Stati di aggregazione della materia

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1 Stati di aggregazione della materia A seconda della natura dei legami tra gli atomi o delle forze tra le molecole si possono avere diversi stati di aggregazione della materia SOLIDO LIQUIDO GAS PLASMA

2 Stati di aggregazione della materia PLASMA GAS ENERGIA Deposizione Sublimazione LIQUIDO SOLIDO

3 Stato gassoso DEFINIZIONE DA UN PUNTO DI VISTA MACROSCOPICO Stato che non ha né forma né volume proprio ma assume quella del recipiente che lo contiene Deboli forze attrattive tra le molecole

4 Stato gassoso Generalmente, a temperatura ambiente e pressione atmosferica, sono gassosi gli elementi non metalli e le molecole covalenti a basso peso molecolare

5 Stato gassoso PARAMETRI CHE DEFINISCONO LO STATO GASSOSO 1. Pressione 2. Volume 3. Temperatura 4. Massa Lo studio di uno stato mira a trovare tutte le variabili (parametri) da cui esso dipende e ricavare l equazione che le correla EQUAZIONE DI STATO

6 Pressione atmosferica E la pressione esercitata dai costituenti gassosi dell'aria su tutti gli oggetti immersi nell'atmosfera terrestre, in virtù della loro forza peso ATMOSFERA TERRESTRE La maggior parte della massa gassosa si trova nella troposfera e nella stratosfera. Stratosfera: si trova qui lo strato di ozono, che assorbe e diffonde la radiazione ultravioletta solare

7 Misura della pressione atmosferica Barometro di Torricelli P= F/S 1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 760 torr 1 mm Hg = 1 torr 1 atm = KPa (SI) Se in una bacinella contenente Hg viene capovolto un tubo di vetro graduato, anch esso pieno di Hg, si osserva che il livello del Hg scende fino ad una certa altezza

8 Misura della pressione dei gas MANOMETRI A tubo chiuso A tubo aperto Per misurare P vicine a quella atmosferica Manometro a tubo chiuso tubo ad U B. Un gas esercita una pressione sul mercurio nel braccio collegato al recipiente. Il dislivello del mercurio tra i due rami (Δh) è assunto come misura della pressione del gas.

9 Misura della pressione dei gas Manometro a tubo aperto C P gas = P atm D P gas < P atm P gas = P atm - P Δh E P gas > P atm P gas = P atm + P Δh P Δh = d g Δh d: densità Hg g: accelerazione di gravità

10 Equazione di stato dei gas PARAMETRI CHE DEFINISCONO LO STATO GASSOSO 1. Pressione (P) 2. Volume (V) 3. Temperatura (t( C) o T(K)) 4. Massa (n) Per determinare la relazione che correla i parametri bisogna effettuare più esperimenti Ciascun esperimento studia la relazione tra due parametri alla volta lasciando gli altri costanti 1. Relazione tra P e V (Legge di Boyle) 2. Relazione tra V e T (Legge di Charles) 3. Relazione tra P e T (Legge di Gay-Lussac) 4. Relazione tra V ed n (Principio di Avogadro)

11 Legge di Boyle Relazione tra P e V del gas a T e massa (moli) di gas costanti Recipiente graduato dotato di un pistone mobile ed immerso in un termostato. La P viene variata caricando o scaricando il pistone con dei pesi, il V viene letto sul cilindro graduato Trasformazioni isoterme

12 Legge di Boyle Indicando con K la costante di proporzionalità PV = K T= cost STATO 1 STATO 2 P 1, V 1 n= cost P 2, V 2 P 1 V 1 = P 2 V 2 Ramo di iperbole equilatera (xy=k) x: V y: P Retta passante per l origine (y=ax) x: 1/V y: P

13 Legge di Charles Relazione tra V del gas e t ( C) a P e massa (moli) di gas costanti t Trasformazioni isobare V = V 0 + (V 0 α) t α= 1/ coeff. di dilatazione del gas V=0 V V 0 V 0 α Retta non passante per l origine y = ax + b y: V x: t ( C) b: V 0 Intercetta a: V 0 α Coeff. angolare t

14 Legge di Charles t = C Valore limite delle basse temperature Utilizzando questo valore come zero di una nuova scala di temperatura, si ha una scala con valori sempre positivi detta scala delle temperature assolute T (K) = t ( C)

15 Legge di Charles Esprimendo la T in K l equazione di Charles diventa V = V 0 (1 + α t) = V t = V t = V 0 T T 0 V T = V 0 T 0 = costante

16 Legge di Gay-Lussac Relazione tra P del gas e t ( C) a V e massa (moli) di gas costanti P t V Trasformazioni isocore P = P 0 + (P 0 β) t Esprimendo la T in K l equazione di Gay-Lussac diventa P T = P 0 T 0 = costante

17 Principio di Avogadro Relazione tra V del gas e massa (moli) di gas a T(K) P e costanti Volumi uguali di gas diversi, nelle medesime condizioni di temperatura e di pressione, contengono uguali numeri di moli di molecole

