STATO DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA La materia che ci circonda è composta da aggregati di particelle (atomi o molecole) A seconda della distanza tra le particelle e della libertà di movimento che esse godono le une rispetto alle altre, la materia si presenta in tre diversi stati di aggregazione: lo stato SOLIDO, lo stato LIQUIDO e lo stato GASSOSO
La differenza energetica tra i vari stati della materia dipende essenzialmente dal bilancio tra l energia cinetica delle molecole e l energia con cui esse interagiscono STATO SOLIDO= energia dei legami è molto elevata rispetto all energia cinetica delle molecole = ALTO GRADO DI ORGANIZZAZIONE STATO GASSOSO = energia dei legami molto bassa rispetto all energia cinetica delle molecole = ALTO GRADO DI MOVIMENTO PER LE MOLECOLE E DISORGANIZZAZIONE STATO LIQUIDO= ha caratteristiche intermedie
In determinate condizioni di temperatura e pressione la materia può cambiare stato di aggregazione, assumendo diverse caratteristiche chimico-fisiche
STATO GASSOSO La peculiare caratteristica di questo stato è l estrema dinamicità. Infatti: - i gas si espandono (fenomeno della diffusione) con grande facilità: infatti i gas posseggono grande libertà di movimento, elevata energia cinetica delle particelle e legami intermolecolari inesistenti o quasi - i gas sono facilmente comprimibili: infatti tra le particelle di un gas esistono ampi spazi vuoti che si riducono man mano che il gas viene compresso - i gas a temperatura e pressione ambiente hanno tutti bassa densità
VARIABILI DI STATO Per descrivere lo stato di un gas, bisogna tuttavia definire tre grandezze fisiche che lo caratterizzano: volume pressione temperatura
VOLUME Il volume è definito come lo spazio che esso occupa; per un gas, è il volume del recipiente che lo contiene L unità di misura è il m 3 ma in chimica, molto spesso, si misura in litri (L) o cm 3
PRESSIONE E definita come la forza esercitata per unità di superficie e si misura mediante il barometro L unità di misura è il Pascal = 1 Newton m -2 1 atm = 0,10133 MPa 1 atm = 760 mm Hg
TEMPERATURA Viene definita temperatura la proprietà di un corpo di trasferire calore ad un altro corpo La temperatura può essere misurata in: - gradi centigradi o Celsius - gradi assoluti o Kelvin - gradi Fahrenheit
GAS IDEALE ( O GAS PERFETTO) Un gas ideale (detto anche gas perfetto) è un gas che ha i seguenti requisiti: 1) Le sue particelle hanno volume nullo: il volume delle particelle del gas è trascurabile rispetto al volume del gas (e quindi del recipiente che lo contiene) 2) Le forze attrattive tra le particelle sono nulle per cui ogni particella è indipendente dalle altre
GAS IDEALE ( O GAS PERFETTO) 3) Le collisioni tra le particelle del gas o tra le particelle del gas e le pareti del recipiente sono perfettamente elastiche cioè con dispersione di energia praticamente nulle 4) L'energia cinetica media delle particelle aumenta all'aumentare della temperatura assoluta del gas E' evidente che un gas perfetto nella realtà non esiste In opportune condizioni di rarefazione, il comportamento dei gas reali si avvicina però a quello dei gas ideali
Il comportamento di un gas è fortemente influenzato dalle variabili di stato ed esistono diverse relazioni matematiche che legano le variabili di stato Tali relazioni sono note come le 4 leggi dei gas perfetti o leggi dei gas ideali Nelle prime tre leggi viene mantenuta costante una delle tre variabili di stato e si osserva come sono in relazione le restanti due variabili La quarta legge dei gas invece mette in relazione contemporaneamente tutte e tre le variabili di stato in una unica equazione
