STATI DELLA MATERIA. fluorite. Laura Condorelli 2013 Pag. 1

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1 STATI DELLA MATERIA STATO SOLIDO Hanno volume e forma propri, ciò dipende dai legami, che esistono tra particelle ( quindi conferiscono un volume proprio) e dal fatto che le stesse non sono libere di muoversi liberamente, né di modificare la posizione reciproca, ma solo di oscillare intorno alla posizione di equilibrio (nei solidi l energia cinetica conferisce alle particelle solo la possibilità di oscillare). I solidi possono essere amorfi, oppure cristallini. I solidi cristallini sono formati da unità microscopiche di forma compatibile con quella del cristallo (cella elementare) e si sfaldano secondo piani preferenziali. La forma del minerale è dunque da considerarsi come la ripetizione infinite volte di uno stesso motivo, mentre il reticolo cristallino è una ripetizione di punti, tale che ciascun punto abbia sempre lo stesso intorno di punti. Esso risulta assegnato se fissiamo con 3 vettori non complanari la lunghezza di 3 traslazioni elementari. Da qui si ottiene la cella elementare, la cui ripetizione definisce il cristallo. Differenza tra solidi cristallini e amorfi Solidi cristallini La struttura intera dei cristallini si chiama RETICOLO CRISTALLINO: - distribuzione ordinata di punti la cui unità si chiama CELLA ELEMENTARE, la quale si ripete infinite volte nello spazio. La forma esterna (abito) rispecchia la forma della cella elementare. I solidi cristallini fondono a temperatura costante. fluorite Solidi amorfi La struttura del solido amorfo è costituita da particelle distribuite a caso, come nei liquidi, ma a differenza di essi le particelle in questi solidi sono ferme. I solidi amorfi passano gradualmente dallo stato solido al liquido. Pag. 1

2 Differenza tra calore e temperatura Calore È una forma di energia ; qualcosa che passa da un corpo ad un altro, U.M. : Joule. Temperatura È una proprietà del sistema legata alla velocità di movimento delle particelle. U.M : gradi. E= 3/2KT Passaggi di stato Calore latente di fusione: Calore assorbito a temperatura costante durante il processo di fusione. Quando il solido diventa liquido assorbe il calore dall ambiente per fondere. Il calore latente viene restituito quando si passa da stato liquido a solido (quando nevica la temperatura si alza). Calore latente di evaporazione: Calore assorbito da parte del sistema a temperatura costante durante il processo di evaporazione nel passaggio da liquido a gas. Anche in questo caso quando il gas diventa liquido il calore viene restituito all ambiente. Nei solidi cristallini le particelle sono disposte in modo regolare nel reticolo cristallino. Questi solidi fondono a temperatura costante. Quando inizio a scaldare un solido le particelle assorbono energia termica, aumentando le vibrazioni (trasformando quindi l energia termica in cinetica), che si manifesta con un aumento della temperatura del cristallo. Si arriva ad un punto in cui l energia cinetica supera l energia di legame e il solido comincia a fondere. Durante tutta questa fase il calore fornito non aumenta l energia cinetica, ma servirà a rompere ogni legame fino a ché tutto il solido si sarà liquefatto. Nei solidi vetrosi non esiste una struttura cristallina e gli atomi sono disposti disordinatamente (liquido congelato). Pag. 2

