Forze Intermolecolari. Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Transcript

1 Forze Intermolecolari Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 1

2 Forze Intermolecolari Le Forze Intermolecolari sono forze attrattive fra 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) Generalmente, le forze intermolecolari sono molto più deboli di quelle intramolecolari. Misura della forza intermolecolare Punto di ebollizione Punto di fusione ΔH vap ΔH fus ΔH sub 2

3 Forze Intermolecolari Interazioni Dipolo-Dipolo Forze Attrattive fra molecole polari Orientazione di Molecole Polari in un Solido 3

4 Forze Intermolecolari Ione-Dipolo Forze attrattive fra uno ione ed una molecola polare Interazione Ione-Dipolo 4

5 Interazioni fra l Acqua ed i Cationi in soluzione 5

6 Forze Intermolecolari Forze di Dispersione (London) Forze attrattive che sono il risultato di dipoli istantanei o indotti in atomi or molecole Interazione ione-dipolo indotto Interazione dipolo-dipolo indotto 6

7 Interazioni fra dipoli istantanei 7

8 Forze Intermolecolari Forze di Dispersione: Continua La Polarizzabilità è la facilità con cui la distribuzione elettronica in un atomo o molecola può essere distorta. La Polarizzabilità aumenta con: Maggior numero di elettroni Nuvola elettronica più diffusa Le forze di dispersione in genere aumentano con la massa molare. 8

9 Quali forze intermolecolari sono presenti fra ciascuna delle seguenti molecole? HBr HBr è una molecola polare: forze dipolo-dipolo. Ci sono anche forze di dispersione fra le molecole di HBr. CH 4 CH 4 è nonpolare: forze di dispersione S SO 2 SO 2 è una molecola polare: forze dipolo-dipolo. Ci sono anche forze di dispersione fra le molecole di SO 2. 9

10 Legame Idrogeno Forze Intermolecolari Il legame idrogeno è un interazione dipolo-dipolo speciale presente quando l idrogeno è legato ad un atomo elettronegativo, come O, N, or F. A H B o A H A A & B sono N, O, or F 10

11 Legame Idrogeno HCOOH ed acqua 11

12 Perchè il legame idrogeno è considerato un interazione dipolo-dipolo speciale? Decreasing molar mass Decreasing boiling point 12

13 Gas Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 13

14 Elementi che sono presenti come gas a 25 0 C e 1 atm. 14

15 15

16 Caratteristiche Fisiche dei Gas I Gas assumono il volume e la forma del recipiente che li contiene. I Gas sono lo stato della materia più comprimibile. I Gas sono sempre miscibili. I Gas hanno densità molto più basse di quelle dei liquidi e dei solidi. NO 2 gas 16

17 Pressione = Forza Area (forza = massa x accelerazione) Unità di Pressione 1 pascal (Pa) = 1 N/m 2 1 atm = 760 mmhg = 760 torr 1 atm = 101,325 Pa 17

18 I Gas Forze intermolecolari molto deboli: Van der Waals e London. I Gas occupano tutto il volume a loro disposizione. Pressione: la pressione del è dovuta alla collisione delle particelle sulla superficie del recipiente. La Pressione aumenta con T, perchè aumenta la E kin delle particelle, o diminuendo il volume del reipiente (o aggiungendo gas nel recipiente). Quattro parametri sono necessari per caratterizzare un gas: massa, volume, pressione e temperatura.

19 Gas Ideali Per carattrizzare un gas abbiamo bisogno di una funzione, che dipende da quattro parametri f(m, V, T, P) Modello: Il gas ideale La Funzione che descrive lo stato di un gas ideale viene chiamata: equazioe del gas ideale.

