Lezione 21: Gli stati di aggregazione della materia

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1 Lezione 21 - pag.1 Lezione 21: Gli stati di aggregazione della ateria Lo stato solido L'ipotesi atoica pò spiegare anche alcne proprietà della ateria a noi olto failiari, coe per esepio il loro stato di aggregazione. Coe sappiao, infatti, le sostanze possono trovarsi allo stato solido, liqido o gassoso e le caratteristiche di qesti stati possono essere spiegate solo assendo coe vera l'ipotesi atoica. Vediao nel dettaglio i diversi casi. Ttti i corpi solidi hanno na loro fora e n loro vole. Inoltre hanno ttti n grado più o eno elevato di drezza. A volte la loro fora è irregolare e casale, coe sccede per i sassi, oppre ordinata coe nel caso dei cristalli. Qeste caratteristiche dipendono in ltia analisi da coe sono disposti gli atoi o le olecole che costitiscono il corpo. Il fatto che i solidi abbiano na loro fora è na consegenza delle intense forze attrattive che gli atoi esercitano tra di loro: qeste forze bloccano atoi e olecole in posizioni fisse dello spazio, e ipediscono i ovienti di ogni particella rispetto alle altre. Nel caso dei cristalli la disposizione delle particelle (atoi o olecole) è non solo fissa, a anche ordinata: le particelle costitenti forano nità di base, che si ripetono con regolarità in ttto il cristallo ( fig.21.1). Fig.21.1 Un cristallo di aetista (Didier Descoens, Wikiedia Coons) Lo stato liqido Qando na sostanza allo stato solido fonde, i legai tra le olecole si ropono, e le olecole riescono a scorrere le ne slle altre. La ateria asse allora n aspetto acroscopico che chiaiao stato liqido.

2 Lezione 21 - pag.2 I liqidi assono la fora del recipiente che li contiene, però hanno n loro vole proprio. Se travasate n liqido da n recipiente ad n altro di fora diversa, entre la sa fora si adatta al novo recipiente, il vole che esso occpa riane sepre lo stesso. Qesto dipende dal fatto che le olecole, pr libere di scorrere na sll'altra, sono costrette a restare vicine tra di loro. Di consegenza è olto difficile copriere n liqido, cioè diinire il so vole Lo stato gassoso Qando le olecole si separano copletaente l na dall altra, na sostanza passa dallo stato liqido allo stato gassoso. In qesto stato le olecole hanno n energia cinetica sfficiente per vincere le forze di attrazione tra di esse, e sono qindi libere di oversi in odo indipendente. Un gas occpa copletaente il contenitore dentro al qale si trova, perciò il vole del gas coincide con qello del contenitore. Poiché le se olecole hanno olto spazio a disposizione, n gas pò essere copresso con facilità. Gas diversi, proprio per il fatto di essere coposti da olecole libere, riescono facilente a escolarsi l no con l altro. Per esepio l aria che respiriao è na iscela di olti gas, a i coponenti principali sono: - azoto N 2 (circa il 78%); - ossigeno O 2 (circa il 21%); - anidride carbonica CO 2 (circa l 1%); - vapore d acqa H 2 O (qantità variabile a seconda delle condizioni) È solo qestione di teperatra Abbiao parlato di sostanze allo stato solido, liqido e gassoso. Non abbiao ancora detto che ogni sostanza pò trovarsi in ciascno dei tre stati: è solo qestione di teperatra! È na cosa che ben sapete nel caso in ci la sostanza è l acqa: a teperatre sotto lo zero è solida, a teperatre speriori a qella di ebollizione dell acqa (100 gradi) diventa n gas che si chiaa vapore d acqa. Qello che non ttti sanno è che la stessa cosa è vera per ogni sostanza. L ossigeno che respiriao con l aria è natralente n gas, a solo perché la teperatra dell atosfera non scende ai troppo sotto allo zero. L ossigeno, alla teperatra di 18 C sotto zero, diventa n liqido, e a 219 C sotto zero diventa addirittra n solido. Insoa: il passaggio da no stato all altro - è dovto ai cabiaenti di energia cinetica delle olecole; - è regolato dalle variazioni di teperatra.

3 Lezione 21 - pag. Sebra proprio che ci debba essere n legae tra la teperatra e l energia cinetica delle particelle (atoi o olecole) che costitiscono la sostanza. Lo stdio di qesto legae sarà tra gli argoenti principali del prossio odlo. Per il oento vi ostriao in figra ( fig.21.2) i noi dei diversi passaggi di stato che na sostanza pò sbire. Fig.21.2 I passaggi di stato La densità e la distanza tra olecole Nei paragrafi precedenti abbiao descritto a livello icroscopico le caratteristiche dei tre stati di aggregazione. Ma coe facciao a sapere che le cose stanno realente così, dato che atoi e olecole non sono visibili? Un prio indizio viene natralente dal coportaento s larga scala: i legai più o eno forti tra gli atoi spiegano perché n corpo è rigido, perché ha na fora ben precisa, oppre perché occpa ttto il vole che ha a disposizione. Altri indizi, di carattere più qantitativo, ci vengono dal considerare la densità delle diverse sostanze. Abbiao visto, nella lezione 11, che si chiaa densità di na sostanza il rapporto esistente, per n capione qalsiasi di tale sostanza, tra la assa del capione ed il so vole. La densità è tanto più grande qanto più è grande la assa concentrata in n dato vole. Se è vero che la ateria è fatta di atoi e olecole, na grande densità significa che le particelle di ci è fatta la sostanza sono fittaente ipacchettate, con piccole distanze tra l na e l altra. Abbiao detto, nella lezione precedente, che esperienti con raggi X indicano na distanza dell ordine di tra n atoo e l altro di n solido. Ora ricavereo lo stesso ordine di grandezza per na via copletaente diversa, tilizzando cioè le inforazioni che abbiao slla densità delle sostanze Qanto distano gli atoi di allinio? Consideriao coe esepio di solido l allinio, che ha na densità di 2700 kg/. Qesto significa che, per n qalnqe capione di allinio, il rapporto tra assa e

