i liquidi - Facoltà di Scienze MFN

Transcript

- I LIQUIDI
- I DIAGRAMMI DI STATO
Lo Stato Liquido
Lo stato liquido è uno stato condensato
parzialmente disordinato
ep
E’ caratterizzato
tt i
t da:
d
• punto di fusione (congelamento)
• punto di ebollizione
G. Micera - Chimica Generale ed Inorganica
Stato solido
Stato liquido
Stato gassoso
Forma
fissa
variabile: la stessa del
contenitore
contenitore
Volume
costante
costante
contenitore
Movimento
delle
particelle
vibrano attorno a
posizioni fisse
le particelle si muovono, ma
interagiscono tra di loro
ogni particella si muove
indipendentemente
dalle altre
Cambiamenti di fase
Curve di riscaldamento
Te
empe
eraturra (°C
C)
Acqua vapore
Acqua liquida e acqua vapore
(vaporizzazione)
Acqua
q
liquida
q
Ghiaccio e acqua liquida (fusione)
Ghiaccio
Calore fornito
Lo Stato Liquido
Si ha q
quando l’energia
g dovuta alle forze
intermolecolari è dello stesso ordine di grandezza
g cinetica media delle p
particelle
della energia
le forze sono fluttuanti, ma
le attrazioni permangono
G.Micera - Chimica Generale ed Inorganica
Liquidi
Li idi
à sono dovute alla
Molte delle proprietà
attrazione interna delle particelle
o
o
o
o
o
o
o
o
isotropia
volatilità
viscosità
mobilità
tensione superficiale
tensione di vapore
capacità
ità di bagnare
b
una superficie
fi i
azione capillare
G, Micera - Chimica Generale ed Inorganica
Proprietà dei Liquidi

Viscosità
La viscosità è la resistenza di un liquido allo scorrimento (una specie di attrito interno).
Un liquido scorre facendo muovere strati di molecole gli uni rispetto agli altri.
altri
Più intense sono le forze intermolecolari, più alta è
la viscosità.
iscosità
Viscosità
Vi
ità

E’ la resistenza allo scorrimento.
Forze intermolecolari
F
i t
l
l i più
iù intense
i t
rendono i liquidi più viscosi.
Le molecole possono aggrovigliarsi e
offrire maggiore resistenza.
Il cicloesano
i l
è meno viscoso
i
d ll’
dell’esano poiché ha forma meno allungata.
p
Tensione Superficiale
Le molecole superficiali
sono attirate solo verso
l’interno
superficie
Le molecole interne
sono attirate in tutte le
direzioni

L’area
L
area superficiale tende ad essere minima
Tensione Superficiale
Il maggior numero possibile di molecole
tende a disporsi all’interno: le gocce hanno
forma sferica.
La forma sferica massimizza il
numero di interazioni e rende
minima l’energia!
tensione superficiale
è l’energia
e e g a richiesta
c esta pe
per au
aumentare
e ta e
l’area superficiale di un liquido
Oltre che a forze interne il liquido è
soggetto a forze esterne

Forze coesive: legano le molecole del liquido fra
di loro.