20 Gas Ideale 1. Un gas è composto da particelle (atomi o molecole) che sono separate fra loro da distanze molto maggiori delle loro stesse dimensioni. Le molecole possono essere considerate come punti; cioè posseggono massa, ma il loro volume è trascurabile. 2. Le particelle di Gas sono in costante movimento caotico, urtandosi frequentemente fra loro. Le loro collisioni sono perfettamente elastiche. 3. Le particelle del Gas non hanno nessuna attrazione, nè attrattiva, nè repulsiva. 4. L energia cinetica media delle particelle è proporzionale alla temperatura del gas in Kelvin. Due gas alla stessa T avranno la stessa energia cinetica media KE = ½ mu 2 20

21 Gas Ideale La definizione di gas ideale rimuove le differenze chimiche fra i gas, permettendo la definizione di leggi generali. Definizione di leggi sperimentali: derivate da osservazioni sperimentali Boyle, Charles e Volta Gay-Lussac 21

22 Gas Ideale I gas reali si comportano come I gas ideali a bassa pressione (bassa concentrazione) ed alta temperatura (alta E kin ) Legge di Boyle Temperatura costante PV=cost P o V o = P 1 V 1

23 Legge di Boyle P 1/V P x V = costante P 1 x V 1 = P 2 x V 2 Temperatura costante Costante quantità di gas 23

24 A sample of chlorine gas occupies a volume of 946 ml at a pressure of 726 mmhg. What is the pressure of the gas (in mmhg) if the volume is reduced at constant temperature to 154 ml? P x V = constant P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P 1 = 726 mmhg P 2 =? V 1 = 946 ml V 2 = 154 ml P 2 = P 1 x V 1 V mmhg x 946 ml = = 4460 mmhg 154 ml 24

25 Gas Ideale Legge di Charles Pressione costante V/T = cost V o /T o = V 1 /T 1 Aumenta T, aumenta V: V t =V 0 (1+αT) con α=1/273,15

26 Gas Ideale: Legge di Charles V t =V 0 (1+αT)

27 Gas Ideale: Legge di Charles Repeating the experiment with different gases or different starting V, we can observe different linear curves, but the intercept with X axis is always at -273,15 C, corresponding to V = 0: this is the minimum value of T. T(K)= T( C) + 273,15

28 A sample of carbon monoxide gas occupies 3.20 L at 125 C. At what temperature will the gas occupy a volume of 1.54 L if the pressure remains constant? V 1 /T 1 = V 2 /T 2 V 1 = 3.20 L T 1 = K V 2 = 1.54 L T 2 =? T 1 = 125 ( C) (K) = K T 2 = V 2 x T 1 V L x K = = 192 K 3.20 L 28

29 Gas Ideale: Legge di Avogadro E una conseguenza delle legge di Charles, sebbene sia stata definita in maniera indiendente. Il volume di un gas è sempre lo stesso con un ugual numero di moli (nelle stesse condizioni di T e P) In particolare a 0 C e 1 atm (condizioni normali), il volume occupato da un mole di un gas è V 0 = 22,414 litri. V t /T=V 0 /T 0

30 V number of moles (n) V = constant x n Legge di Avogadro Constant temperature Constant pressure V 1 / n 1 = V 2 / n 2 30

31 Gas Ideale Legge di Volta Gay-Lussac Volume costante P/T = cost P o /T o = P 1 /T 1 Aumenta T, aumenta P: P t =P 0 (1+βT) con β=1/273,15 P t /T=P 0 /T 0

32 Ammonia burns in oxygen to form nitric oxide (NO) and water vapor. How many volumes of NO are obtained from one volume of ammonia at the same temperature and pressure? 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O 1 mole NH 3 1 mole NO At constant T and P 1 volume NH 3 1 volume NO 32

33 Boyle s Law Riassunto delle leggi parziali dei Gas 33

34 Charles Law 34

35 Avogadro s Law 35

36 Equazione dei Gas Ideali Legge di Boyle: P 1 (at constant n and T) V Legge di Charles: V T (at constant n and P) Legge di Avogadro: V n (a P e T costanti) V nt P V = costante x nt P = R nt P PoVo = P 1 V 1 To T 1 PV = nrt R è la costante dei gas 36

37 Le condizioni 0 C e 1 atm sono dette condizioni normali. Esperimenti mostrano che a CN, 1 mole di un gas ideale occupa L. PV = nrt R = PV nt = (1 atm)(22.414l) (1 mol)( K) R = L atm / (mol K) 37

38 What is the volume (in liters) occupied by 49.8 g of HCl at NTP? T = 0 C = K PV = nrt V = nrt P P = 1 atm 1 mol HCl n = 49.8 g x g HCl = 1.37 mol V = L atm 1.37 mol x x K mol K 1 atm V = 30.7 L 38