3 Solidi ionici (NaCl) Ai nodi del reticolo cristallino stanno cationi e anioni, tenuti insieme da un legame ionico molto forte, il ché rende ragione dell elevato punto di fusione (mentre il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso è facile). Hanno alta solubilità in acqua (sono solubili quando l energia liberata con l idratazione supera quella reticolare, cosa assai difficile in genere per i carbonati e solfati di calcio e di bario), sono cattivi conduttori elettrici allo stato solido, mentre conducono bene in soluzione. Sono rigidi, duri, ma facilmente sfaldabili Solidi metallici (rame) Ai nodi del reticolo cristallino sono tutti ioni dello stesso segno (Na +, K + ). Gli elettroni di valenza sono invece liberi di muoversi, costituendo una specie di gas elettronico che avvolge gli ioni e li tiene uniti. Tutti questi atomi hanno basso potenziale di ionizzazione e gli elettroni sono dotati di alta mobilità, il ché conferisce a questi solidi un elevata conducibilità elettrica e termica (dovuta allo spostamento di elettroni ad alta energia, dopo che hanno assorbito calore). I legami sono estesi a tutto il cristallo, di conseguenza questi solidi hanno elevata resistenza meccanica. Sono inoltre sono duttili e malleabili (è facile ridurli in fili e in lamine). I punti di fusione sono variabili. Il colore più chiaro indica la disposizione degli elettroni Solidi covalenti (diamante e grafite) Ai nodi sono atomi neutri uniti con legame covalente, come ad esempio il diamante (C). Hanno punti di fusione molto elevati, sono insolubili e non conduttori (ad eccezione della grafite, che viene usata come elettrodo). Solidi molecolari (ghiaccio) Ai nodi sono molecole tenute insieme da legami intermolecolari di tipo di Van der Waals, hanno dunque basso punto di fusione, sono cattivi conduttori e solubilità variabile. Pag. 3

4 STATO LIQUIDO Le molecole sono in grado di scorrere, cambiare la loro posizione reciproca, ma mai la distanza media, poiché sono legate tra loro (ciò conferisce al liquido un volume proprio, anche se la forma sarà quella del recipiente). Molto importante è la scarsa dipendenza del volume dalla pressione (i liquidi sono cioè incomprimibili), le molecole di liquido si muovono, hanno energia cinetica di movimento, che è uguale a quella dei gas alla stessa temperatura, ma le forze attrattive intermolecolari superano l energia cinetica (media). Evaporazione è il passaggio da liquido a vapore e riguarda le particelle alla superficie del liquido che abbiano energia cinetica maggiore dell energia di legame. Se il recipiente è chiuso si crea un equilibrio tra il numero di particelle che evaporano e il numero di particelle che da vapore tornano allo stato liquido (condensazione). L evaporazione dipende dai seguenti fattori: Natura del liquido : più forti sono i legami, più difficile sarà l evaporazione. Temperatura: aumenta infatti l energia cinetica media. Pressione esercitata dal gas sulla superficie del liquido. Se questa aumenta, aumenta anche il numero di particelle che condensano, poiché aumenta il numero di urti contro la superficie del liquido. Tra evaporazione e condensazione si crea un equilibrio dinamico, tale che il numero di particelle che evaporano sarà uguale al numero di particelle che da vapore tornano allo stato liquido. Creando il vuoto è possibile misurare ad ogni temperatura la pressione alla quale si manifesta l equilibrio, che è detta tensione di vapore del liquido. Essa aumenta con andamento esponenziale quanto più aumenta la temperatura. Se al contrario non viene predisposto il vuoto, all equilibrio la pressione sarà data dalla tensione di vapore sommata alla pressione atmosferica, in modo che la pressione parziale del liquido sia comunque uguale alla tensione di vapore. Ebollizione Se aumento la temperatura aumento anche l evaporazione e la tensione di vapore. Ad una certa temperatura l evaporazione non avviene più solo alla superficie del liquido, ma in tutta la massa del recipiente, dove si vedono bolle di vapore. Durante questo processo la temperatura è costante. Il punto di ebollizione dipende dalla natura del liquido e dalla pressione esterna, poiché se la pressione esterna è maggiore della tensione di vapore le bolle non riescono a spostare l aria soprastante e il liquido non bolle. L ebollizione invece avviene quando la pressione esterna è uguale alla tensione di vapore (questo è il motivo per cui nella pentola a pressione l acqua bolle ad una temperatura maggiore rispetto a 100 C e i cibi cuociono prima; in montagna invece l acqua bolle prima, ma i cibi fanno fatica a cuocere). La costanza della temperatura è dovuta al fatto che l energia cinetica delle particelle è già quella massima possibile a quella pressione e quindi il calore fornito serve solo ad allontanare le particelle. La quantità di calore assorbito durante il processo di evaporazione è detto calore latente di evaporazione. Pag. 4

