Proprietà della materia
• Stato gassoso: Volume e forma in funzione del
recipiente. Forze di interazione tra molecole deboli
• Stato liquido: Volume proprio e forma in funzione del
recipiente. Forze di interazione tra molecole medie.
• Stato solido: Volume e forma propri. Forze di
interazione tra molecole forti
Proprietà dei gas
• I gas sono miscibili tra loro in tutte le
proporzioni.
• Galileo dimostrò che i gas hanno una
massa.
• Legge generale dei gas: PV = nRT.
• Teoria cinetica dei gas.
Pressione
• Forza che agisce sulla unità di superficie.
Es. libro di 2 Kg di dimensioni 20 cm x 25 cm x 5cm
a) lato 20 cm x 25 cm : P = 2000 g / 500 cm2 = 4 g/cm2
b) lato 20 cm x 5 cm : P = 2000 g / 100 cm2 = 20 g/cm2
c) lato 25 cm x 5 cm : P = 2000 g / 125 cm2 = 16 g/cm2
Alcune unità di misura:
Kg/cm2, Atmosfera, mm Hg, mm H2O, Pascal, PSI, ...
Vuoto barometrico
Pressione
Pressione atmosferica
h = altezza della colonna di mercurio
760 mm Hg
(1,033 kg/cm2 )
32
Altitudine (Km)
28
24
stratosfera
20
16
12
troposfera
8
4
100
200
300
400
500
Pressione (mm Hg)
600
700
800
Diverse metodologie di misura della pressione
Pressione atmosferica
Vuoto
h = 250 mm Hg
GAS
GAS
h = 150 mm Hg
P = 250 mm Hg
Pgas + PHg = Patm
Pgas = Patm - PHg
Pgas = 760 mmHg - 150 mm Hg = 610 mm Hg
Diverse unità di misura della pressione
Unità di misura ufficiale
MPa
(megaPascal, 106 x Pascal, 106 x N/m2 )
Alcune unità di misura alternative in uso:
Bar = 0,1 MPa
Atm (Atmosfere ) = 0,101325 MPa .
mm Hg = 0,00013332 MPa
kg/cm2 = 0,0980663 MPa .
PSI (libre/pollice2) = 0,0068947 MPa .
Legge di Boyle
P = 760 mm Hg
P = 760 mm Hg
P = 760 mm Hg
h = 3 x 760 mm
h = 760 mm
Pa = Patm
Va
Pb = 2 Pa
Pc = 4 Pa
Vb = Va /2
Vc = Va /4
Legge di Boyle
CO a 100°C
30
Gas ideale a 100°C
P · V (l · atm)
Il volume di una data quantità di
un gas a temperatura costante è
inversamente proporzionale alla
pressione a cui sottoposto
Gas ideale a 0°C
20
CO a 0°C
Gas ideale a -150°C
10
CO a -150°C
V = k1/P
aria
1 atm
o
PV = k1
aria
1 atm
0
10
aria
1 atm
20
30
P (atm)
40
50
Legge di Boyle
Pressione (atm)
12
10
P = 1 atm
V=5l
P = 2 atm
V = 2,5 l
P = 3 atm
V = 1,66 l
8
T = costante
6
4
2
0
0
5
10
Volume (l)
15
Legge di Charles
B
T = 0°C
V = V1
1.4
1.2
1.0
1.4
1.2
1.0
1.4
1.2
1.0
T = 50°C
V = 1.2 V1
T = 100°C
V = 1.4 V1
Relazione lineare tra
temperatura, misurata in
gradi e volume dei gas
Volume (l)
24
A
12
-273
-200
0
73
-100
173
0
100
Temperatura °C
200
300
273
373
Temperatura °K
473
573
Temperatura assoluta
T (K) = t (°C) + 273,15
V=kT
V
=k
T
t (°C) = T (K) - 273,15
Pressione atmosferica
Pressione atmosferica
GAS
0 °C
GAS
273 °C
Relazione lineare tra
temperatura, misurata in
gradi e pressione dei gas
P=kT
P
=k
T
B
2
Pressione (atm)
h = 760 mm Hg
Legge di Gay-Lussac
A
1
-273
-200
0
73
-100
173
0
100
Temperatura °C
200
300
273
373
Temperatura °K
473
573
Temperatura assoluta
T (K) = t (°C) + 273,15
t (°C) = T (K) - 273,15
Legge generale dei gas: legge di Avogadro
Combinando gli esperimenti precedenti si ottiene la
formula generica:
P V = kn T
Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di
pressione e temperatura contengono un uguale numero di
molecole
PV= nRT
H2 + Cl2 = 2 HCl
Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni
