Appunti di Chimica 2 - II P

Appunti di Chimica Generale
GLI STATI DELLA MATERIA E LE LORO PROPRIETÀ
Le osservazioni fatte dagli scienziati sul comportamento dei corpi e dei diversi materiali di cui
questi erano costituiti suggerirono che solidi, liquidi e gas non fossero costituiti da un blocco
unico di materia ma piuttosto da molte entità singole, in qualche modo legate tra loro. Questo
semplice modello, noto come ipotesi particellare, afferma che:
“La materia non è continua ma granulare, essendo formata da molte particelle di dimensioni
estremamente piccole.”
Il diverso comportamento della materia nelle varie situazioni sembra dipendere da come sono
fatte e da come sono legate tra loro le particelle che la costituiscono.
L’ipotesi particellare ipotizza che il legame tra le particelle consista in una forza attrattiva che le
tiene insieme per formare un corpo. Tale forza, definita forza di coesione, si presenta:
molto forte nei solidi, in quanto non permette alle particelle di spostarsi;
più debole nei liquidi, le cui particelle possono muoversi e slittare le une sulle altre;
molto deboli nei gas, le cui molecole si muovono liberamente e si allontanano le une dalle
altre fino ad occupare tutto il volume a disposizione.
Vedremo più avanti che le cose sono un pò più complesse.
“Questa teoria suggerisce anche che la materia oltre a non essere un blocco continuo è in gran
parte vuota.”
Continuando con la nostra semplificazione, possiamo utilizzare un modello fisico, chiamato
modello a sferette, in cui ogni molecola è rappresentata da una piccola sfera.
Non possiamo affermare che la materia sia fatta come il modello, ma si può supporre che essa
si comporti come se fosse fatta in quel modo.
I materiali possono essere classificati come solidi, liquidi o gas basandosi sul fatto che abbiano
o meno forma e volume ben definiti. Queste due proprietà dipendono direttamente dalla
disposizione delle particelle all’interno del materiale e dalle forze che esse esercitano
reciprocamente le une sulle altre.
LA TEORIA CINETICA E GLI STATI DELLA MATERIA
Il termine kinesis deriva dal greco e significa movimento. L’energia cinetica è
l’energia posseduta da un corpo in movimento (E = ½ mv2). Questa teoria,
mediante opportune ipotesi e usando metodi statistici, riconduce le proprietà
macroscopiche di un gas (pressione, viscosità, capacità termiche ecc.) a quelle
microscopiche, ovvero molecolari.
Le ipotesi di partenza della teoria cinetica dei gas sono molto semplici:
Un gas puro consiste di un grande numero di molecole identiche separate da distanze che
sono grandi, se paragonate alle dimensioni molecolari.
Le molecole del gas sono costantemente in movimento, in direzioni casuali e con una certa
distribuzione di velocità (circa 1600 km/h).
Tra una collisione e l’altra le molecole non esercitano forze tra di loro e quindi esse si
muovono in linea retta tra due urti, con velocità costante.
Le collisioni delle molecole con le pareti del recipiente sono elastiche, ovvero non c’è scambio
di energia.
Prof. Sante Fontana
1
Appunti di Chimica Generale
Per quanto riguarda i liquidi, la teoria cinetica considera i seguenti punti:
Le particelle di un liquido, pur essendo in movimento continuo, hanno una velocità media
inferiore a quelle di un gas.
Molte volte la minore velocità è dovuta ad una maggiore massa delle particelle liquide.
Le forze di attrazione tra le particelle non sono trascurabili.
Nei solidi la situazione è la seguente:
Le particelle sono sempre in movimento ma i loro spostamenti nello spazio sono molto
limitati; esse vibrano intorno ad una posizione fissa.
Queste limitazioni sono dovute alle maggiori forze di attrazione che le particelle esercitano
reciprocamente.
GLI STATI FISICI DELLA MATERIA E LE LORO PROPRIETÀ
Lo stato solido è quello stato della materia, caratterizzato da notevoli forze di coesione, in cui i
materiali hanno una forma ed un volume ben definiti. Ciò significa che queste caratteristiche
non variano se spostiamo nello spazio il materiale in questione o se lo mettiamo in recipienti
che hanno forme e volumi diversi tra di loro.
Utilizzando il modello a sferette possiamo ritenere che, in alcune sostanze, le particelle siano
disposte in modo regolare, secondo una precisa struttura geometrica che caratterizza la
particolare forma di cristallo. Tali sostanze vengono chiamate solidi cristallini (Es. salgemma,
quarzo, diamante).
