente, hanno alte temperature di fusione. solidi metallici: ai vertici del reticolo cristallino sono posizionati ioni positivi immersi in una nube formata dagli elettroni dell'ultimo strato. La mobilità della nube elettronica consente ai metalli di condurre bene la corrente. Sono in genere malleabili e duttili. Le temperature di fusione variano molto e dipendono dalla diversa energia del legame metallico. solidi molecolari: ai vertici del reticolo vi sono molecole, legate fra loro con legami di natura elettrostatica. Esempio: il saccarosio. Hanno bassa temperatura di fusione, sono teneri.

60 Solidi ionici Solidi covalenti Solidi molecolari Solidi metallici

61 FUSIONE Il passaggio solido liquido è un passaggio di stato analogo al passaggio liquido - vapore, è un un equilibrio dinamico. Avremo quindi un calore di fusione analogo al calore di evaporazione, ed un temperatura di fusione dipendente dalla pressione esterna analogamente alla temperatura di ebollizione. SUBLIMAZIONE Alcuni solidi, in un intervallo definito di pressione e temperatura, possono passare direttamente allo stato di vapore. Ad esempio il ghiaccio a -2 C ha una pressione di vapore di 3.88 mmhg.

62 Stato di aggregazione intermedio solido-liquido I CRISTALLI LIQUIDI I cristalli liquidi possono essere definiti come fluidi altamente anisotropi che esistono fra la fase solida cristallina e quella liquida isotropa: questo è ciò che è stato definito il "quarto stato della materia". L'esistenza di queste mesofasi è dovuta ad una certa organizzazione che le molecole possono assumere passando dall'ordinata disposizione cristallina dello stato solido alla disposizione casuale dello stato liquido. Composti che formano mesofasi (mesogeni) quando disciolti in un opportuno solvente in un certo intervallo di concentrazione, vengono detti cristalli liquidi liotropici. Numerosi cristalli liquidi possono essere osservati in base alla loro birifrangenza ottica al microscopio con filtri polarizzatori incrociati Alle proprietà tipiche dello stato solido (anisotropia ottica ed elettrica) e dello stato liquido (fluidità e mobilità molecolare) si aggiungono caratteristiche peculiari dei cristalli liquidi: ad esempio la possibilità di variarne il grado di ordine per mezzo di campi magnetici ed elettrici, o la facoltà che essi hanno di cambiare colore al variare della temperatura. Questo ha fatto dei cristalli liquidi una classe di composti che sono oggi largamente usati per la costruzione di oggetti di uso quotidiano. cristalli liquidi trovano largo uso negli schermi a cristalli liquidi, che sfruttano le proprietà ottiche di determinate molecole liquido-cristalline. Queste molecole in presenza di un campo elettrico si allineano con esso, alterando la polarizzazione della luce in un determinato senso. Sfruttando questa capacità è possibile filtrare la luce che passa entro appositi pannelli polarizzati.

63 In pratica tali sostanze non passano direttamente dallo stato solido a quello liquido, ma in particolari condizioni sono in grado di organizzarsi in fasi intermedie (mesofasi) che presentano caratteristiche sia dello stato solido cristallino che di quello liquido. Questo dualismo giustifica il termine con cui si indicano questi composti

64 Anche in biologia si incontrano mesogeni liotropici: per esempio numerose sostanze coinvolte nel meccanismo delle membrane biologiche, Una mesofase liotropica è generata da mesogeni che disciolti in un appropriato solvente, ed in determinati intervalli di concentrazione, si aggregano in strutture liquido-cristalline. Spesso i mesogeni liotropici sono molecole anfifiliche(ovvero contengono sia gruppi funzionali sia idrofobici che idrofilici). Al variare della concentrazione del solvente (acqua in questo caso) le proprietà idrofiliche o idrofobiche possono variare, modificando il modo in cui le molecole si aggregano fra di loro e in rapporto alle molecole del solvente. Il grado di ordine di aggregazione di queste molecole aumenta all'aumentare della concentrazione, ed esistono numerose possibilità di aggregazione micellare fra cui per esempio:

65 35-50 nm fosfatidilcolina monomera fase acquosa catene idrofobiche testa polare Gli aggregati lipidici hanno caratteristiche liquido-cristalline

66 A bassa temperatura i monomeri sono organizzati in uno stato cristallino Innalzando la temperatura si ha rottura dei legami intermolecolari di van der Waals fra le catene idrofobiche

67 Le molecole di fosfatidilcolina organizzate in doppio strato possono modificare la conformazione delle loro catene idrofobiche (stato liquido) mentre le teste polari sono organizzate in un reticolo cristallino bidimensionale (stato solido). Il doppio strato ha quindi lo stato fisico di una mesofase liquidocristallina. Cristalli liquidi

68 Le membrane cellulari sono in uno stato fisico che dipende dall assetto liquido-cristallino del bilayer fosfolipidico cellula eucariotica

69 Le diapositive successive sono da leggere, per un approfondimento personale..

70 PRESSIONE ARTERIOSA LA PRESSIONE ARTERIOSA (PA) e la forza esercitata dal sangue contro la parete dei vasi sanguigni. La PA massima si ha quando la contrazione ventricolare SISTOLICA forza il sangue ad alta pressione nell aorta. La PA minima - DIASTOLICA si ha quando il ventricolo si rilassa. (è la pressione minima esercitata dal sangue sulle pareti arteriose) L unità di misura utilizzata per la misurazione della PA è il mm Hg (SFIGMOMANOMETRO) MISURA della PA La fascia è avvolta intorno al braccio e gonfiata premendo il bulbo questa esercita una pressione sul braccio che viene letta dalk manometro Quando la fascia è sufficientemente gonfia fa collabire l arteria brachiale impedendo al sangue di fluire verso l avambraccio.a questa pressione nello stetoscopio non si sente alcun suono poiché la pressione applicata nella fascia è maggiore della pressione sanguigna. Quando si sgonfia lentamente la fascia si ha una diminuzione della pressione sul braccio Il primo debole suono si percepisce quando la pressione nella fascia = alla pressione sistolica cioè quando il ventricolo si contrae (cioè quando la pressione nella fascia è abbastanza bassa da far fluire il sangue nell avambraccio.(questa è la Pressione massima o sistolica) Quando la pressione nella fascia continua a diminuire diventa prima più forte poi comincia a sparire. In corrispondenza dell ultimo suono percepito la Pfascia=Pdiastolica (quando il ventricolo 70 si è rilassato (questa è la pressione minima o diastolica)

71 I liquidi come i gas esercitano una pressione sulle pareti dei loro contenitori La pressione sanguigna per es è determinata dal sangue che pulsa spingendo contro le pareti dei vasi sanguigni Quando i ventricoli del cuore si contraggono e spingono il sangue nelle arterie la pressione sanguigna è alta (Pressione sistolica) quando i ventricoli si rilassano la pressione è più bassa (pressione diastolica) Essa viene espressa come frazione che indica la Ps/Pd Negli adulti la Ps è tra i mentre la Pd Negli anziani può essere maggiore di 10mm di Hg Lo sfigmomanometro è in grado di rilevare la pressione arteriosa minima (diastolica) e quella massima (sistolica) con un meccanismo che varia a seconda del modello di apparecchio che si usa. Gli sfigmomanometri più moderni sono quelli elettronici ma è ancora diffuso tra il personale sanitario l'uso della auscultazione dell'arteria brachiale mediante lo stetoscopio

72 Misurazione della Pressione sanguigna Questa tecnica introdotta da un giovane medico dell armata russa, Nikolaj Korotkoff, che suggerì la possibilità di ascoltare invece che palpare il polso, offrendo così un metodo per la rilevazione sia della pressione sistolica (ricomparsa dei suoni mentre viene ridotta la compressione sull arteria brachiale Fase I di (Korotkoff ) sia della pressione diastolica (momento della scomparsa totale o di una drastica riduzione dei suoni, Fase V o IV di Korotkoff rispettivamente)

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