LEGGE DI BOYLE «a temperatura costante, il prodotto PxV è costante» pressione: P 2P 4P volume: V V/2 V/4
LEGGE DI BOYLE
LEGGE DI BOYLE Sostanzialmente indica che il volume di un gas varia in modo inversamente proporzionale al cambiamento di pressione esercitata dal gas (quando numero di moli del gas e temperatura sono COSTANTI) Se un gas ideale (inizialmente con una pressione P i e un volume V i ) subisce una trasformazione a T costante fino ad uno stato finale con una pressione P f e volume V f si ha: P i V i = P f V f
LEGGE DI CHARLES (o LEGGE DELL'ISOBARA) «a pressione costante, il volume di una data quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta cioè V/T = k» Che esplicitata significa che mantenendo costante la pressione del gas, a ogni aumento di temperatura di 1 C corrisponde un incremento del volume pari a 1/273 del volume occupato alla temperatura di 0 C T 2 > T 1 T 1 T 2
LEGGE DI CHARLES (o LEGGE DELL'ISOBARA) Come per la legge di Boyle eguagliando condizioni iniziali e finali si ha: V i /T i =V f /T f
LEGGE DI GAY-LUSSAC (O LEGGE DELL'ISOCORA ) «a volume costante, la pressione di una data quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta» che esplicitata significa che mantenendo costante il volume del gas, a ogni incremento di temperatura di 1 C corrisponde un aumento della pressione pari a 1/273 della pressione esercitata alla temperatura di 0 C
LEGGE DI AVOGADRO «volumi uguali di gas ideali diversi contengono lo stesso numero di moli quando vengono misurati nelle stesse condizioni di pressione e temperatura» Matematicamente: V/n = k Come per le leggi precedenti si ha: V i /n i = V f /n f
VOLUME MOLARE DI UN GAS E il volume occupato da 1 mole di gas In condizioni standard di pressione e temperatura [STP: temperatura di 273 K (equivalente a 0 C) e pressione di 1 atm] il volume molare di qualsiasi gas è pari a 22,4 L Quindi in condizioni standard, 1 mole di O 2, N 2, H 2 ecc occupano lo stesso volume
DENSITA DEI GAS In condizioni standard (STP) si può anche determinare la densità di un gas Densità (d) = m/v Ad esempio 1 mol di elio pesa in STP 4,00 g d He = 4,00 g/22,4 L = 0,178 g/l in STP
LEGGE UNIVERSALE DEI GAS IDEALI Deriva dalla combinazione delle tre leggi precedenti e del principio di Avogadro P in atm; V in L; n in numero di moli; T in Kelvin
Esempio: calcolare il numero di moli di He in un pallone da 1 L a 27 C e 1 atm di pressione P = 1 atm V = 1 L n =? R = 0,0821 L atm K -1 T = 27 C + 273 = 300 K PV = nrt 1atm x 1 L = n x 0,0821 L atm K -1 x 300 K n = 0,0406 mol
Esempio: una bombola di ossigeno contiene 1,0x10 2 kg di ossigeno liquido; quanti litri di ossigeno si possono produrre a 1 atm di pressione e temperatura ambiente (20 C)? P = 1 atm V =? n = 1,0x10 2 kg O 2 = 1,0x10 5 g /32,0 g/mol = 3,13x 10 3 mol O 2 R = 0,0821 L atm K -1 T = 20 C + 273 = 293 K PV = nrt 1atm x V = 3,13x10 3 mol O 2 x 0,0821 L atm K -1 x 293 K V = 7,53x10 4 L
Esempio: una bombola da 20,0 L contiene 4,80 g di H 2 a 25 C. Quale è la pressione del gas? P =? V = 20,0 L n = 4,80 g H 2 /2,0 g/mol = 2,4 mol H 2 R = 0,0821 L atm K -1 T = 25 C + 273 = 298 K PV = nrt P x 20,0 L = 2,4 mol H 2 x 0,0821 L atm K -1 x 298 K P = 2,93 atm
LEGGE DELLE PRESSIONI PARZIALI DI DALTON «Una miscela di gas esercita una pressione che è la SOMMA delle pressioni che ciascun gas eserciterebbe se fosse presente da solo nelle stesse condizioni» P = p 1 + p 2 + p 3 + Ad esempio la pressione totale dell atmosfera è la somma delle pressioni parziali di N 2 ed O 2 P aria = p N2 + p O2