Altre sostanze non presentano una forma specifica, perché le particelle che le costituiscono
sono disposte in modo casuale; queste sono dette solidi amorfi (Es. vetro, cera, materie
plastiche).
Di seguito sono elencate alcune proprietà comuni ai corpi nello stato solido.
Impenetrabilità: ogni corpo occupa un proprio spazio, piccolo o grande che sia, che non può
essere contemporaneamente occupato da un altro corpo.
Porosità: presenza, più o meno diffusa, di piccolissime cavità, i pori, all’interno della
struttura compatta di un corpo. I pori possono prolungarsi all’interno del solido sotto forma di
sottili canaletti i quali sono responsabili del fenomeno detto assorbimento per capillarità, che
si manifesta quando un corpo poroso viene a contatto con un liquido od un gas; questi ultimi
si muovono attraverso i minuscoli canali ed attraversano il solido da parte a parte (Es.
assorbimento di liquidi dalle radici delle piante o da parte di un tessuto; permeabilità all’aria
dei mattoni o delle vernici non sintetiche).
Impermeabilità: capacità dei materiali di lasciarsi attraversare dai liquidi o dai gas. Essa
dipende dalla porosità e/o dalla tensione superficiale delle superfici dei materiali che vengono
a contatto con i fluidi (Es. impermeabilità dei materiali plastici come Nylon e PVC;
permeabilità delle fibre naturali come il cotone).
Igroscopicità: capacità dei solidi di assorbire il vapore acqueo (Es. zucchero da cucina).
Duttilità: proprietà di un corpo di lasciarsi ridurre in fili sottili (Es. metalli o loro leghe).
Malleabilità: proprietà di un corpo di lasciarsi ridurre in lamine sottili (Es. metalli o loro
leghe).
Elasticità: proprietà dei corpi, sottoposti a forze deformanti o allunganti, di riacquistare la
forma primitiva dopo la cessazione delle forze (Es. gomma).
Prof. Sante Fontana
2
Appunti di Chimica Generale
Durezza: caratteristica dei materiali la cui definizione deriva
da criteri empirici basati sulla resistenza che essi offrono alla
scalfitura, all’abrasione e alla penetrazione. La durezza dei
minerali viene riferita alla scala di Mohs, confrontando la
traccia lasciata sul minerale da una punta di diamante, il
materiale più duro, con la scalfitura, su di uno dei termini
della scala. Nella scala di Mohs ogni minerale è in grado di
scalfire quelli con numero di scala più basso e viene scalfito
da quelli a numero di scala maggiore. La durezza dei metalli
viene determinata con la prova della penetrazione,
misurando il rapporto P/S tra il carico applicato ad un
punzone di caratteristiche assegnate e la superficie
dell’impronta ottenuta sul materiale.
Scala delle durezze di Mohs
Numero di scala
Minerale
1
Talco
2
Gesso
3
Calcite
4
Fluorite
5
Apatite
6
Feldspato
7
Quarzo
8
Topazio
9
Corindone
10
Diamante
Lo stato liquido è quello stato della materia, caratterizzato da forze di coesione molto più
deboli che nello stato solido, in cui un materiale ha un volume definito ma non una forma
definita. Esso cioè, assume sempre la forma del recipiente che lo contiene.
Come nello stato solido, gli atomi dei materiali nello stato liquido sono “impacchettati” vicino
ma hanno una libertà di movimento maggiore e non assumono una struttura ordinata ma
casuale. Un mucchietto di sfere libere, molto simile al modello di solido amorfo rappresenta
abbastanza bene anche il modello di sostanza allo stato liquido. Nei liquidi la distanza media tra
le particelle è maggiore che nei solidi e di solito la loro densità è più bassa.
Vediamo ora alcune proprietà dei corpi nello stato liquido.
Diffusione: fenomeno consistente in un trasporto di materia tra due o più punti di un sistema
nei quali i componenti siano presenti in concentrazioni diverse. La diffusione che ha come
effetto quello di rendere uniforme la concentrazione, viene espressa dalla legge di Fick come
numero di molecole NA della sostanza A che diffonde nell’unità di tempo attraverso l’unità di
superficie e lungo una certa direzione
NAx = -D ∆C/∆x
Dove D è il coefficiente di diffusione, C la concentrazione ed x la coordinata lungo la quale
avviene il flusso di materia. Tutti i processi di trasferimento di materia all’interno di una fase o
da una fase all’altra sono processi diffusionali.
La diffusione avviene anche nei solidi e nei gas ma, mentre nei primi è molto lenta, in alcuni
casi nulla, nei secondi ha una velocità molto maggiore che nei liquidi.
