Chimica generale. Corsi di laurea in - Tecnologie alimentari per la ristorazione - Viticoltura ed enologia - Tecnologia agroalimentare PARTE 3

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1 Chimica generale Corsi di laurea in - Tecnologie alimentari per la ristorazione - Viticoltura ed enologia - Tecnologia agroalimentare PARTE 3 1

2 GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA 2

3 I composti chimici MATERIA SOSTANZE MISCELE ELEMENTI COMPOSTI OMOGENEE ETEROGENEE 3

4 elementi composti Na NaCl Cu CuSO 4 4

5 MISCELE OMOGENEE ETEROGENEE 5

6 1- Gli stati di aggregazione della materia Stato solido : composti hanno forma propria e volume proprio Stato liquido: composti hanno volume proprio ma non hanno forma propria Stato gassoso: composti non hanno forma propria ne volume proprio Stato solido : forze di coesione (intermolecolari) elevate Stato liquido: forze di coesione (intermolecolari) deboli Stato gassoso: forze di coesione (intermolecolari) molto deboli I solidi sono incomprimibili I liquidi sono incomprimibili I gas sono comprimibili 6

7 Gas: forze intermolecolari trascurabili. Tutti i gas hanno proprietà fisiche simili Liquidi e solidi: forze intermolecolari sono attive e da loro dipendono le proprietà dei composti. 7

8 Temperatura Pressione Equilibri di fase Liquido gas vaporizzazione, evaporazione Condensazione, liquefazione Solido liquido solidificazione fusione Solido gas solidificazione, brinamento sublimazione 8

9 2- Il diagramma di stato E un grafico pressione temperatura che indica lo stato di un determinato composto in determinate condizioni di temperatura e di pressione 9

10 3- I solidi Le proprietà fisiche dei solidi (durezza, conducibilità elettrica, temperatura di fusione, solubilità in acqua) dipendono dalla loro struttura. La struttura determina la natura e l intensità delle forze fra particelle. 3-1 I solidi ionici Sono costituiti di ioni positivi e negativi legati da legami ionici forti NaCl, KBr, MgO Caratteristiche: -durezza - alta temperatura di fusione - conduttori solo in soluzione o allo stato fuso - solubili in acqua 10

11 3-2 I solidi molecolari Sono molecole o atomi tenute insieme da legami intermolecolari deboli (legame idrogeno, dipolo-dipolo, forze di London). H 2 O, I 2, - teneri - bassa temperatura di fusione - conduttori se polari - solubili in acqua se polari 11

12 3-3 Solidi a reticolo covalente Sono molecole o atomi legati da legami covalenti forti C diamante, SiO2 Molto duri, Alta temperatura di fusione Non conduttori insolubili 12

13 3-4 Solidi metallici Sono costituiti da cationi e elettroni delocalizzati. I legame è chiamato legame metallico. Na, Mg, Al, Fe, Hg, Cu. -da teneri a molto duri -punto di fusione variabile (Hg = -40 C) -ottimi conduttori anche allo stato solido -insolubili 13

14 4-Lo stato liquido In un liquido, le molecole sono in movimento ma interagiscono tramite forze intermolecolari. Dalla natura delle forze intermolecolare dipendono le proprietà delle sostanze. Acqua in un contenitore aperto Acqua in un contenitore chiuso 14

15 a) Acqua in un contenitore aperto col tempo, evapora completamente b) Acqua in un contenitore chiuso il livello del liquido diminuisce, poi rimane costante. Spiegazione: Contenitore aperto: Man mano che le particelle passano dallo stato liquido allo stato gassoso, si allontanano e quindi una nuova frazione di particelle evapora. Contenitore chiuso: Le particelle di gas aumentano nello spazio chiuso, aumenta la pressione, aumentano le forze intermolecolari e una parte del gas torna allo stato liquido. 15

16 4-1 Tensione di vapore All interno di un liquido, una frazione di particelle può avere energia sufficiente a rompere le forze intermolecolari e evaporare. 16

17 Si raggiunge un equilibrio dinamico: Liquido gas Velocità condensazione = velocità di evaporazione La tensione di vapore è la pressione esercitata da un gas in equilibrio con il suo liquido. Dipende da : -la natura della molecola -la temperatura 17

