Stato liquido
• Un liquido è caratterizzato da
continuamente soggetta a modifiche.
una
struttura
dinamica,
• I liquidi sono quindi caratterizzati da un ordine a corto raggio, che
si contrappone all’ordine a lungo raggio dei cristalli.
•situazione intermedia tra solido e gas
•le forze di coesione sono prevalenti per cui ha volume proprio
pressochè incomprimibile, ma non possiede forma propria perchè E
traslazionale delle particelle contrasta quella potenziale
•difficilmente razionalizzabile con modello rigido e rigoroso
stato liquido
particelle in continuo movimento casuale; una particella
all’interno del liquido è soggetta a forze uguali in tutte le
direzioni
una particella che si trova sulla
superficie del liquido è soggetta
a forze verso il basso
la superficie tende a contrarsi e ad
assumere forma sferica
(pari volume, minore superficie)
questa tendenza è definita dalla tensione superficiale
Per effetto della tensione superficiale
un liquido tende a occupare il
minore spazio possibile
Modello strutturale dei liquidi
• Si può considerare un liquido come un sistema in
cui zone di ordine si alternano a zone di disordine.
• Le particelle circondate da altre particelle hanno
un comportamento tipico dello stato solido (Ecin
oscillatoria).
• Le particelle confinanti con cavità hanno un
comportamento tipico dei gas (Ecin traslazionale).
• Per la presenza di cavità, la distanza media tra
particelle in un liquido è maggiore che in un solido e
quindi l’energia potenziale è maggiore (minore in
valore assoluto).
la viscosità dei liquidi
I liquidi hanno la caratteristica di essere, in varia misura, fluidi. La fluidità è la
proprietà di un liquido che consente ai suoi strati per quanto sottili di scorrere
l’uno sull’altro, conferendo la tipica mobilità dei liquidi
Si può valutare quantitativamente misurando il tempo impiegato da un dato
volume di liquido per fluire attraverso un tubo sottile
Solitamente per descrivere la resistenza al moto di un liquido si fa riferimento
alla sua viscosità, che è l’inverso della fluidità
Da un punto di vista matematico è possibile pensare di misurare la forza che
occorrerebbe applicare a uno strato di fluido per modificarne la velocità rispetto
a un altro strato posto a una distanza fissa (h):
v
F  S
h
in cui η, detto coefficiente di viscosità, è caratteristico per ogni liquido.
La viscosità varia ampiamente in funziona della natura chimica del liquido
In generale la viscosità di un liquido diminuisce all’aumentare della temperatura
Una eccezione riguarda lo zolfo (S8, fonde a 112.8 °C): aumentando la
temperatura il liquido diventa più viscoso
Fenomeni di capillarità
Un altro effetto imputabile alla tensione superficiale dei liquidi si manifesta
nell’innalzamento di un liquido in un tubo capillare.
In un tubo capillare di raggio r, la forza che tende a far salire il liquido
all’interno del tubo è data dalla tensione superficiale γ moltiplicata per la
circonferenza del tubo (2 π r). La forza che si contrappone all’innalzamento è
data dalla massa del liquido per l’accelerazione di gravità (m·g).
La massa del liquido è calcolabile conoscendo la sua densità
d e l’altezza h dell’innalzamento capillare.
All’equilibrio si ha:
2 π r γ = π r2 d gh
Da cui si ricava:
γ = ½h d g r
L’innalzamento capillare h risulta tanto maggiore
quanto più piccolo è il raggio del capillare
Il mercurio si comporta in modo opposto rispetto all’acqua perché le sue
interazioni con la superficie del vetro (forze adesive) sono meno forti di quelle
tra atomi di mercurio (forze coesive)
Tensione di vapore di un liquido
Analogamente a quanto avviene per i gas, anche le
molecole del liquido si muovono.
Molecole di liquido sufficientemente veloci, vincendo le
forze attrattive, possono lasciare la superficie del liquido
passando allo stato gassoso (evaporazione)
Se il volume in cui avviene l’evaporazione è delimitato,
dopo un certo tempo la fase gassosa assume una
pressione costante: il vapore formato si dice “saturo”.