4 Lezione 21 - pag.4 vole ha sepre lo stesso valore: d 2,7 10 kg/. Se consideriao n capione di vole V 1 c 10-6, la sa assa è: d V 2,7 10 kg/ ,7 g La assa atoica dell allinio (rivedi la tabella 18.1) è atoica 27 : qesta inforazione ci perette di stabilire qanti atoi di allinio ci sono nel capione! Chiaiao N il loro nero: per calcolare il valore di N basta ricordarsi che n grao è 6, volte più grande di n..a.. N atoica 2,7 g 27 2,7 6, Se facciao l ipotesi che ogni atoo occpi n icroscopico cbetto, ciascno di qesti cbetti ha n vole che è facile calcolare: V 1 c 6 0,16 c c Per trovare lo spigolo di n cbo bisogna fare la radice cbica del vole: l V 16 c 2,5 c 2,5 Se facciao l ipotesi più realistica che gli atoi di allinio abbiano na fora approssiativaente sferica, qesto valore rappresenta il diaetro di n atoo se gli atoi sono ipacchettati coe ostrato in figra ( fig.21.). Fig.21. Un possibile odo di ipacchettare atoi di allinio Qanto distano le olecole d acqa? Proviao a fare lo stesso calcolo nel caso di n liqido: l acqa. Allo stato liqido l acqa ha na densità di d 1,0 10 kg/. Se consideriao n capione di vole V 1 c 10-6, la sa assa è: d V 1,0 10 kg/ ,0 g La assa olecolare dell acqa (rivedi la tabella 18.1) è ol 18 : qesta inforazione ci perette di stabilire qante olecole di acqa ci sono nel capione! Chiaiao N il loro nero:

5 Lezione 21 - pag.5 1,0 g 1,0 6,02 N, ol Se, coe pria, facciao l ipotesi che ogni olecola occpi n icroscopico cbetto, ciascno di essi ha n vole: 2 E qindi il lato è: 1 c V 0, c 0, 24 c l V 0 c,1 c,1 Coe vedete non c è poi na grande differenza tra atoi di allinio allo stato solido e olecole d acqa allo stato liqido: le distanze tra na particella e l altra sono dello stesso ordine di grandezza: la potenza di dieci è la stessa, il nero che la oltiplica è poco diverso. Se ripetiao il ragionaento per l acqa solida ci accorgiao che le cose non cabiano di olto. La densità dell acqa allo stato solido è n po più piccola di qella allo stato liqido (infatti il ghiaccio galleggia): la differenza di densità è però piccola, dell ordine del 10%. Se ripetiao qindi lo stesso calcolo per il ghiaccio, scopriao che la distanza tra le olecole è solo leggerente più grande di qella che abbiao calcolato. È qesto il otivo che ci ha peresso di afferare che nel passaggio allo stato liqido le olecole acqistano obilità l na rispetto alle altre, senza però aentare in odo significativo la reciproca distanza. Anzi, nel caso dell acqa la distanza diinisce! Densità dell aria e olecole d azoto Se vogliao applicare lo stesso ragionaento ad n gas dobbiao pria specificarne le condizioni, perché sappiao che n gas si pò copriere facilente, il che significa che le distanze tra le olecole possono variare di olto. Parliao dnqe di n gas che si trova nelle stesse condizioni di pressione e di teperatra dell aria che noralente respiriao. Coe esepio di gas consideriao l'aria. Essendo però l aria na iscela, iaginiao che sia fatta ttta di azoto N 2, che coe abbiao visto è il coponente predoinante. Siccoe la densità dell aria, nelle condizioni che abbiao detto, è circa d 1 kg/, facciao l ipotesi ragionevole che qesta sia più o eno la densità dell azoto nelle stesse condizioni. Se consideriao il solito capione di vole V 1 c 10-6, la sa assa è d V 1 kg/ g

6 Lezione 21 - pag.6 La assa olecolare dell azoto è ol 14. Il capione contiene qindi N olecole: N ol 10 - g , , 19 Coe nei casi precedenti, ipotizziao che ogni olecola occpi n icroscopico cbetto, il ci vole sarà: V 1 c 4, 19 0,2 19 c 2 21 c Qindi troviao per il lato: l V 2 c 2,8 c 2, 8 Insoa: le olecole del gas sono separate, in edia, da na distanza che è 10 volte speriore a qella che le separa in n liqido o in n solido.