Viscosità: grandezza fisica che descrive l’attrito interno di un fluido, cioè la tendenza di uno
strato in moto a trascinare con sé gli strati immediatamente adiacenti. Quanto maggiore è la
viscosità tanto minore è la possibilità di schematizzare il fluido come fluido perfetto. La
viscosità dei liquidi diminuisce in genere con l’aumentare della temperatura, mentre quella dei
gas aumenta con essa.
Tensione superficiale: proprietà caratteristica dei liquidi che si manifesta lungo le superfici
di separazione: il liquido si comporta come se fosse racchiuso da una membrana elastica, che
gli permette di variare la sua forma mantenendo minima la superficie esterna di separazione
rispetto al mezzo in cui si trova, che può essere l’aria, un gas od un altro liquido di densità
diversa (Es. gocce di pioggia, olio in acqua, bolle di sapone). Il fenomeno più importante
dovuto alla tensione superficiale è la capillarità.
La tensione superficiale dipende dalle forze di coesione molecolare: mentre le molecole
all’interno del liquido sono soggette a forze agenti in tutte le direzioni, quando vanno a
costituire lo strato superficiale di separazione subiscono soltanto un’azione di richiamo verso
l’interno e formano uno strato che tende a contrarsi, racchiudendo il liquido e impedendo alle
altre molecole più interne di disperdersi.
La tensione superficiale diminuisce all’aumentare della temperatura a causa dell’aumento
dell’energia cinetica delle molecole.
Prof. Sante Fontana
3
Appunti di Chimica Generale
La capillarità è l'insieme di fenomeni dovuti alle interazioni fra le
molecole di un liquido e un solido (per esempio le pareti di un
recipiente) sulla loro superficie di separazione. Le forze in gioco che si
manifestano in tale fenomeno sono la coesione, l'adesione e la
tensione superficiale.
Quando la superficie di un liquido è curva, nella parte concava si
genera una pressione maggiore di quella esistente nella parte
convessa. Per ristabilire l'equilibrio tra queste pressioni, il liquido
dovrà salire o scendere di un certo volume. Il fenomeno è più
evidente nei tubi capillari poiché in questi è maggiore la parte di
liquido a contatto con le pareti del recipiente rispetto al volume totale
e quindi la parte di liquido che genererà le forze di coesione sarà
maggiore e perciò lo spostamento del livello del liquido all' interno del
capillare sarà maggiore.
Il nome deriva dal fatto che il fenomeno è particolarmente evidente
nei tubi sottili di sezione paragonabile a quella di un capello.
Dalla capillarità dell'acqua deriva l'imbibizione, ossia il movimento
capillare delle molecole d'acqua che gonfiano la sostanza imbevuta.
Dato un liquido in un contenitore, il punto centrale della superficie,
che sia gonfio verso l'alto come per l'olio o il mercurio, o verso il
basso come nel caso dell'acqua, si chiama menisco, ed è l'altezza a
cui si legge la misura (a cui bisogna leggere la scala graduata del
contenitore).
Il gas è lo stato della materia, caratterizzato da forze di coesione molto deboli, in cui un
materiale non ha né forma né volume definiti. Esso assume sempre la forma del suo
contenitore e tende ad occupare il massimo volume disponibile.
Gli atomi dei materiali sotto forma di gas sono liberi di muoversi gli uni rispetto agli altri.
Il gas si distingue dal vapore (stato aeriforme a temperatura inferiore alla propria temperatura
critica: temperatura al di sopra della quale una sostanza non può esistere allo stato liquido) in
quanto non può essere condensato per sola compressione.
Le leggi dei gas ideali
Le leggi dei gas mettono in relazione il comportamento degli stessi in relazione a cambiamenti
della pressione, del volume e del numero delle particelle.
I fattori modificabili che influenzano la pressione di un gas chiuso in un recipiente sono la
temperatura, il volume ed il numero delle particelle. Variando opportunamente un parametro e
mantenendo costanti gli altri due, possiamo determinare un aumento oppure una diminuzione
dei valori di pressione del gas.
La legge generale dei gas ideali
Questa legge empirica sintetizza in un’unica espressione matematica tutte le relazioni di
proporzionalità che esistono tra la pressione, il volume, la temperatura ed il numero di moli di
un gas ideale. Essa è valida approssimativamente per tutti i gas a pressioni intorno a quella
atmosferica e diventa sempre più accurata quanto più si diminuisce la pressione.