La pressione esercitata dal vapore saturo sul liquido (ad
una definita temperatura) viene chiamata tensione di
vapore o pressione di vapore del liquido a quella
definita temperatura
Equilibrio liquido-vapore
Tensione di vapore di un liquido al variare
del volume della fase gassosa
(a temperatura costante)
a) il sistema è all’equilibrio: la pressione
del vapore (P) ha un valore ben definito che
dipende dalla natura del liquido e dalla
temperatura
b) Aumentando il volume della fase gassosa
(V2 > V1), a T cost., il sistema non è più
in equilibrio: una parte del liquido evaporerà
fino a ripristinare la pressione di equilibrio
c) Se il volume della fase gassosa viene
aumentato sufficientemente, la fase liquida
scompare. La pressione del vapore, non più
saturo, diminuirà all’aumentare del volume
(legge di Boyle)
le soluzioni
1. Soluzioni gassose, indicate in genere come miscele
gassose (ad esempio, l’aria);
2. Soluzioni liquide, che possono essere costituite da
un gas, un liquido o un solido sciolto in un liquido
(ad esempio, l’acqua di mare, l’acqua minerale, ecc.).
3. Soluzioni solide, costituite da un gas, un liquido o
un solido sciolti in un solido (ad esempio, H2 in
palladio, leghe di vario tipo, ecc.).
Le soluzioni
•Sistema omogeneo costituito da almeno due
componenti
•Il componente maggioritario è solitamente
chiamato solvente
•I componenti in quantità minore sono
chiamati soluti
per caratterizzare una soluzione è necessario
conoscere il rapporto quantitativo in cui i
componenti stanno nella soluzione
La CONCENTRAZIONE indica la quantità di
soluto presente in una certa quantità di
soluzione e può essere espressa in vari
modi; una soluzione CONCENTRATA
contiene una quantità relativamente alta di
soluto, presente in quantità inferiore se la
soluzione è DILUITA.
La concentrazione
Per caratterizzare una soluzione occorre specificare,
oltre alla natura dei componenti, anche le loro
quantità relative, ovvero capire quanti grammi di
soluto sono presenti rispetto al solvente.
esempio
una soluzione acquosa di NaCl al 5% significa che ci
sono 5 g di sale ogni 100 g di soluzione
una soluzione acquosa di alcol metilico al 10% in
volume è costituita da 10 dm3 ogni 100 dm3 di
soluzione
modi diversi di esprimere la
concentrazione
1. MOLARITà (M): esprime le moli di soluto
presenti in 1 litro di soluzione ed è data dal rapporto
tra il numero di moli di soluto ed il volume in litri di
soluzione in cui sono disciolte:
moli
M
l
Così, una soluzione 1 M contiene 1 mole/l,
una soluzione 5 M contiene 5 mol/l e così via.
Modificando questa relazione che fornisce la
CONCENTRAZIONE è possibile calcolare le moli
contenute in un certo volume di una soluzione a
concentrazione nota (mol = M x l), risalendo quindi
alla QUANTITÀ DI SOSTANZA
esempi
• Calcolare la M di una soluzione di NaOH
contenente 0,1 moli in 500 cm3 di soluzione.
M = mol/l = 0,1 mol/0,5 l = 0,2 M
• Calcolare la M di una soluzione contenente
4,0 g di NaOH in 100 cm3.
mol (NaOH) = 4,0 g/40 g mol-1 = 0,1 mol
M = mol/l = 0,1 mol/0,1 l = 1 M
• Calcolare il peso di NaOH contenuto in 500
cm3 di una soluzione 0,2 M.
mol = M x l = 0,2 mol l-1 x 0,5 l = 0,1 mol
g (NaOH) = 0,1 mol x 40 g mol-1 = 4 g
modi diversi di esprimere la
concentrazione
2. MOLALITà(m): esprime le moli di soluto
presenti in 1 kg di SOLVENTE PURO ed è data dal
rapporto tra il numero di moli di soluto ed il peso in
kg di solvente in cui sono disciolte; spesso, il peso di
solvente si ottiene sottraendo dal peso della
soluzione (soluto + solvente) il contributo del soluto:
moli
m
Kgsolvente
esempio
Calcolare la molalità di una soluzione che
contiene 13 g di KOH in 997 g di H2O.
Calcoliamo le moli corrispondenti a 13 g di
soluto,contenute in 997 g di solvente:
mol = 13 g/56 g mol-1 = 0,23 mol
m = 0,23 mol/0,997 kg = 0,24 mol/kg
modi diversi di esprimere la
concentrazione
3. COMPOSIZIONI PERCENTUALI
(% p/p e % p/v)
· percentuale in peso (% p/p): esprime i
grammi di soluto contenuti in 100 g di soluzione.
