Capitolo 2 Le trasformazioni fisiche della materia

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1 Capitolo 2 Le trasformazioni fisiche della materia 1.Gli stati fisici della materia 2.I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei 3.Le sostanze pure e i miscugli 4.I passaggi di stato 5. la teoria particellare della materia

2 1. Gli stati fisici della materia Materia è tutto ciò che ci circonda, possiede una massa e un volume; in quanto dotata di massa esercita inerzia Da: la fisica dei gatti 1 Pi Principio i i d'inerzia Un gatto a riposo tende a rimanere a riposo, nonostante l'azione di una forza, come l'apertura di una scatoletta di cibo per gatti. Un sistema è una porzione delimitata di materia

3 1. Gli stati fisici della materia La materia può esistere in tre stati fisici, detti stati di aggregazione della materia stato solido; stato liquido; stato aeriforme.

4 1. Gli stati fisici della materia Le proprietà p caratteristiche dei tre stati di aggregazione g della materia (filmato da Cd proprietà fisiche dei materiali, cap. 2) Solido Liquido Aeriforme Volume proprio proprio occupano tutto il volume disponibile Forma propria assume forma assume la forma del del recipiente recipiente Densità alta media bassa Effetto della incomprimibili incomprimibili incomprimibili pressione

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6 2. I sistemi i omogenei e i sistemi i eterogenei Si dice fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata che ha proprietà intensive uniformi. Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo. Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo.

7 2. I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei

8 3. Le sostanze pure e i miscugli La materia può essere suddivisa in sostanze pure e miscugli. Un sistema è puro solo se è formato da una singola sostanza. Le sostanze pure hanno caratteristiche e composizione costanti.

9 3. Le sostanze pure e i miscugli Un sistema formato da due o più sostanze è un miscuglio. Anche i miscugli possono essere omogenei o eterogenei.

10 3. Le sostanze pure e i miscugli Un miscuglio omogeneo di due o più sostanze è chiamato soluzione. Il materiale più abbondante del miscuglio è il solvente, mentre i materiali meno abbondanti si chiamano soluti. Sistema omogeneo Sistema eterogeneo Definizione Sostanza Miscuglio è costituito da una sola fase è costituito da due o più fasi acqua pura,oro puro, cloruro di sodio puro acqua pura e ghiaccio acqua di rubinetto, sale marino, acciaio, leghe metalliche acqua e sabbia, legno, granito, latte, marmo, fumo, sabbia

11 3. Le sostanze pure e i miscugli Un miscuglio eterogeneo è costituito da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili.

12 3. Le sostanze pure e i miscugli I miscugli eterogenei possono presentare aspetti anche molto diversi al variare dello stato di aggregazione delle fasi che li costituiscono.

13 3. Le sostanze pure e i miscugli La schiuma è un tipico esempio di miscuglio costituito dalla dispersione di gas in un liquido. La nebbia è un miscuglio tra acqua-aria. Il fumo è un miscuglio eterogeneo di un solido in un gas.

14 4. I passaggi di stato I passaggi di stato implicano la trasformazione della materia da uno stato fisico all altro per variazioni di temperatura e pressione.

15 4. I passaggi di stato A parità di massa, nel passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme, il volume aumenta e la densità diminuisce. Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito, aumenta. Il ghiaccio i è un eccezione perché è meno denso dell acqua. Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.

16 4. I passaggi di stato

17 4. I passaggi di stato La temperatura t alla quale coesistono acqua e ghiaccio i è denominata temperatura di fusione. È una proprietà intensiva dell acqua distillata e delle sostanze pure. Terminata la fusione si ha la sosta termica. Se il vapore esercita una pressione uguale alla presisone atmosferica si ha la tensione di vapore.

18 4. I passaggi di stato Ogni sostanza pura ha una curva di raffreddamento attraverso la quale si distinguono temperatura di condensazione: a parità di pressione uguale a quella di ebollizione; temperatura di solidificazione: a parità di pressione uguale a quella di fusione.

19 4. I passaggi di stato

20 4. I passaggi di stato Se i due passaggi di stato t (condensazione ed ebollizione) i avvengono alle stesse condizioni di pressione, la temperatura di condensazione è uguale alla temperatura di ebollizione. Se i due passaggi di stato (solidificazione e fusione) avvengono alle stesse condizioni di pressione, la temperatura di solidificazione è uguale alla temperatura di fusione.

21 Fusione e solidificazione dell acido stearico Nell indagine di laboratorio abbiamo indagato il comportamento dell acido stearico sottoposto a riscaldamento e successivamente a raffreddamento: L acido Lacido stearico è una sostanza pura o un miscuglio? Fonde ad una temperatura precisa o in un intervallo di temperatura? Da quando l acido ha iniziato a fondere a quando è risultato tutto fuso, la temperatura si è modificata? La temperatura di fusione e quella di solidificazione coincidono? Durante la fase di solidificazione dell acido, la temperatura è cambiata? Nell intervallo tempo temperatura in cui l acido fonde, cosa fa l acqua? Nell intervallo tempo temperatura in cui l acido solidifica, cosa fa l acqua? La temperatura di ebollizione dell acqua coincide con quella fusione dell acido? La temperatura di solidificazione dell acqua coincide con quella dell acido?