TENSIONE DI VAPORE DI UN LIQUIDO E MISCUGLI GASSOSI: GAS UMIDO I GAS UMIDI sono quelli raccolti su un liquido come miscuglio gassoso Ad una certa temperatura, un liquido è in equilibrio con il suo vapore, il quale, in un recipiente chiuso, esercita una pressione Il valore di questa pressione misura la tendenza di un liquido a diventare vapore ed è definita TENSIONE DI VAPORE
STATO SOLIDO Quando la materia è in questo stato di aggregazione ha una FORMA PROPRIA Allo stato solido, le particelle siano atomi, ioni o molecole, occupano posizioni fisse e la loro libertà di movimento è limitata ai moti vibrazionali (oscillazioni intorno alle posizioni di equilibrio, la cui frequenza dipende dalla temperatura) Le particelle hanno una disposizione ordinata, in reticoli cristallini regolari
Le forze di coesione che tengono insieme le particelle allo stato solido, possono essere di intensità molto diversa In molti casi si tratta di veri e propri legami (ionici o covalenti) in altri le particelle sono tenute insieme da legami a ponte di idrogeno o da forze di van der Waals PROPRIETA DEI SOLIDI - Incomprimibili - Fusione ad alte T per vincere le forze di attrazione (PUNTO DI FUSIONE) - Un solido può essere CRISTALLINO con struttura ripetitiva e regolare o AMORFO e non avere alcuna struttura organizzata
SOLIDO CRISTALLINO BEN ORGANIZZATO PUNTO DI FUSIONE BEN STABILITO
SOLIDO AMORFO NON BEN ORGANIZZATO PUNTO DI FUSIONE NON BEN STABILITO
Tipi di solidi La classificazione dei solidi cristallini si basa sul tipo di legame che tiene unite le particelle - solidi ionici - solidi covalenti - solidi molecolari - solidi metallici
SOLIDI IONICI I nodi del reticolo sono occupati da ioni positivi e ioni negativi. Le forze di attrazione sono di tipo elettrostatico Hanno generalmente un elevato punto di fusione Son duri (resistente, non cede alla pressione, non si lascia bucare, penetrare) Sono fragili (facile sfaldabilità) Bassa conducibilità elettrica come solido
SOLIDI MOLECOLARI Nei solidi molecolari i nodi reticolari sono occupati da molecole e le forse di attrazione sono di tipo intermolecolare (forze di London, dipolo-dipolo, legami a idrogeno) Non sono duri Basso punto di fusione Spesso volatili e cattivi conduttori
SOLIDI COVALENTI Nei solidi covalenti, gli atomi che abitano i nodi reticolari sono fra loro legati con legami covalenti Punto di fusione molto alto (fra 1200 e 2000 C) Estremamente duri (diamante) Insolubili nella maggior parte dei solventi
SOLIDI COVALENTI Il carbonio presenta due diverse strutture cristalline chiamate forme allotropiche Allotropia è la proprietà di esistere in diverse forme, presentata da alcuni elementi chimici Alcuni esempi classici di elementi che hanno forme allotropiche sono il fosforo (nelle forme "rosso", "bianco", "purpureo", ecc.), l'ossigeno (O 2 e l'ozono O 3 ) e il carbonio (nelle forme grafite, diamante, grafene, fullerene, nanotubo, e altri allotropi del carbonio)
C (diamante) C (grafite) DIAMANTE: ogni atomo è collegato ad altri 4 atomi secondo un reticolo a tetraedro GRAFITE: ciascun atomo è saldamente legato ad altri tre atomi formando lamine esagonali
SOLIDI METALLICI Nei solidi metallici, i nodi reticolari sono occupati da ioni positivi dell elemento metallico legati mediante legame metallico
LEGAME METALLICO Sono formati dalla sovrapposizione di orbitali atomici con conseguente regioni ad alta densità elettronica che circondano i nuclei metallici positivi Gli elettroni sono estremamente mobili e possono muoversi da un atomo all altro attraverso vie che sono in realtà orbitali atomici sovrapposti Per tutto ciò i solidi metallici hanno le seguenti caratteristiche: - Elevata conducibilità - Duttili e malleabile