Forze adesive: legano le molecole del liquido ad
altre sostanze,
sostanze ad esempio una superficie.
superficie
Menisco: è la forma della superficie liquida.
liquida
se le forze adesive superano quelle coei
l superficie
fi i è a U o concava: le
l molel
sive,
la
cole del liquido sono più attratte dal contenitore
it
che
h dalle
d ll molecole
l
l simili,
i ili es. l’acqua
l’
nel vetro.
se le forze coesive superano quelle adesive, la superficie è convessa (es. mercurio e
vetro).
t )
Menisco
ρ = densità
menisco concavo
(acqua + vetro)
Fadesione > Fcoesione
menisco convesso
(mercurio + vetro)
r = raggio capillare
Fcoesione > Fadesione
capillare
La Capillarità
In tubi di sezione molto piccola, detti
vasi capillari, non vale il principio dei
vasi comunicanti: si ha l'innalzamento
o la depressione del livello del liquido
che dipendono dal tipo di liquido
(e sono inversamente ρproporzionali
= densità
al raggio del tubo).
g = gravità
r = raggio capillare
Tubo
capillare
in
nnalzam
mento
La Capillarità
• l'elevata intensità delle forze di adesione del liquido con le pareti del
capillare porta il livello sopra il pelo libero dell'acqua .
p
g
q
• la capacità
delle carte assorbenti di raccogliere
acqua
è dovuta al fenomeno della capillarità.
Azione
Capillare
A i
C ill
Il vetro è polare e attrae fortemente le molecole d’acqua.
Le forze intermolecolari adesive prevalgono su
quelle coesive.
L’acqua sale spontaneamente in un tubo capillare di vetro finché la forza verso ll'alto
alto dovuta
alla tensione superficiale non sarà equilibrata
dal peso del liquido.
L evaporazione
L’evaporazione
L’evaporazione è un fenomeno che interessa solo
la superficie del liquido, le particelle con energia
cinetica sufficiente possono vincere le forze di
g
alle altre p
particelle e
attrazione che le legano
diventare vapore.
L’evaporazione
L’e apora ione
Le particelle di superficie devono vincere forze di attrazione di
all’interno
liquido
minore entità rispetto a quelle presenti all
interno del liquido.
L evaporazione è favorita dall
L’evaporazione
dall’aumento
aumento della superficie del liqui
liquido, dalla ventilazione, dall’incremento della temperatura. La velocità con cui il liquido evapora è diversa da liquido a liquido. Se il
recipiente è aperto il liquido si raffredda e cala di livello.
Equilibrio liquido-vapore
In un recipiente chiuso le molecole possono sia
sfuggire dalla superficie del liquido verso il vapore che ricondensare dal vapore verso la superficie del liquido.
La tensione di vapore di un liquido è la pressione
esercitata dal suo vapore quando le due fasi si
trovano in equilibrio dinamico.
Equilibrio
E ilib i Dinamico
Di
i
velocità di evaporazione =
velocità di condensazione
La composizione macroscopica del sistema
rimane costante nel tempo
p ((equilibrio).
q
)
Le molecole cambiano fase continuamente
(dinamico).
(dinamico)

Vapore
frazione
e di mole
ecole
Evaporazione
Eevap.
L’area grigia è
proporzionale al
numero di
particelle con
energia
maggiore
gg
di Eevap
energia delle molecole
Liquido
L’evaporazione è un
fenomeno che avviene sulla
superficie di un liquido.
Eevap = minima energia di
f
fuga
A temperatura
maggiore della
precedente
frazione
e di mole
ecole
Evaporazione
Eevap.
L’area grigia è
proporzionale al
numero di
particelle con
energia
maggiore di Eevap
energia delle molecole
• All’aumentare della temperatura l’energia media delle molecole di liquido aumenta, mentre l’energia minima di fuga
rimane costante.
costante
• Perciò, aumenta il numero di molecole che passano in fase vapore.
Tensione
di Vapore
T
i
V

E’ la pressione del vapore sul liquido all’equilibrio.
Non dipende
p
nè dalla massa del liquido
q
nè dal
volume del recipente
Liquidi con elevata tensione di vapore evaporano
facilmente e sono detti volatili.
Diminuisce
Di
i i
all’aumentare
ll’
t
d ll’i t
dell’intensità
ità delle
d ll forze
f
intermolecolari, ossia con
• molecole più grandi (forze di London)
• molecole più polari o che formano legame a idrogeno
tension
ne di vap
pore (m
mm Hg)
Tensione di Vapore e Temperatura
p = 760 mm Hg
a 100 °C
Etere
etilico
Etanolo
Acqua
Glicole
etilenico
Aumenta all’aumentare della temperatura
Ebollizione
L’ebollizione interessa l’intera massa del liquido:
è un fenomeno massivo.
pressione esterna
bolla di
vapore
L ebollizione si ha quando la tensione di vapore uguaglia
L’ebollizione
la pressione esterna: la pressione esterna non riesce più a
schiacciare le bolle di vapore che si originano nel liquido.
Ebollizione
Pentola a pressione
(pressione maggiore di
1 atmosfera)
Cima del Monte Everest
(pressione minore di 1
t
f )
atmosfera)
L’acqua bolle a
temperature superiori a
100°C
L’acqua
q bolle a 71oC
I cibi cuociono p
prima
I cibi cuociono più
lentamente
Gas
Liquido
Se un punto (P, T) si trova
sulla curva si ha equilibrio tra
liquido
q
e vapore
p
(ebollizione o condensazione)
P
(tensione
e di vap
pore)
T = cost.
acqua
liquido
vapore
t ((°C)
C)
Al di sopra della curva si ha
solo liquido, al di sotto solo
vapore
Diagramma di Stato (o di Fase)