5 STATO GASSOSO TEORIA CINETICA Mentre la termodinamica si occupa di aspetti macroscopici, la teoria cinetica dei gas prende in considerazione l aspetto microscopico, cioè su base statistica, ovvero tenendo presenti i valori medi, dal momento che il gas risulta composto da un gran numero di particelle, ognuna delle quali può comportarsi in modo autonomo. La teoria cinetica dei gas in considerazione i gas ideali, simili a quelli reali, ma in condizioni particolari, ovvero lontani dal punto di fusione e a bassa concentrazione. In queste condizioni, infatti, il volume delle singole particelle del gas (covolume) è trascurabile rispetto al volume occupato dall intera massa di gas e le forze attrattive tra particelle non hanno luogo. I presupposti della teoria cinetica sono che: 1. Il gas sia composto da particelle piccole. 2. Le particelle siano in costante movimento. 3. Le particelle, urtandosi, non perdano energia cinetica. Proprietà dei gas: 1. Espansione: il gas può espandersi. 2. Pressione: le particelle del gas esercitano una pressione sulle pareti interne del recipiente che lo contiene. Tale pressione (P= F/cm 2 ) si misura in mmhg (peso di una colonnina di 1mm di Hg su una superficie di 1 cm 2 ) kgp/cm2 (peso equivalente ad un kgp su una superficie di 1 cm 2 ) atm (peso di una colonnina di 760 mm di Hg su una superficie di 1 cm 2 ) pascal (peso di 1 Newton su una superficie di 1 m 2 ) 3. Bassa densità con valori intorno a 10-2 g/l 4. Capacità di diffondere Le proprietà fisiche di un gas che obbedisca alla teoria cinetica sono la concentrazione molare, la pressione e la temperatura. Si considerano condizioni standard la pressione pari a 1 atm e la temperatura di 25 C. La materia allo stato gassoso occupa un volume che è 1000 volte maggiore rispetto a quello dei liquidi, in queste condizioni le particelle sono lontane tra loro e si muovono liberamente fino a che non si urtano o urtano contro le pareti del recipiente (pressione). Aumentando il numero di molecole aumenta anche P [ ] (molarità) la pressione. La pressione aumenta anche se si aumenta la temperatura, poiché essa aumenta l energia cinetica media (quindi la velocità media) delle particelle. P T Ecm = ½ mv 2 Ecm = ½ mv 2 n (per un numero n di particelle) La pressione, al contrario, è inversamente proporzionale al volume. PV= 2/3n Pag. 5

6 LEGGI SUI GAS LEGGE DI BOYLE (ISOTERMA) A temperatura costante se si diminuisce il volume di un gas la pressione aumenta. Immaginiamo di dimezzare il volume di un gas, mantenendolo alla stessa temperatura. Gli urti contro le pareti del recipiente aumenteranno, aumentando la pressione. Il grafico è il seguente Pressione e volume sono tra loro inversamente proporzionali, ovvero il loro prodotto è costante. LEGGE DI CHARLES (ISOBARA) Se consideriamo la temperatura in C, la formulazione della legge di Charles è: a pressione costante, per ogni aumento di temperatura di 1 C, il volume di un gas aumenta di 1/273 del volume del gas a 0 C. Le variabili sono temperatura (indipendente) e volume (dipendente). V 0, ovvero il volume del gas a 0 C rappresenta il termine noto, ovvero l ordinata del punto di ascissa zero e il valore di 1/273V 0 rappresenta il coefficiente angolare, ovvero la crescita della funzione. Spostando l asse delle ordinate in modo da farlo coincidere con l intersezione della retta con l asse delle ascisse (temperatura, t = -273 C), si ottiene una retta passante per l origine degli assi. Riscaldando un gas, il volume aumenta in modo proporzionale all aumento della temperatura assoluta. Infatti aumentando la temperatura, se la pressione rimane costante il gas si espande. V 0 = volume del gas a 0 C t= temperatura in C α= 1/273 V= V 0 (1+αt) = V 0 +V 0 t/273 poichè α= 1/273 Ponendo V=0 (punto di intersezione con l asse delle ascisse), si avrebbe V 0 (1+αt)=0 poichè V 0 0 per definizione (vol del gas a 0 C) 1+αt =0 quindi 1+t/273=0 t/273=-1 quindi t= -1/273)= -273 C ponendo T=t+273 ottengo il secondo grafico V=KT Pag. 6