di pressione e temperatura contengono un uguale numero di moli
Teoria cinetica dei gas
Numero di molecole
Moto Browniano
T1
La pressione è la conseguenza degli urti delle
molecole sulle pareti del recipiente, maggiore
è il numero o maggiore è la forza degli urti e
maggiore è la pressione
T2
Ec =
1
mV2
2
Velocità
Ad ogni temperatura l’energia cinetica media delle molecole è la stessa per ogni tipo di gas e per qualsiasi pressione
Pressioni parziali e volumi parziali
in miscele di gas diversi
Pt  Pa  Pb  Pc  Pd  ...Pn
Vt  Va  Vb  Vc  Vd  ...Vn
P a na

 Xa
P t nt
Va na

 Xa
Vt n t
Xa
(frazione molare)
P a  na
RT
V
P t  nt
na
Pa  Pt  Pt Xa
nt
RT
V
Va  na
RT
P
Vt  nt
na
Va  Vt  Vt Xa
nt
RT
P
Liquidi
Equilibrio liquido-vapore
Tensione di vapore
h = 750 mm
h = 732 mm
h = 659 mm
Pvap. = 750-732 = 18 mm
Mercurio
Acqua
Pvap. = 750-659 = 91 mm
Tetraclorometano
Variazione della tensione di vapore in funzione della
temperatura
acqua
Etere
etilico
Mercurio
0
33
8
185
2x10-4
20
91
18
442
12x10-4
40
216
55
920
61x10-4
100
1457
760
4865
2729x10-4
Temperature di ebollizione
76.5°C
100°C
34.5°C
356°C
Punto di ebollizione :
la tensione vapore eguaglia la pressione sovrastante
6000
tetracloro
carbonio
Tensione di vapore (mm Hg)
tetracloro
metano
°C
Liquido
4000
etere
etilico
2000
acqua
Vapore
0
0
Punto di rugiada:
la pressione parziale supera la tensione di vapore
es. condensa di umidità
50
100
Temperatura (°C)
150
Grammi per metro cubo di vapore acqueo saturo
50
Sat
45
40
80%
35
30
g/m3
60%
25
20
40%
15
20%
10
5
0
-30
-20
-10
0
10
°C
20
30
40
Solidi
..
Strutture cristalline e amorfe
..
. .S
..
S
S
..
..
..
..
.. S ..
.. S ..
Esempi di strutture cristalline comuni
Esagonale
Cubica
Cubica a
corpo centrato
Grafite
Diamante
Quarzo
(biossido di silicio, SiO2)
Na
Cloruro di Sodio, NaCl
Cl
Silicio
Ossigeno
S
S
..
..
..
S .
.
Molecola di zolfo
Solidi
Equilibrio solido-liquido
Pressione (atm)
1
6
solido
4
2
0
-30
vapore
-25
-20
-15
-10
Temperatura (°C)
-5
solido
0
0
Temperatura (°C)
1,0
liquido
0,2
solido
vapore
0,006
Punto triplo
0
liquido
0,006
Diagramma di stato dell’acqua
Pressione (atm)
Tensione di vapore
(mm Hg)
Equilibrio solido-vapore
0.01
100
Temperatura (°C)
0,01
Curva di riscaldamento di una mole di acqua da -20°C
Riscaldamento del vapore
Temperatura (°C)
100
Liquido-vapore 41 kj
80
60
40
20
Solido
liquido
6 kj
Riscaldamento del liquido 7,5 kj
0
-20
Riscaldamento del solido
10
20
30
Calore (kj)
40
50
60
Calore molare di evaporazione
Calore molare di fusione
Le Soluzioni
Solvente : liquido presente in una soluzione in eccesso rispetto
agli altri componenti che vengono da questo disciolti
Soluto: sostanza che viene sciolta dal solvente e che costituisce
uno dei componenti presenti in minor quantità nella soluzione
CONCENTRAZIONE
percentuale in peso, %
percentuale in volume, %v/v
percentuale peso / volume, %w/v
molarità, moli/litro, M
molalità, moli/kg solvente, m
frazione molare, X
CONCENTRAZIONE
Percentuale in peso, %
Percentuale in volume, %v/v
es. l’acido cloridrico concentrato
es. l’alcol etilico al 95%
HCl al 36%
la soluzione contiene 950ml di1
la soluzione contiene 36g di HCl alcol per ogni litro di soluzione.
per ogni 100g di soluzione.
