Stati d aggregazione della materia

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1 Stati d aggregazione della materia SOLIDO: Forma e volume propri. GASSOSO: Forma e volume del recipiente in cui è contenuto. 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 N.B. 1 atm = 760mmHg=1,01Bar=101,32KPa (perché 1Bar= Pa) Temperatura: in K, oppure (non ufficialmente) in C

2 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 poichè 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.

3 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

4 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

5 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

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7 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.

8 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

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

10 Legge di Boyle e Respirazione Il diaframma si muove verso il basso i polmoni si espandono l aumento dl volume provoca una diminuzione della pressione all interno dei polmoni per cui l aria fluisce da una zona ad alta P ad una zona a bassa P e l aria ENTRA Viceversa quando il diaframma si alza si ha il contrario e l aria ESCE

11 Grafico della Legge di Boyle

12 Leggi di Charles-Gay Lussac A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura Vt=Vo(1+ t) = 1/273,16 A Volume costante P varia linearmente con la temperatura Pt=Po(1+ t) = 1/273,16 P O V P Jacques Charles Isolò il Boro Studiò i gas e i palloni areostatici

13 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

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

15 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) è la temperatura dove il volume (o la pressione)di un gas ideale è nullo, e cessa ogni movimento molecolare. Per cui T= t + 273,16 T (Kelvin) t ( C)

16 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 temperatra e pressione, contengono un egual numero di molecole. Il volume molare e lo stesso. Da cui 1 mole di qualsiasi gas in condizioni normali occupa 22,4l

17 Condizioni Ambientali Standard di Temperatura e Pressione (SATP) Temperatura: 25 C = K Pressione: 1 bar o 101,325 Pascal 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 101,3P) Il volume molare di un gas ideale e V m = L

18 Volumi Molari UNA mole di qualsiasi gas in condizioni normali occupa 22,4 litri e contiene N molecole di gas

19 pv = nrt Combinando le tre leggi si ottiene l EQUAZIONE GENERALE DEI GAS PV=nRT

20 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

21 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)

22 N.B. RICORDA!! I GAS DIFFONDONO SEMPRE DA UN AREA AD ALTA PRESSIONE AD UN AREA A BASSA PRESSIONE FLUSSO di O2 e CO2 nell organismo P02 aria inspirata = 158 mmhg PO2 alveoli polmonari = 104 mmhg PO2 sangue venoso = 40 mmhg Da venoso il sangue diventa arterioso PO2 sangue arterioso =95mmHg PO2 Tessuti = 40mmHg Flusso O2 L ossigeno diffonde nei tessuti e il sangue diventa venoso e ritorna ai polmoni

23 FLUSSO CO2 PCO2 nei tessuti = 50 mmhg PCO2 sangue arterioso =40 mmhg Il sangue arterioso si trasforma in venoso PCO2 sangue venoso =45 mmhg PCO2 Alveoli polmonari = 40 mmhg PCO2 Polmoni = 0,3 mmhg CO2 Uscita CO2

24 - 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

25 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.

26 STATO LIQUIDO Un liquido NON ha forma propria ma ha la forma del recipiente che lo contiene Ha però volume proprio e non è comprimibile I legami tra le molecole si possono rompere e riformare con facilità (nel gas non ci sono legami e le molecole sono indipendenti!) Il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore al di sotto della temperatura di ebollizione si chiama EVAPORAZIONE

27 Pressione di Vapore La pressione che il vapore esercita sul suo liquido in condizioni di equilibrio viene chiamata PRESSIONE di VAPORE 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

28 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

29 Pressione di Vapore e Volatilita Le sostanze volatili evaporano piu rapidamente Piu alta la temperatura, piu veloce l evaporazione (La pressione di vapore è dirett proporz alla T) La Volatilita di una sostanza e correlata alle forze intermolecolari( La pressione di vapore è inversam proporz. alla forza e N legami) Quindi piu deboli sono le forze intermolecolari, piu veloce l evaporazione. 0 o C 20 o C 30 o C Dietiletere Press. Vap (torr) Etanolo Acqua

30 Punto di Ebollizione Punto di Ebollizione Normale: pressione = 1 atm= Pascal 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)

31 Pressione di Vapore Evaporazione: le molecole sfuggono dalla superficie Ebollizione: il vapore si forma anche all interno del liquido