18 Equazione di stato dei gas ideali Sottoponiamo il gas ad una trasformazione tale da modificare P, V, T P 2, V x, T 1 n=1 V x = P 1 V 1 /P 2 Trasformazione isoterma PV=cost Trasformazione isobara V/T=cost P 1, V 1, T 1 n=1 Trasformazione P 2, V 2, T 2 n=1 V x /T 1 = V 2 /T 2 V x = P 1 V 1 /P 2 P 1 V 1 P 2 V = 2 T 1 T 2

19 Equazione di stato dei gas ideali PV = nrt R = l atm/mol K Costante dei gas perfetti Per ricavare il valore di R basta calcolare il V occupato da una mole di gas ad una certa T e P CONDIZIONI NORMALI P= 1 atm T= K CONDIZIONI STANDARD P= 1 atm T= K

20 Equazione di stato dei gas ideali PV = nrt un gas che obbedisca a tale legge in ogni condizione si definisce ideale o perfetto la legge dei gas ideali contiene tutte le relazioni che descrivono la risposta del gas ideale ai cambiamenti di pressione, volume, temperatura e numero di moli di molecole la legge dei gas ideali ben descrive i gas reali a bassa pressione

21 Miscele di gas Una miscela gassosa è un sistema omogeneo a più componenti COMPOSIZIONE MISCELA Frazione molare % in moli n A moli di A n B moli di B n C moli di C χ i = n i /n tot n tot = n A + n B + n C FRAZIONE MOLARE % n i = χ i 100

22 Miscele di gas LEGGE DI DALTON La pressione totale di una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali dei suoi componenti P T = P A + P B + P C P T = P i i La pressione parziale è la pressione che ogni componente eserciterebbe se occupasse da solo un volume pari a quello di tutta la miscela e si trovasse alla T della miscela

23 Miscele di gas LEGGE DI DALTON Il volume totale di una miscela di gas è uguale alla somma dei volumi parziali dei suoi componenti V T = V A + V B + V C V T = V i i Il volume parziale è il volume che ogni componente occuperebbe se, portato alla T della miscela, venisse sottoposto alla pressione della miscela

24 Miscele di gas LEGGE DI DALTON Applicando la legge dei gas perfetti ai componenti della miscela P T = P A + P B + P C P A = n A RT/V P T = P A + P B + P C = (n A + n B +n C )RT/V= n T RT/V P A P T = n A n T P A = n A n T P T = χ A P T P i V i = χ i P T = χ i V T

25 Teoria cinetica dei gas Teoria che spiega le proprietà macroscopiche dei gas partendo dalla considerazione della loro composizione a livello molecolare GAS IDEALI 1. I gas sono composti da particelle puntiformi (dotate di massa ma prive di volume) che si comportano come oggetti rigidi, in costante moto casuale 2. Le dimensioni delle particelle sono molto più piccole delle loro distanze 3. Non sussistono forze attrattive o repulsive tra le particelle del gas 4. Le particelle nel loro moto subiscono urti elastici E C = 3/2 RT 5. I gas reali si comportano da gas ideali solo ad alta T e bassa P

26 Teoria cinetica dei gas Distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità A una data temperatura, un diagramma del numero relativo di molecole di N 2 in funzione della velocità molecolare (u) è una curva a campana asimmetrica, il cui massimo corrisponde alla velocità più probabile. Si noti che le curve si allargano all aumentare della temperatura e che la velocità più probabile è direttamente proporzionale alla temperatura

27 Teoria cinetica dei gas Dipendenza delle velocità molecolari dalle masse molari (T=cost) A una data temperatura, i gas con massa molare più bassa hanno velocità più probabile più alta (massimo di ciascuna curva).

28 Teoria cinetica dei gas Approfondimento SPIEGAZIONE DELLE LEGGI DEI GAS

29 Teoria cinetica dei gas Approfondimento SPIEGAZIONE DELLE LEGGI DEI GAS

30 Teoria cinetica dei gas Approfondimento SPIEGAZIONE DELLE LEGGI DEI GAS

31 Gas reali La condizione di idealità di un gas vale solo ad alte T e basse P V ideale =V reale -nb: volume libero b: covolume

32 Gas reali P ideale =P reale +an 2 /V 2

33 Gas reali T= costante Gas ideale A P basse, PV è più basso di un gas ideale A P alte, PV è più alto di un gas ideale

34 Gas reali CURVE DI LIQUEFAZIONE DEI GAS REALI D T > T c (T critica): Il gas si comporta da gas ideale (Legge di Boyle) liquido + vapore C T < T c (T critica): TRATTO CB: V, P aumenta meno di quanto previsto da Boyle TRATTO BA: V, P=costante. Condensazione (liquido in equilibrio con vapore) TRATTO AD: fase vapore scomparsa, liquido incomprimibile