18 4-1-1Natura delle molecole Forte attrazione fra molecole Tensione di vapore bassa scarsa evaporazione Bassa attrazione fra molecole Tensione di vapore alta elevata evaporazione Esempio: tensione di vapore a 25 C Etere etilico 534 mm Hg Acetone 231 mm Hg Acqua 23 mm Hg Mercurio mm Hg 18

19 Effetto della temperatura L aumento della temperatura provoca un aumento dell energia cinetica: -aumenta la velocità delle molecole -aumenta il numero di molecole con l energia sufficiente per evaporare aumenta la tensione di vapore 19

20 Temperatura di ebollizione Alla temperatura alla quale tensione di vapore = pressione atmosferica ebollizione. L evaporazione ha luogo in tutta la massa di liquido. La temperatura di ebollizione dipende dalla pressione esterna. In altitudine, l acqua bolle a temperatura più bassa. Nella pentola a pressione, l acqua bolle a temperatura più alta (120 C a 2 atm). La temperatura di ebollizione standard si esprime a 1 atm (760 mm Hg) 20

21 4-2 Tensione superficiale Esempio dell ago che galleggia suggerisce che le molecole alla superficie di un liquido hanno comportamento diverso di quelle all interno: le molecole all interno sono circondate da un numero maggiore di altre molecole di quelle in superficie. La risultante delle forze d interazione è nulla. Per le molecole in superficie, esiste solo l'interazione con le molecole inferiori. La risultante è diversa da zero, ed è diretta verso l'interno del liquido. 21

22 Le molecole in superficie subiscono una forza verso il basso. Il maggior numero possibile di molecole tende a disporsi nella parte interna del liquido, mentre il minor numero possibile resta in superficie. L acqua tende a minimizzare l interfaccia aria-acqua. La tensione superficiale rappresenta la forza con cui le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte verso l interno L effetto delle forze di coesione e della tensione superficiale è mediato dalla forza di gravità e dalle forse di adesione 22

23 La forza di coesione fa si che lo strato superficiale si comporta come una sottile pellicola elastica. Se l'oggetto appoggiato e' abbastanza leggero e fatto in modo da non perforare questa pellicola, può galleggiare come se fosse appoggiato su una 23 superficie solida (o molto morbida, visto che l'acqua si deforma sotto il peso)

24 2- Lo stato gassoso 2-1 Proprietà dei gas: -Si espandono fino a riempire completamente e ad assumere la forma del recipiente che li contiene - diffondono l uno nell altro e sono in grado di mescolarsi in tutti i rapporti -Sono invisibile (a parte alcune eccezioni) - Alcuni sono infiammabili Il comportamento fisico di un gas è determinato da. Quantità, volume, temperatura e pressione 24

25 Quantità = peso o numero di moli Volume = volume del contenitore Temperatura Pressione La pressione è una forza per unità di area P = F A In unità SI, la forza è espressa in Newton (N) e l area in m 2, la pressione è espressa in N/m 2 o Pascal (Pa). 1N = 1Kg s -2 Altre unità: Bar, atm, mm Hg, m acqua 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = Pa = bar 25

26 3-2 Le leggi dei gas Legge di Boyle (1662): Pressione,Volume Per una data quantità di gas a temperatura costante, P 1 oppure PV = costante v 26

27 by Tom Benson 27

28 Legge di Charles (1787) o di Gay-Lussac (1802): Volume,Temperatura Per una una data quantità di gas a pressione costante V T oppure V = bt ( b = costante) T (K) = t ( C)

29 by Tom Benson 29

30 Legge di Avogadro (1808): Volume, Quantità Volumi uguali di gas differenti nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole. Numero uguali di molecole di gas differenti nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione occupano volumi uguali A una data temperatura e pressione, il volume di gas è direttamente proporzionale alla quantità di gas: V n (moli di gas) oppure V = cn 30

31 Condizioni standard di temperatura e di pressione (STP) T = 0 C = K P = 1 atm = 760 mm Hg = Pa A STP; 1 mole di gas occupa 22.4 L 31