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23 Considerazioni conclusive: L acido stearico è una sostanza pura Fonde ad una temperatura precisa: 68,8 C Durante la fusione la temperatura t è rimasta costante: t sosta termica La t s = t f Durante la solidificazione la temperatura è rimasta costante: sosta termica Durante la fase di fusione dell acido la temp. dell acqua ha continuato a crescere Durante la solidificazione dell acido la temp. dell acqua ha continuato a decrescere Durante il riscaldamento dell acido, l acqua non ha raggiunto la sua temperatura di ebollizione (100 C a 1 atm) Durante il raffreddamento dell acido, l acqua non ha raggiunto la sua temperatura di solidificazione (0 CC a1atm) atm)

24 La teoria cinetico-molecolare della materia (natura particellare della materia) La teoria cinetica spiega il comportamento della materia quando viene sottoposta a scambi di energia. Il calore è una forma di energia (energia termica), la temperatura è la misura di questa energia Il contenuto di energia cinetica è diverso a seconda dello stato di aggregazione della materia.

25 Nei solidi le particelle non si muovono ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise. Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di movimento.

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27 Le particelle dei gas hanno massima libertà di movimento con un moto totalmente disordinato. La teoria cinetica spiega la relazione fra la temperatura e l energia cinetica media: la temperatura di un corpo è direttamente t proporzionale all energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono.

28 All aumentare della temperatura cresce l energia interna di un sistema, ovvero aumentano anche l agitazione e la distanza media delle particelle. Le particelle si liberano dalle forze attrattive elettrostatiche passando da uno stato ordinato a uno via via più disordinato.

29 Il calore latente t di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione.

30 Il calore latente t di vaporizzazione i è la quantità di energia necessaria per fare evaporare completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione.

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32 Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire (o a sottrarre) calore. Il calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono proprietà intensive della materia e vengono utilizzati per identificare le sostanze pure.

33 Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi sostanza pura è molto maggiore del calore latente di fusione. Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido che indebolire le forze di coesione di un solido.

34 Natura particellare della materia: ipotesi o realtà? È possibile dimostrare l esistenza delle particelle componenti la materia? In laboratorio sono state proposte alcune esperienze che, pur non rappresentando una verifica diretta, tuttavia costituiscono un indizio dell esistenza es ste delle e particelle e

35 Addittività/non addittività dei volumi! Dati sperimentali: La massa complessiva non cambia Il volume complessivo finale è minore di quello iniziale È facile giustificare il risultato: l acqua ha occupato gli interstizi vuoti È facile giustificare il risultato: l acqua ha occupato gli interstizi vuoti esistenti tra i pallini di piombo!

36 Prove con due cilindri di acqua ( a sinistra nell immagine) e con un cilindro di acqua e uno di alcool l ( a destra nell immagine) i Dati sperimentali: Conservazione della massa Addittività dei volumi per l acqua Non addittività dei volumi per acqua e alcool

37 Come giustificare il volume finale mancante? È possibile ipotizzare, vista la diversa grandezza delle due molecole, l esistenza di spazi vuoti entro i quali si sono insinuate le molecole di acqua portando alla diminuzione del volume finale!

38 Se le particelle esistono, quali dimensioni hanno? Abbiamo preso un sottile foglio di alluminio, il cui spessore è per il nostro occhio molto ridotto. Abbiamo ritagliato un pezzo di forma regolare e ne abbiamo misurato con il righello, lunghezza e larghezza. Con la bilancia analitica abbiamo misurato la massa, sapendo che la densità dell alluminio è d = 2,702 g/cm 3 Con i dati in nostro possesso abbiamo calcolato l area del rettangolo e ricavato il volume. Conoscendo l area larea e il volume del mio rettangolo, abbiamo ricavato lo spessore trovando un valore dell ordine di grandezza di 10-5 m. se noi ipotizzassimo che lo spessore del foglio di alluminio fosse costituito da un solo strato di particelle, il valore trovato corrisponderebbe alle dimensioni reali degli atomi di alluminio, ma

39 L occhio umano alla distanza di 25 cm ed in condizioni ottimali è capace di percepire come distinti due punti non più vicini di 0,25 mm. Questo limite definisce il potere di risoluzione dell occhio umano. Il potere di risoluzione viene definito come la più piccola distanza (d) tra due punti che permette di vedere i due punti come distinti. Per aumentare questo potere di risoluzione bisogna ricorrere al microscopio ottico o elettronico. La microscopia ottica e la microscopia elettronica si contraddistinguono per la natura del mezzo con cui si analizza l oggetto, rappresentato rispettivamente dalla luce e dagli elettroni. Potere di risoluzione del nostro occhio 0,2 mm Potere di risoluzione del microscopio ottico 0,2 mm Potere di risoluzione del microscopio elettronico 0,2nm