7 Quando T=0 il gas avrebbe idealmente volume pari a zero. Lo zero assoluto è quindi definito come la temperatura alla quale i gas avrebbe volume zero, ma questa condizione non può essere raggiunta, sia sperimentalmente, sia teoricamente (esiste comunque il volume stesso delle particelle). LEGGE DI GAY-LUSSAC (ISOCORA) Se consideriamo la temperatura in C, la formulazione della legge di Gay-Lussac è: a volume costante, per ogni aumento di temperatura di 1 C, la pressione di un gas aumenta di 1/273 della pressione del gas a 0 C. Le variabili sono temperatura (indipendente) e pressione (dipendente). P 0, ovvero la pressione del gas a 0 C rappresenta il termine noto, ovvero l ordinata del punto di ascissa zero e il valore di 1/273P 0 rappresenta il coefficiente angolare, ovvero la crescita della funzione. Spostando l asse delle ordinate in modo da farlo coincidere con l intersezione della retta con l asse delle ascisse (temperatura, t = -273 C), si ottiene una retta passante per l origine degli assi. Riscaldando un gas, la pressione aumenta in modo proporzionale all aumento della temperatura assoluta. Infatti aumentando la temperatura, se il volume rimane costante la pressione aumenta. P 0 = pressione del gas a 0 C T= temperatura in C β= 1/273 P= P 0 (1+βt) = P 0 +P 0 t/273 poichè β= 1/273 Ponendo P=0 (punto di intersezione con l asse delle ascisse), si avrebbe P 0 (1+βt)=0 poichè P 0 0 per definizione (press. del gas a 0 C) 1+βt =0 quindi 1+t/273=0 t/273=-1 quindi t= -1/273)= -273 C ponendo T=t+273 ottengo il secondo grafico P=KT D estate infatti si deve diminuire la pressione degli pneumatici. Quando T=0 il gas avrebbe idealmente pressione pari a zero. Lo zero assoluto è quindi definito come la temperatura alla quale il gas avrebbe pressione zero, ma questa condizione non può essere raggiunta, sia sperimentalmente, sia teoricamente. LEGGE DI DALTON In una miscela di gas la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali di ciascun gas, essendo la pressione parziale definita come la pressione che quel gas eserciterebbe, se occupasse da solo l intero volume. La pressione parziale di un gas A si calcola con la formula PpA = Ptot Xa (dove XA= na/ntot, ovvero la frazione molare di A) In una miscela costituita dai gas A, B, C Ptot= PpA+PpB+PpC Pag. 7

8 LEGGE DI AVOGADRO Volumi uguali di gas, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di molecole (6, ). Il volume occupato da una mole di gas in condizioni standard è detto volume molare ed è pari a 22,414l. EQUAZIONE GENERALE DEI GAS PERFETTI Tenendo in considerazione le variabili dei gas, ovvero pressione, temperatura e volume, per una mole di gas qualsiasi la loro relazione sarà PV/T= R (costante dei gas perfetti, pari a 0,0821 atm l/ K) Per n moli di gas avremo PV=nRT Pag. 8

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