32 A 273,15 K 32

33 L equazione dei gas ideali ( o gas perfetti) o equazione di stato dei gas include le 4 variabili dei gas P in atm V in l T in K R = costante dei gas ideali PV = nrt Calcolo di R R= PV nt A STP P = 1 atm, V = L, n = 1, T = R = 1 x = L atm mol -1 K -1 1 x La legge dei gas si applica non solo ai gas puri ma anche a miscele di gas. In tale caso, n = numero totale di moli della miscela gassosa. 33

34 La legge di Dalton delle pressioni parziali. In una miscela di gas 1- ogni gas si espande fino a riempire il contenitore 2- ogni gas esercita la stessa pressione, detta pressione parziale del gas, che esso eserciterebbe se fosse da solo nel contenitore. La legge di Dalton delle pressioni parziali stabilisce che la pressione totale di una miscela di gas risulta dalla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti della miscela. 34

35 In una miscela di gas A, B, C, P A V tot = n A RT P tot V tot = n tot RT P tot = P A + P B + P C. P A /P tot = n A /n tot 35

36 Il volume parziale di un componente di una miscela gassosa è il volume che il componente occuperebbe se fosse presente da solo alla pressione totale della miscela In una miscela di gas A, B, C, P tot V A = n A RT P tot V tot = n tot RT V A = n A V tot n tot n A /n tot = P A /P tot = V A /V tot n A /n tot = P A /P tot = V A /V tot Il termina n A /n tot è la frazione molare di A = la frazione di molecole di quel componente rispetto al numero totale di moli della miscela 36

37 3-5 I gas non ideali (reali) I gas non sono ideali (non obbediscono alle leggi dei gas ideali) a basse temperatura ed alte pressioni = gas reali o non ideali - a basse temperature le molecole di gas hanno energia cinetica minore (si muovono più lentamente) interagiscono - Ad alta pressione, le molecole di gas sono più comprese il volume occupato dalle molecole di gas non è più trascurabile rispetto al volume vuoto le molecole interagiscono - In condizioni normali, le deviazioni dal comportamento di gas ideale sono considerate trascurabili. Fattore di comprimibilità = PV/nRT = 1 per i gas ideali > 1 per i gas non-ideali 37

38 3-6 Esercizi sulle leggi dei gas RIASSUNTO PV = nrt a T e n costanti a P e n costanti a V e n costanti a P e T costanti PV = costante V = costante x T P = costante x T V = costante x n 38

39 Un gas occupa in condizioni normali (STP) l Volume occupato a -125 C a e 10.5 atm? Segue comportamento gas perfetto Condizioni (1) : P 1, V 1, T 1, n Condizioni (2): P 2, V 2, T 2, n P 1 V 1 = nrt 1 P 2 V 2 = nrt 2 P 1 V 1 = P 2 V 2 V 2 = P 1 V 1 T 2 T 1 T 2 P 2 T 1 P 1 = 1 atm T 1 = 273 K V 1 = l P 2 = 10.5 atm T 2 = -125 C = = 148 K V2 = 1 atm x l x 148 K 10.5 atm x 273 K 39

40 Un gas occupa 1.30 x 10 2 l a 85.6 C e 2.10 x 10 4 Pa Pressione necessaria perché occupi 178 l a 341 C Gas perfetto P 1 V 1 = nrt 1 P 2 V 2 = nrt 2 P 1 V 1 = P 2 V 2 T 1 T 2 P 2 = P 1 V 1 T 2 T 1 V 2 P 1 = 2.10 x 10 4 Pa 1 atm = x 10 5 Pa P 1 = 2.10 x 10 4 = atm x 10 5 V 1 = 1.30 x 10 2 l V 2 = 178 l T 1 = 85.6 C = K = K T 2 = 341 C = = 614 K P2 = atm x 1.30 x 10 2 l x 614K = atm K x 178 l 40

41 Numero di moli di un gas che occupa un volume di l a 34.5 C e 2 atm PV = nrt n = PV RT n = l atm mol -1 K -1 P = 2 atm V = l T = 34.5 C = = K n = 2 atm x l l atm mol - 1K -1 x 307.7K = 1.62 l 41