· percentuale in volume (% p/v): esprime i
grammi di soluto contenuti in 100 cm3 di
soluzione.
esempio
• Calcolare il percento in peso di una soluzione contenente 20 g di
soluto in 100 g di H2O.
Peso totale di soluzione = 100 + 20 = 120 g, che contengono 20 g
di soluto.
Impostiamo una proporzione:
120 g soluzione : 20 g soluto= 100 g soluzione : x g
soluto x = 16,7 % in peso
• Una soluzione al 30 % in volume ha densità 1,2. Calcolare il %
in peso.
La soluzione contiene 30 g di soluto in 100 cm3 di soluzione, cioè
in:
g soluzione = 100 cm3 x 1,2 g cm-3 = 120 g
120 g soluzione : 30 g soluto = 100 g soluzione : x g di soluto
x=25% in peso
modi diversi di esprimere la
concentrazione
4. FRAZIONE MOLARE (c): esprime il rapporto tra le
moli di un componente e la somma delle moli di tutti i
componenti della soluzione; per il componente iesimo:
i
i
tot
moli
x 
moli
In una soluzione la somma delle frazioni molari delle
varie specie presenti è uguale a 1.
esempio
Calcolare le frazioni molari di una soluzione
contenente 98 g di H2SO4 in 180 g di H2O.
moli H2SO4 = 98 g /98,08 g mol-1 = 1,0 mol
moli H2O = 180 g/18,01 g mol-1 = 10,0 mol
χH2O=10 mol/11mol= 0,909
χ H2SO4 = 1mol/11mol= 0,09
ricapitolando
La concentrazione può essere espressa in vari modi:
• Molarità (CM o M) = moli di soluto/ 1 dm3 o litro di
soluzione
• Molalità (Cm o m) = moli di soluto / 1 kg di solvente
• Frazione molare x1= n1/(n1+n2) con n1=moli del soluto
e n2= moli del solvente
• Massa percentuale = le parti di soluto (in massa)
presenti in 100 parti di soluzione
per passare da molalità a molarità occorre
conoscere la densità della soluzione.
la d = massa della soluzione /Volume
V= (massa soluto + massa solvente)/d=
(n1(mol)M1(gmol-1) + 1000g)/d(gdm-3)
n1= moli del soluto in un Kg di solvente
M1= massa molare del solvente
per cui la molarità è data da
CM= n1/V
Esempi di calcolo
1.
Calcolare quanti grammi di NaOH sono
necessari per preparare 1.00 dm3 di una
soluzione 0.100 M di NaOH.
0.100 mol dm-3 x 1.00 dm3 = 0.100 mol di NaOH
0.100 mol x 40.0 g mol-1 = 4.00 g
perchè M=moli/dm3
per cui moli= Molarità x V
Esempi di calcolo
2.
La densita’ di una soluzione di H2SO4 al 96.4% e’ 1.835 g
cm-3. Calcolare il volume della soluzione che contiene
discolta 1.0 mol dell’acido.
1 dm3 di soluzione ha massa pari a :
1000 cm3 x 1.835g cm-3 = 1835 g perchè dxV= grammi
H2SO4 costituisce solo il 96.4% di questa massa:
1835 g x 0.964 = 1769 g di H2SO4
1769 g / 98.08 g mol-1 = 18.0 mol di H2SO4
18.0 mol : 1 dm3 = 1.0 mol : x
x = 5.55 x 10-2 dm3
Esempi di calcolo
3.
Calcolare la massa di nitrato di potassio che
deve essere aggiunta a 250 g di acqua per
preparare una soluzione 0.200 m di KNO3.
0.200 m significa che ci sono 0.200 mol in 1 kg di
solvente
Quindi ci occorrono:
0.200 mol /1 kg x 0.250 kg = 0.050 mol di KNO3
0.050 mol x 101.1 g/mol = 5.06 g KNO3
QUANTITA’ DI SOSTANZA E
CONCENTRAZIONE
Come mostrato nei calcoli relativi alla molarità, è necessario tenere ben
distinti il concetto di QUANTITÀ DI SOSTANZA e quello di
CONCENTRAZIONE.