V ∝ nT/p ovvero pV ∝ nT tale relazione può essere espressa come
pV = nRT
(dove R è la costante universale dei gas, il cui valore è 8,31441 Jmol-1K-1)
Osservando il comportamento di un gas ideale durante una trasformazione da una condizione
iniziale ad una finale, otteniamo:
p1V1/T1 = p2V2/T2
Prof. Sante Fontana
4
Appunti di Chimica Generale
Risulta evidente che all’aumentare della quantità delle particelle, mantenendo costanti i valori di
temperatura e pressione, aumenta il volume occupato dalle particelle stesse.
V ∝ n (dove n è la quantità di sostanza
espressa in moli)
“Il volume di un gas ideale è direttamente
proporzionale alla sua temperatura, espressa
in kelvin, se la pressione ed il numero delle
particelle del gas sono costanti.”
V ∝ T ovvero V/T = k (dove k è una
costante di proporzionalità)
“Il volume di un gas ideale è inversamente
proporzionale
alla
pressione
se
la
temperatura ed il numero di particelle sono
costanti.”
V ∝ 1/p ovvero pV = k (dove k è una
costante di proporzionalità)
Il plasma, considerato anche il quarto stato della materia, è un gas ionizzato, costituito da un
insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla).
Essendo però costituito da particelle cariche, i moti complessivi delle particelle del plasma sono
in gran parte dovuti alle forze a lungo raggio che si vengono continuamente a creare, e che
tendono a mantenere il plasma neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante
rispetto ai gas ordinari, nei quali i moti delle particelle sono dovuti a forze che si estendono al
massimo per qualche primo vicino.
Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che
risponda fortemente ai campi elettromagnetici. Dall’applicazione di queste proprietà derivano i
tubi catodici e le lampade al neon, comunemente confuse con quelle a fluorescenza di uso
quotidiano, il cui funzionamento dipende spesso da vapori di mercurio o altri gas fluorescenti.
Un esempio decorativo sono le lampade al plasma.
Mentre sulla terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno eccezione i fulmini e le
aurore boreali), nell'universo costituisce più del 99% della materia conosciuta: si trovano sotto
forma di plasma il Sole, le stelle e le nebulose. Inoltre, si ha una formazione di plasma sullo
scudo termico dei veicoli spaziali al rientro nell'atmosfera.
I PASSAGGI DI STATO DELLA MATERIA
Un passaggio di stato è la trasformazione fisica reversibile che avviene quando una sostanza
passa da uno stato fisico della materia ad un altro.
I tre stati fondamentali della materia (solido, liquido e gassoso) possono dare luogo a sei
transizioni di fase, ognuna delle quali caratterizzata da particolari condizioni di temperatura,
pressione ed energia.
Durante un passaggio di stato, avviene un trasferimento di energia tra la sostanza e l’ambiente
circostante. La direzione del trasferimento dipende dal tipo di transizione e l’energia può essere
sia assorbita sia ceduta dalla sostanza in esame, ovvero possiamo avere passaggi endotermici o
esotermici.
Prof. Sante Fontana
5
Appunti di Chimica Generale
Esaminiamo ora i singoli passaggi di stato.
La fusione consiste nel passaggio dallo stato solido a quello liquido. In tutti i solidi gli atomi
oscillano intorno a posizioni di equilibrio in funzione delle forze intermolecolari. Quando però al
sistema viene fornita, sotto forma di calore, energia sufficiente a vincere le forze
intermolecolari, questo equilibrio si rompe e le molecole si staccano dalla loro rigida
configurazione muovendosi all’interno del corpo, che viene così ad assumere le caratteristiche di
un liquido. Quando tutte le molecole hanno energia sufficiente per abbandonare le proprie
posizioni, la fusione è completa. Tutta l’energia assorbita dal liquido dopo il passaggio di stato
incrementa l’energia cinetica media delle molecole e la temperatura ricomincia ad aumentare.
La quantità di calore che bisogna fornire ad un corpo perché fonda viene detta calore latente di
fusione e la temperatura a cui fonde punto di
fusione. Entrambe queste grandezze sono diverse
da sostanza a sostanza e variano con la
pressione.
Durante il passaggio di stato, un corpo portato al
punto di fusione conserva temperatura costante;
fanno eccezione alcuni corpi a struttura amorfa
(Es. vetro) che passano per uno stato pastoso. In
questo caso non si definisce un esatto punto di
fusione ma un intervallo di temperature entro cui
avviene il fenomeno.
La maggior parte delle sostanze aumenta di
volume durante la fusione; soltanto alcune fanno
eccezione (Es. ghiaccio, argento, ghisa).