STATO LIQUIDO Le molecole nello stato liquido si trovano l una vicina all altra Le forze di attrazione sono abbastanza grandi da mantenere le molecole vicine ma non come nei solidi e superiori tuttavia a quelle esistenti nei gas Principali proprietà: - Comprimibilità e viscosità - Tensione superficiale - Pressione di vapore di un liquido
COMPRIMIBILITA E VISCOSITA I liquidi sono praticamente incomprimibili ed infatti anche applicando grandi pressioni il volume non diminuisce La VISCOSITA di un liquido è la misura della sua resistenza allo scorrimento ed è funzione delle forze di attrazione tra le molecole e della geometria molecolare Le molecole con struttura complessa non scorrono facilmente l una sull altra e le molecole polari tendono ad avere una viscosità maggiore dei liquidi meno polari e/o meno complessi nella struttura La viscosità in genere DIMINUISCE all aumentare della temperatura
TENSIONE SUPERFICIALE Le molecole in un liquido tendono ad essere attratte in tutte le direzioni da forze intermolecolari La tensione superficiale è una misura delle forze di attrazione tra le molecole che si trovano nello strato superficiale del liquido Queste molecole infatti non sono completamente circondate da altre molecole di liquido perché la loro parte superiore è rivolta verso l atmosfera Sono quindi attratte da meno molecole rispetto a quelle che si trovano sotto Da ciò ne deriva che le forse di attrazione nette sulle molecole dello strato superficiale le spingono verso il basso, all interno del liquido
Questo è il motivo per cui le gocce di liquido hanno una forma sferica La tensione superficiale dipende dalle forze di attrazione fra le molecole ed in genere diminuisce all aumentare della temperatura o al diminuire della polarità delle molecole che compongono il liquido
PRESSIONE DI VAPORE DI UN LIQUIDO Se poniamo l acqua in un contenitore chiuso, dopo un certo tempo (a T ambiente) si ha presenza di acqua allo stato liquido e di vapore Perché? H 2 O (l) + ENERGIA H 2 O (g) La T è troppo bassa perché avvenga l ebollizione Sappiamo che le molecole del liquido sono in continuo movimento con un energia cinetica media direttamente proporzionale alla temperatura assoluta Sebbene l energia cinetica media sia troppo bassa per permettere alla media delle molecole di «sfuggire» al liquido e passare allo stato gassoso, esiste una popolazione di molecole con energia cinetica maggiore
Contemporaneamente una frazione delle molecole allo stato gassoso perde energia (magari per collisione contro le pareti del contenitore) e ritorna allo stato liquido H 2 O (g) H 2 O (l) + ENERGIA Il processo di conversione di un liquido in un gas a T troppo bassa perché avvenga l ebollizione, è definito EVAPORAZIONE Dopo un certo tempo, la velocità di evaporazione e condensazione diventano uguali e si instaura un equilibrio tra stato liquido e quello di vapore La PRESSIONE DI VAPORE DI UN LIQUIDO è definita come la pressione esercitata dal vapore all equilibrio H 2 O (g) H 2 O (l)
Il PUNTO DI EBOLLIZIONE di un liquido è definito come la temperatura a cui la pressione di vapore del liquido equivale alla pressione atmosferica La pressione atmosferica «normale» è 1 atm ed il PUNTO DI EBOLLIZIONE NORMALE è la temperatura a cui la pressione di vapore del liquido è uguale ad 1 atm
DIAGRAMMI DI STATO DI UN COMPONENTE Quindi per certi valori di T e P una sostanza può essere solida, liquida o gassosa DIAGRAMMA DI STATO: indica lo stato di aggregazione di una sostanza per ogni coppia di valori di T e P L'acqua presenta un particolare diagramma, diverso dalle altre sostanze, in cui si rilevano i passaggi tra i vari stati (solido, liquido, aeriforme) a seconda della temperatura e del calore somministrato