Chiariamo meglio questa distinzione con un esempio: abbiamo una serie di
porzioni di idrossido di sodio ciascuna del peso di 4,0 grammi ed una serie di
recipienti con capacità diverse (50, 100, 250, 500 e 1000 cm3).
Trasferiamo ora il soluto nei diversi recipienti ed aggiungiamo acqua fino al
volume indicato. Tutte le soluzioni contengono la stessa quantità di NaOH,
cioè 4,0 grammi. Ma la concentrazione nei vari casi non è la stessa.
In tutti i casi, le moli corrispondenti a 4,0 grammi di NaOH si ottengono
dividendo questo peso per la massa molare del composto:
moli NaOH = 4,0 g/40 g mol-1 = 0,1 mol
Calcoliamo le concentrazioni corrispondenti ai recipienti di diverso volume, in
moli per litro di
soluzione:
Soluzione 5: M = 0,1 mol/1 l = 0,1 mol/l
Soluzione 4: M = 0,1 mol/0,5 l = 0,2 mol/l
Soluzione 3: M = 0,1 mol/0,25 l = 0,4 mol/l
Soluzione 2: M = 0,1 mol/0,1 l = 1,0 mol/l
Soluzione 1: M = 0,1 mol/0,05 l = 2,0 mol/l
Discorso analogo vale quando una soluzione viene diluita, cioè viene aggiunto
del solvente; ad esempio, prendiamo la soluzione 3, che contiene 4,0 g di
NaOH in 250 cm3 con una concentrazione 0,4 M, e trasferiamola in un
recipiente più grande, aggiungendo acqua fino a 500 cm3 di soluzione. La
stessa quantità di soluto si trova ora in un volume doppio di soluzione, per cui
la concentrazione si è dimezzata (0,1 mol/0,5 l = 0,2 M), assumendo un valore
uguale a quello della soluzione 2.
esempio
Quale volume di una soluzione acquosa 2,0 M di NaCl è necessario per
preparare 0,5 l di una soluzione 1,0 M?
Determiniamo la quantità di soluto contenuto in 0,5 l della seconda soluzione
e poi il volume della prima soluzione che contiene questa stessa quantità di
sostanza.
Moli contenute in 0,5 l di soluzione 1,0 M:
moli = 1,0 mol l-1 x 0,5 l = 0,5 mol
oppure, con le proporzioni:
1,0 mol : 1 l = x mol : 0,5 l x = 0,5 mol
Volume di soluzione 2,0 M che contiene 0,5 mol:
2,0 mol : 1 l = 0,5 mol : x l
corrispondenti a 250 cm3
x = 0,25 l,
la dissoluzione di un soluto in un
solvente
conoscere i criteri che determinano se un certo
soluto è solubile in un solvente; questi criteri si
basano sulle forze intermolecolari e sul
meccanismo di interazione soluto-solvente
ricordando che l’acqua si comporta come un
dipolo elettrico, le molecole di acqua
interagiranno con ioni della superficie del cristallo
SOLUBILITA’
il simile scioglie il simile
Le sostanze la cui coesione nel solido o nel liquido è dovuta a
forze dello stesso tipo tendono più facilmente a mescolarsi
tra loro in soluzione.
Si dice satura una soluzione in cui parte del soluto resta
indisciolto, come corpo di fondo. Il corpo di fondo e la soluzione
si trovano in equilibrio dinamico (v.) tra loro.
La solubilità dipende dal valore del prodotto di solubilità Kps
solvatazione
Meccanismo attraverso cui avviene la dissoluzione di diverse
sostanze (soprattutto ioniche).
Ogni ione della soluzione è circondato da molecole di solvente
opportunamente orientate nei confronti della carica dello
ione. Si dice che lo ione è solvatato.
Il processo di
solubilizzazione
Attacco di un
cristallo di NaCl
da parte
dell’acqua
processi di IDRATAZIONE
Ioni Na+ e Cl- idrati
L’attrazione elettrostatica fra ioni idrati
è ridotta (80).
La dipendenza della
solubilità dal solvente
Un solvente che dà
luogo a legami a H
solubilizza sostanze che
danno luogo a legami ad
H.
Un solvente
polare solubilizza
molecole polari
Solventi
con
forti
interazioni di London
dissolvono
molecole
non polari.
I simili sciolgono i simili