Per calore latente si indica la quantità di calore che occorre fornire all’unità di massa di una
sostanza perché avvenga un cambiamento di stato. La quantità di calore che viene ceduta
dall’unità di massa nel corrispondente passaggio di stato inverso ha la stessa entità.
Per calore specifico si indica la quantità di calore che bisogna fornire o sottrarre all’unità di
massa di una sostanza affinché la sua temperatura aumenti o diminuisca di un grado.
La solidificazione è il processo inverso della fusione, in cui una sostanza passa dallo stato
liquido a quello solido.
Quando un liquido viene raffreddato, avviene un passaggio di energia dal liquido all’ambiente
circostante ed il liquido comincia a raffreddarsi. Man mano che l’energia cinetica media delle
molecole diminuisce, il loro movimento diventa sempre più lento, fino a quando, in
corrispondenza della temperatura di solidificazione, molte molecole sono così lente da iniziare a
sentire le forze di attrazione delle molecole vicine. Quando tutte le molecole si sono sistemate
in modo ordinato la solidificazione è completa.
Prof. Sante Fontana
6
Appunti di Chimica Generale
L’evaporazione è il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato vapore che può
avvenire a qualsiasi temperatura.
L’evaporazione, a temperatura costante, dell’unità di massa del liquido richiede una
determinata quantità di calore, definito calore latente di vaporizzazione. Alcune molecole di
liquido vicine alla superficie si muovono con velocità sufficiente da fuoriuscire dal liquido e
diventare vapore. Se l’evaporazione avviene in ambiente chiuso a temperatura costante (e la
quantità di liquido è sufficiente), il vapore occupa tutto l’ambiente fino a raggiungere la
pressione di vapor saturo, definita anche tensione di vapore. In questo caso si instaura un
equilibrio dinamico tra le due fasi, nel senso che il numero di molecole che passa allo stato
vapore è uguale a quello delle molecole che condensano. Quando invece l’evaporazione avviene
all’aperto, di solito, prosegue fino all’esaurimento della fase liquida. L’evaporazione è tanto più
rapida quanto più è ampia la superficie di evaporazione e quanto più aumenta la temperatura
del liquido, ma rimane sempre un fenomeno di superficie.
Se la temperatura raggiunge il valore per cui la pressione di Variazione della temperatura
di ebollizione dell’acqua con
vapor saturo uguaglia la pressione ambiente, l’evaporazione si
l’altitudine
trasforma in ebollizione, caratterizzata dalla formazione di
Altitudine
Temperatura
bolle di vapore all’interno del liquido. Essa avviene ad una
(m)
(°C)
temperatura costante, definita punto di ebollizione. Raggiunto
0
100,0
questo valore di temperatura, alcune molecole al di sotto della
1000
96,7
superficie del liquido acquistano energia cinetica sufficiente per
2000
93,3
vincere l’attrazione delle molecole vicine e formare bolle di
3000
89,0
vapore; poiché quest’ultimo è meno denso del liquido, le bolle
4000
86,7
salgono rapidamente in superficie dove esplodono rilasciando il
5000
84,6
vapore.
Il punto di ebollizione dipende dalla pressione esterna ed è direttamente proporzionale ad essa.
I valori del punto di ebollizione sono sempre riferiti alla pressione di 1 atm. Per portare
all’ebollizione un liquido, si può quindi elevare sufficientemente la sua temperatura o diminuire
la pressione a cui è sottoposto.
La condensazione è il fenomeno per cui una sostanza passa dallo stato di vapore allo stato
liquido. La condensazione può avvenire a qualsiasi temperatura ma, ovviamente, si verifica di
preferenza a contatto con pareti fredde alle quali il vapore può cedere il calore di cui deve
liberarsi per condensare.
Nel caso dei gas l’analogo fenomeno si chiama liquefazione ed avviene per ogni gas ad una
ben determinata temperatura e pressione. Il passaggio è favorito dalla compressione ma il gas
deve essere portato, in ogni caso, al di sotto della propria temperatura critica. La
trasformazione ha luogo con cessione di calore. Quando tutto il gas è liquefatto, un aumento di
pressione provoca una piccolissima diminuzione del volume del liquido.
La sublimazione è il passaggio diretto di una sostanza dallo stato solido allo stato gassoso
senza passare attraverso lo stato liquido. Si verifica nelle sostanze che abbiano una tensione di
vapore uguale alla pressione ambiente prima di raggiungere la temperatura di fusione. Tali
sostanze possono esistere allo stato liquido solo sotto pressione.
Quando un gas o vapore passa direttamente allo stato solido senza passare attraverso la fase
liquida, il passaggio di stato è chiamato brinamento.
Prof. Sante Fontana
7