DIAGRAMMA DI STATO DELL ACQUA Se immaginiamo di porre l acqua in un recipiente sottoposto a pressione costante di 1 atm Il liquido presenta una temperatura iniziale inferiore a 0 C per cui si presenta allo stato solido (ghiaccio) e successivamente viene fornito calore al sistema in maniera graduale L'acqua ghiacciata rimarrà tale fino a quando il calore somministrato non avrà innalzato la temperatura fino a 0 C, a quel punto il cubetto di ghiaccio passerà dallo stadio solido a quello liquido Nonostante venga fornito calore al sistema la temperatura persiste a zero gradi fino ad un determinato momento perché il calore fornito ha lo scopo di rompere i legami intramolecolari che conferiscono all'acqua il carattere di liquido Il calore fornito prende il nome di calore latente di fusione
Una volta che i legami nel liquido sono stati spezzati, il calore fornito si risolve in una maggiore velocità delle molecole dell'acqua che conseguentemente innalza la temperatura Raggiunta la soglia critica di 100 C l'acqua, ad una pressione di 1 atm, va in ebollizione Come avviene per il calore latente di fusione esiste anche un calore latente di vaporizzazione l precedente diagramma non tiene conto della pressione poiché si impone la pressione pari ad 1atm. Per una diagramma ancora più completo si può realizzare un diagramma di stato dell'acqua che tiene conto della pressione
l diagramma di stato dell'acqua tiene conto del variare della pressione e della temperatura Il punto triplo è un punto localizzato a circa 4,5 mm Hg (3,06x10-3 atm) con 0,01 C (273 K) ed è l'intorno in cui l'acqua presenta conformazione di solido di liquido e di gas E' un punto difficilmente osservabile, se non in laboratorio, a causa della particolare pressione che equivale a porre il composto sotto vuoto Anche minimi sbalzi di temperatura potrebbero spostare il punto in altri luoghi del diagramma rendendo l'acqua solida, liquida o aeriforme
DIAGRAMMA DI STATO DEL BIOSSIDO DI CARBONIO Il biossido di carbonio in condizioni ambiente (15 C, 1 atm) è un gas incolore, più denso dell aria, e dall odore leggermente irritante Questo diagramma si differenzia essenzialmente da quello dell acqua dal momento che il punto triplo dell anidride carbonica coincide con la temperatura di 56.6 C e con la pressione di 5.2 atm, superiore cioè a quella standard di 1 atm
Ciò implica che se a partire da T molto basse riscaldiamo il biossido di carbonio solido alla P esterna costante di 1 atm, la sostanza sublima alla temperatura di 78.5 C senza passare attraverso lo stato liquido Infatti, nel diagramma di fase risulta chiaramente evidente che la retta di equilibrio solido-liquido esiste per valori di pressione esterna superiori a 5.2 atm Il fatto che il biossido di carbonio sia solido a P normale di 1 atm e si trovi in equilibrio con i propri vapori alla temperatura di 78.5 C, trova una pratica applicazione con l impiego di questa sostanza come refrigerante per la conservazione degli alimenti
Il noto ghiaccio secco così denominato perché alla pressione di 1 atm sviluppa vapori senza fondere, non è altro che biossido di carbonio allo stato solido Un ultima considerazione: mentre la pendenza della curva di transizione solido-liquido dell acqua è negativa, quella del biossido di carbonio carbonica è positiva Ciò è dovuto al fatto che mentre il volume del solido nell acqua (ghiaccio) è maggiore del liquido, nel caso del biossido di carbonio il volume del solido è minore di quello del liquido