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Chimica generale

Corsi di laurea in

- Tecnologie alimentari per la ristorazione

- Viticoltura ed enologia- Tecnologia agroalimentare

PARTE 3

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GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA

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I composti chimici

MATERIA

SOSTANZE MISCELE

ELEMENTI COMPOSTI OMOGENEE ETEROGENEE

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elementi

Na

Cu

composti

NaCl

CuSO4

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MISCELE

OMOGENEE ETEROGENEE

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Stato solido : composti hanno forma propria e volume proprioStato liquido: composti hanno volume proprio ma non hanno forma propriaStato gassoso: composti non hanno forma propria ne volume proprio

Stato solido : forze di coesione (intermolecolari) elevateStato liquido: forze di coesione (intermolecolari) deboliStato gassoso: forze di coesione (intermolecolari) molto deboli

I solidi sono incomprimibili I liquidi sono incomprimibili I gas sono comprimibili

1- Gli stati di aggregazione della materia

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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.

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Equilibri di fase

Liquido – gas

vaporizzazione, evaporazione ↔ Condensazione, liquefazione

Solido – liquido

solidificazione ↔ fusione

Solido – gas

solidificazione, brinamento ↔ sublimazione

Temperatura Pressione

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

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3- I solidiLe 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 ioniciSono costituiti di ioni positivi e negativi legati da legami ionici fortiNaCl, KBr, MgO

Caratteristiche:-durezza- alta temperatura di fusione - conduttori solo in soluzione o allo stato fuso - solubili in acqua

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3-2 I solidi molecolariSono molecole o atomi tenute insieme da legami intermolecolari deboli (legame idrogeno, dipolo-dipolo, forze di London).

H2O, I2,

- teneri- bassa temperatura di fusione- conduttori se polari- solubili in acqua se polari

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3-3 Solidi a reticolo covalenteSono molecole o atomi legati da legami covalenti forti C diamante, SiO2Molto duri,Alta temperatura di fusioneNon conduttoriinsolubili

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3-4 Solidi metalliciSono 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

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In un liquido, le molecole sono in movimento ma interagiscono tramite forze intermolecolari.Dalla natura delle forze intermolecolare dipendono le proprietà delle sostanze.

4-Lo stato liquido

Acqua in un contenitore aperto Acqua in un contenitore chiuso

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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.

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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.

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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

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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 HgAcetone 231 mm HgAcqua 23 mm HgMercurio 0.0018 mm Hg

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4-1-2- 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

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Alla temperatura alla quale tensione di vapore = pressione atmosferica → ebollizione. L’evaporazione ha luogo in tutta la massa di liquido.

Temperatura di ebollizione

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)

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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.

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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.

L’effetto delle forze di coesione e della tensione superficiale è mediato dalla forza di gravità e dalle forse di adesione

La tensione superficiale rappresenta la forza con cui le molecole sulla superficie di un liquido sono attratte verso l’interno

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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 superficie solida (o molto morbida, visto che l'acqua si deforma sotto il peso)

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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

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Quantità = peso o numero di moliVolume = volume del contenitoreTemperatura 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 m2, la pressione è espressa in N/m2 o Pascal (Pa). 1N = 1Kg s-2

Altre unità: Bar, atm, mm Hg, m acqua

1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101325 Pa = 1.01325 bar

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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

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by Tom Benson

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Legge di Charles (1787) o di Gay-Lussac (1802): Volume,TemperaturaPer una una data quantità di gas a pressione costante

V ∝ T oppure V = bT ( b = costante)

T (K) = t (°C) + 273.15

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by Tom Benson

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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

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Condizioni standard di temperatura e di pressione (STP) T = 0°C = 273.15 K P = 1 atm = 760 mm Hg = 1.01325 105 Pa

A STP; 1 mole di gas occupa 22.4 L

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A 273,15 K

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L’equazione dei gas ideali ( o gas perfetti) o equazione di stato dei gas include le 4 variabili dei gas

PV = nRTP in atmV in lT in KR = costante dei gas ideali

Calcolo di R R= PV nT

A STP P = 1 atm, V = 22.414L, n = 1, T = 273.15

R = 1 x 22.414 = 0.082057 L atm mol-1 K-1

1 x 273.15

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.

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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 parzialidei singoli componenti della miscela.

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In una miscela di gas A, B, C,… Ptot = PA + PB + PC….

PAVtot = nARTPtotVtot = ntotRT PA/Ptot = nA/ntot

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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,…

PtotVA = nARTPtotVtot = ntotRT V A = n A

Vtot ntot

nA/ntot = PA/Ptot = VA/Vtot

nA/ntot = PA/Ptot = VA/Vtot

Il termina nA/ntot è la frazione molare di A = la frazione di molecole di quel componente rispetto al numero totale di moli della miscela

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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

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3-6 Esercizi sulle leggi dei gas

RIASSUNTO

PV = nRT

a T e n costanti → PV = costantea P e n costanti → V = costante x Ta V e n costanti → P = costante x Ta P e T costanti → V = costante x n

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Un gas occupa in condizioni normali (STP) 0.150 lVolume occupato a -125 °C a e 10.5 atm?Segue comportamento gas perfetto

Condizioni (1) : P1, V1, T1, nCondizioni (2): P2, V2, T2, n

P1V1 = nRT1

P2V2 = nRT2

P1V1 = P2V2 V2 = P1V1T2

T1 T2 P2T1

P1 = 1 atm T1 = 273 K V1 = 0.150 lP2 = 10.5 atm T2 = -125 °C = -125 + 273 = 148 K

V2 = 1 atm x 0.150 l x 148 K 10.5 atm x 273 K

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Un gas occupa 1.30 x 102 l a 85.6 °C e 2.10 x 104 Pa Pressione necessaria perché occupi 178 l a 341 °CGas perfetto

P1V1 = nRT1

P2V2 = nRT2

P1V1 = P2V2

T1 T2

P2 = P1V1T2

T1V2

P1 = 2.10 x 104 Pa 1 atm = 1.01325x 105 Pa P1 = 2.10 x 10 4 = 0.207 atm 1.01325 x 105

V1 = 1.30 x 102 l T1 = 85.6 °C = 85.6 + 273.15 K = 358.8 KV2 = 178 l T2 = 341 °C = 341 + 273 = 614 K

P2 = 0.207 atm x 1.30 x 10 2 l x 614K = 0.259 atm358.8 K x 178 l

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Numero di moli di un gas che occupa un volume di 20.50 l a 34.5 °C e 2 atm

PV = nRT n = PV RT

n = 0.082 l atm mol-1 K-1

P = 2 atmV = 20.50 lT = 34.5 °C = 34.5 + 273.15 = 307.7 K

n = 2 atm x 20.50 l = 1.62 l 0.082 l atm mol-1K-1 x 307.7K