Molarità, M
(numero di moli di soluto
per litro di soluzione)
Molalità, m
(numero di moli di soluto
per 1000 g di solvente)
es. 2 M cloruro di sodio, NaCl
1 mole = 58,5g
2 · 58,5 g =117 g in un
volume finale di un litro d’acqua
es. 2 m cloruro di sodio, NaCl
1 mole = 58,5g
2 · 58,5 g =117 g da aggiungere
a 1000 g d’acqua
Solubilità
La solubilità di un certo soluto in un certo solvente dipende dalla natura sia del soluto sia
del solvente e di solito, ma non sempre, aumenta all'aumentare della temperatura.
Solubilità (g soluto/100 g solvente)
CaCl2
NaI
KNO3
100
90
80
70
60
KCl
50
40
NaCl
30
20
10
Ce2(SO4)3
10
20
30
50
60
40
Temperatura (°C)
70
80
90
100
Solubilità di un gas
La solubilità di un gas in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione
parziale del gas sul liquido ed inversamente proporzionale alla temperatura
A 37°C e ad 1 atm
0,012 ml N2 / ml H2O ==> 0.012 x 0,80 = 0,0096 ml N2 /ml H2O
0,024 ml O2 / ml H2O ==> 0,024 x 0,20 = 0,0048 ml O2 / H2O
a 40 m di profondità:
la solubilità aumenta di 5 volte in quanto la pressione raggiunge le 5 atm
(1 dell’aria sovrastante e altre quattro dovute alla colonna d’acqua)
Solubilizzazione di un sale
H
O
H
H
H
O
H
O
H
H
O
H
Na
La solubilità è influenzata dal solvente:
Cl
Il simile scioglie il suo simile.
Sostanze polari solubili in solventi polari
Sostanze apolari solubili in solventi apolari
Solubilità e polarità
Alcol
metanolo
etanolo
1-propanolo
1-butanolo
1-pentanolo
1-esanolo
1-eptanolo
1-ottanolo
formula
CH3-OH
CH3CH2-OH
CH3 CH2CH2-OH
CH3 CH2 CH2CH2-OH
CH3 CH2 CH2 CH2CH2-OH
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2CH2-OH
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2CH2-OH
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2CH2-OH
La solubilità è influenzata dal solvente:
Il simile scioglie il suo simile.
Sostanze apolari solubili in solventi apolari
solubilità
g per 100 g di acqua
miscibile
miscibile
miscibile
7,9
2,3
0,6
0,2
0,05
Solubilità e polarità
H
1-esanolo
O
H
H
O
H
H
O
H
H
O
H
etanolo
H
O
H
H
O
H
Il simile scioglie il suo simile.
Proprietà colligative delle soluzioni
1) Tensione di vapore
2) Innalzamento ebullioscopio
3) Abbassamento crioscopico
4) Pressione osmotica
Tutte dipendono dal numero di particelle
in soluzione,tenendo conto dell’eventuale
dissociazione in ioni.
Tensione di vapore delle soluzioni
Psol = Pa · Xa + Pb · Xb
Se il soluto non è volatile
P sol =Pa · Xa
DP = Pa - Psol
DP
Xb = ---Pa
Abbassamento della tensione di vapore
Innalzamento ebullioscopio
Abbassamento crioscopico
Pressione (atm)
Diagramma di stato dell’acqua
1,0
liquido
0,2
solido
vapore
0,006
0
0.01
100
Temperatura (°C)
Dtf = kf · m
Dteb = keb · m
Per l’acqua kf = -1,86
Per l’acqua keb = 0,52
Osmosi
Pressione Osmotica
P
P =cRT
P V=nRT
Soluzione salina fisiologica
NaCl 0,15 M
P =cRT
= 2 · 0,15 · 0.0821 · (273 + 37) = 7,64
H2O
Soluzione di
saccarosio
Membrana
semipermeabile
La pressione osmotica dipende dal numero di particelle in soluzione
quindi bisogna tenere conto della dissociazione dei composti