39 Densità (d) d = m V = PM RT m è la massa del gas in g M è il PM del gas Peso molecolare (M ) di una sostanza gassosa M = drt P d è la densità del gas in g/l densità relativa d A /d B = M A / M B 39

40 A 2.10-L vessel contains 4.65 g of a gas at 1.00 atm and 27.0 C. What is the molar mass of the gas? M = drt P d = m V 4.65 g = = 2.21 g 2.10 L L M = 2.21 g L x atm L atm mol K x K M = 54.5 g/mol 40

41 Stechiometria dei Gas What is the volume of CO 2 produced at 37 0 C and 1.00 atm when 5.60 g of glucose are used up in the reaction: C 6 H 12 O 6 (s) + 6O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6H 2 O(l) g C 6 H 12 O 6 mol C 6 H 12 O 6 mol CO 2 V CO g C 6 H 12 O 6 x 1 mol C 6 H 12 O g C 6 H 12 O 6 6 mol CO x 2 = mol CO 1 mol C 6 H 12 O 2 6 V = nrt P L atm mol x x K mol K = = 4.76 L 1.00 atm 41

42 Miscele di Gas Per I gas ideali non c è differenza nell applicazione delle leggi dei gas per gas puri o loro miscele, perchè non ci sono differenze chimiche. Ciascun componente della miscele ha a disposizione il volume del recipinete e contribuisce alla pressione totale tramite la sua pressione parziale. La pressione parziale di un gas in una miscela è la pressione che quel gas eserciterebbe da solo nel recipiente: Dalton Law P = P 1 + P 2 + P 3 + P n = P i

43 Gas mixture Per l i-componente: P i V = n i RT (1) Per la miscela: P i V = n i RT (2) con n i = n 1 + n 2 + n 3 + n n = n Dividendo (1) e (2) P i V/ PV = n i RT/ nrt P i / P = n i / n = χ i = frazione molare P i = χ i P

44 Legge di Dalton V e T sono constant P 1 P 2 P total = P 1 + P 2 44

45 Considerando il caso di due gas, A e B, in un recipiente di volume V. P A = n A RT V P B = n B RT V n A numero di moli di A n B numero di moli di B P T = P A + P B X A = n A n A + n B X B = n B n A + n B P A = X A P T P B = X B P T P i = X i P T Frazione molare (X i ) = n i n T 45

46 A sample of natural gas contains 8.24 moles of CH 4, moles of C 2 H 6, and moles of C 3 H 8. If the total pressure of the gases is 1.37 atm, what is the partial pressure of propane (C 3 H 8 )? P i = X i P T X propane = P T = 1.37 atm = P propane = x 1.37 atm = atm 46

47 La distribuzione delle velocità di tre gas alla stessa temperatura La distribuzione delle velocità per le molecule di azoto a tre temperature differenti u rms = 3RT M 47

48 La diffusione dei Gas è il mescolamento graduale delle molecule di un gas con le molecule di un altro grazie alle loro proprietà cinetiche. r 1 r 2 = M 2 M 1 molecular path NH 4 Cl NH 3 17 g/mol HCl 36 g/mol 48

49 La libera diffusione di un Gas è il processo per cui un gas sotto pressione sfugge da un compartimento di un contenitore nell altro attraverso un piccolo foro. r 1 r 2 = t 2 t 1 = M 2 M 1 Nickel forms a gaseous compound of the formula Ni(CO) x What is the value of x given that under the same conditions methane (CH 4 ) effuses 3.3 times faster than the compound? r 1 = 3.3 x r 2 M 1 = 16 g/mol M 2 = r 1 ( ) 2 x M 1 = (3.3) 2 x 16 = r x 28 = x = 4.1 ~ 4 49

50 Deviazioni dal comportamento Ideale 1 mole di un gas ideale PV = nrt n = PV RT = 1.0 Repulsive Forces Attractive Forces 50

51 Effetto delle forze intermolecolari sulla pressione di un gas. 51

52 Equazione di Van der Waals gas nonideali ( P + an 2 )(V nb) = nrt V 2 } corrected pressure } corrected volume 52