E’ un grafico della pressione in funzione della
temperatura per un sistema chiuso che descrive
le condizioni di esistenza delle fasi.
Le linee indicano un equilibrio tra due fasi (passaggio di stato).
In un solo punto (per una sola coppia di valori di
pressione e di temperatura) coesistono in equilibrio tutte e tre le fasi solida, liquida e vapore
(punto triplo).
Diagrammi di Stato
P
H2O
(mm Hg)
L
760
S
4.6
punto triplo
0
0 01
0.01
G
100 t ((°C)
C)
H2O
Liquido
Solido
fusione
ebollizione
100°C
condensazione
solidificazione
P
Pressi
one
1 Atm
0°C
0
C
ebollizione
punto triplo
condensazione
sublimazione
Gas (Vapore)
brinamento
Temperatura
Diagrammi di Stato
P
(atm)
CO2
L
S
5.11
1
-78.5
punto triplo
- 56.7
Se la
S
l CO2 solida
lid è
scaldata a pressione
minore di 5,11 atm (ad
es pressione
es.
atmosferica), non si
incontra la curva di
fusione: il solido sublima
senza prima fondere.
G
t (°C)
pre
essione ((atm)
Diagramma di stato di CO2
Se la CO2 solida è
scaldata a pressione
maggiore di 5
5,11
11 atm,
atm si
incontra prima la curva di
fusione e poi quella di
evaporazione: il solido
prima fonde e poi
evapora.
SOLIDO
LIQUIDO
10,0 atm
GAS
5,11 atm
-56,7
56 7°C
C
temperatura (°C)
Temperatura e Pressione Critiche

I gas si possono liquefare per aumento della
pressione.
Temperatura critica: la temperatura al di sopra
della quale non è possibile liquefare un g
gas per
aumento della pressione (la massima temperatura alla quale può esistere il liquido).
)
Pressione critica: la pressione richiesta per la liquefazione alla temperatura critica.
FSC
fluido supercritico
pre
ession
ne
H2O
FSC
punto critico
218 atm
374°C
Solido
fusione
Liquido
liquefa
fusione
punto triplo
Vapore
sublimazione
temperatura
non
liquefa
Gas
• Un gas al di sopra della sua pressione critica è
definito fluido supercritico
• Essendo un gas molto denso può essere usato
come solvente di liquidi e di solidi.
• Ad esempio ll’anidride
anidride carbonica supercritica è
usata per estrarre la caffeina dal caffè senza
asc a e ttracce
acce d
di so
solventi
e t nocivi
oc
nel
e ca
caffè
è stesso
lasciare
presssione (atm)
CO2
-
-
temperat
temperatura
((°C)
C)
ura
Diagrammi di stato

Acqua:
•
•
•
•
•

La pendenza della linea di fusione è dovuta al fatto che il
ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida.
Il punto triplo si ha a 0.0098°C e 4.58 mmHg.
Il punto di fusione (congelamento) normale è 0°C.
Il punto di ebollizione normale è 100°C.
Il punto critico è 374°C e 218 atm.
atm
Anidride carbonica:
Il punto triplo si ha a -58°C e 5.1 atm.
• Il p
punto di sublimazione normale è -78.5°C;;
(a 1 atm la CO2 solida sublima senza fondere).
• Il punto critico è 31.1°C e 73 atm.
•
Parametri critici
non possono
essere liquefatti
a temperatura
ambiente
Tcritica (°C)
Pcritica (atm)
H2
-240
12,8
N2
-147
33,5
O2
-118
50,1
CH4
-83
45,4
CO2
31 1
31,1
72 9
72,9
NH3
132
111,3
C6H6
289
49
H2O
374
218,3
La temperatura critica è legata all’intensità delle forze intermolecolari.
Terminologia
F
Fase:
porzione
i
di materia
i omogenea in
i tutte le
l
sue parti (un solo stato di aggregazione)
d li it t da
delimitata
d superfici
fi i limite
li it di separazioi
ne.
Si t
Sistema:
porzione
i
di materia
t i contenente
t
t una o più
iù
sostanze sotto forma di una o più fasi.
Varianza
numero di gradi di libertà o variabili indipendenti alle
quali possiamo assegnare valori arbitrari per avere
un certo numero di fasi
v=c-f+2
v = varianza
c = numero di componenti
f = numero di fasi
In un sistema ad un solo componente (ad es. acqua pura) c = 1
• per una sola fase v = 2 (si possono variare, entro certi limiti, sia
pressione che temperatura)
• per due fasi v = 1 (si può assegnare solo una variabile, o la pressione o la temperatura, l’altra è determinata univocamente)
• per avere tre fasi v = 0 (non si ha alcuna libertà di scelta)