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I passaggi di stato Atomi e molecole La parte più piccola della materia è l’atomo che si misura in nanometri. L’indagine scientifica sulla struttura.

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Presentazione sul tema: "I passaggi di stato Atomi e molecole La parte più piccola della materia è l’atomo che si misura in nanometri. L’indagine scientifica sulla struttura."— Transcript della presentazione:

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2 I passaggi di stato

3 Atomi e molecole La parte più piccola della materia è l’atomo che si misura in nanometri. L’indagine scientifica sulla struttura della materia iniziò verso la fine del XVIII secolo con la nascita della chimica,basata sulla legge di conservazione della massa postulata da Lavoisier:”nulla si crea, nulla si distrugge,tutto si trasforma”.Il primo a parlare di atomi fu il filosofo greco Democrito che lo considerò come una particella indivisibile da άτομο. All’inizio del XIX secolo il chimico inglese John Dalton diede rilevanza scientifica alla teoria atomica di Democrito: le sostanze cambiano la loro struttura a seconda delle diverse combinazioni di atomi e così potevano essere spiegati moltissimi esperimenti che oggi chiamiamo reazioni chimiche. Le diverse combinazioni di atomi danno origine a molecole. Le particelle posseggono energia cinetica e per questo hanno un moto incessante chiamato agitazione termica. Mentre l’agitazione termica tende a farle allontanare,le forze attrattive (coesione)le legano tra loro per formare i corpi materiali. In base all’intensità delle interazioni e alla disposizione delle particelle nello spazio abbiamo diverse caratteristiche macroscopiche che ne definiscono il cosiddetto stato di aggregazione.

4 Gli stati di aggregazione della materia Parliamo di stato di aggregazione per indicare il modo di presentarsi della materia, caratterizzato da determinate caratteristiche fisiche i tre stati della materia sono: Solido:hanno un volume e una forma definiti Liquidi:hanno un volume definito ma una forma variabile Aeriformi: non hanno ne una forma ne volume definiti

5 Solidi Nei solidi sono molte intense le interazioni di tipo attrattivo fra atomi o molecole, ciascuna particella può spostarsi di poco e quindi assumere una posizione di equilibrio stabile. I soldi hanno una struttura cristallina, con determinate proprietà di simmetria. Tuttavia,possono essere considerate solide anche molte sostanze amorfe, cioè nelle quali le particelle non hanno una distribuzione ordinata nello spazio, senza una particolare simmetria. L iquidi Nei liquidi le interazioni molecolari sono meno intense e consentono un movimento più libero per cui le molecole non occupano posizioni fisse ma rimangono vicine fra loro. Quindi i liquidi non hanno una forma definita Aeriformi Negli aeriformi le interazioni sono talmente deboli che le particelle possono muoversi con grande liberta, tendendo ad occupare tutto il volume a loro disposizione.In base alla temperatura un aeriforme si distingue in vapore o gas.

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7 I passaggi di stato I passaggi di stato dipendono dalla pressione e dalla temperatura. La materia passa da uno stato ad un altro, effettuando una transizione, cioè un netto cambiamento di alcune proprietà della materia. Nei passaggi di stato è coinvolta energia. I passaggi di stato sono: Fusione (il passaggio da solido a liquido) Solidificazione (il passaggio da liquido a solido) Vaporizzazione (il passaggio da liquido ad aeriforme) Condensazione o liquefazione ( il passaggio da aeriforme a liquido) Sublimazione (il passaggio da solido a aeriforme) Brinamento (il passaggio da aeriforme a solido)

8 La fusione Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido è detto fusione e,fissata la pressione,si svolge sempre alla stessa temperatura di fusione che resta costante durante tutto il processo. Preleviamo un blocco di ghiaccio da un congelatore alla temperatura di 18° e immergiamolo in una vasca piena d’acqua a 20°C. A pressione costante si misura la temperatura istante per istante. Lentamente il blocco di ghiaccio si riscalda,raggiungendo la temperatura di equilibrio, e si fonde. Durante il processo non c’è variazione di temperatura,ma il sistema continua a ricevere energia dall’ambiente che viene utilizzata per indebolire la coesione tra le molecole e trasformare il solido in liquido. Tale energia è chiamata calore latente di fusione,cioè un calore nascosto nella materia che nonne provoca riscaldamento. Il calore latente di fusione λf di una sostanza è equivalente alla quantità di energia necessaria a fondere completamente un kg di tale sostanza. L’unità di misura del calore latente di fusione è il joule su kilogrammo (J/Kg). Quindi l’energia necessaria per fondere una massa m di tale sostanza è uguale a : ∆E=λfm

9 La solidificazione Il processo inverso a quello descritto è chiamato solidificazione, per solidificare la materia bisogna sottrarle energia fino alla temperatura di solidificazione uguale alla temperatura di fusione e continuare a sottrarre energia a temperatura costante, fino a che la sostanza tutta la sostanza non si è solidificata. Il passaggio dallo stato liquido allo stato solido è detto solidificazione e, fissata la pressione, si svolge sempre alla stessa temperatura di solidificazione, che resta costante durante tutto il processo. Durante questo fenomeno la sostanza perde energia cedendola all’ambiente: la configurazione in cui le molecole sono, costrette dalla reciproche interazioni a mantenersi intorno a posizioni fisse, corrisponde dunque a una situazione a cui è associata un’energia interna minore. La differenza è proprio uguale in quantità all’energia necessaria a indebolire la coesione, per cui: λs=-λf Quindi: ∆Es=-λfm massa calore latente di fusione energia scambiata

10 Vaporizzazione A pressione costante esiste un valore della temperatura per il quale la coesione tra le particelle microscopiche è soggetta a un brusco cambiamento. Tuttavia, una sostanza coesiste negli stati liquido e di vapore anche al di sotto di tale valore. Le particelle dei liquidi hanno una certa libertà di movimento e può capitare che nel loro perpetuo agitarsi, entrino in collisione. Gli urti sono responsabili di trasferimenti di energia. Se una certa particella di liquido si trova vicino ad un aeriforme con un’energia cinetica sufficientemente elevata, può vincere la coesione ed effettuare la transizione anche se le altre sono più lente, la vaporizzazione è detta evaporazione: il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme che avviene a qualsiasi temperatura, non necessariamente costante.

11 L’evaporazione e il vapore saturo Immaginiamo un liquido in un contenitore sigillato. Durante l’evaporazione alcune molecole cominciano a muoversi nello spazio libero. All’inizio pochissime di queste sono soggette a urti e perdita d’energia così il liquido evapora rapidamente. A un certo punto l’evaporazione rallenta perché lo spazio comincia a riempirsi di molecole che si urtano più frequentemente, per cui molte di esse ritornano allo stato liquido. Questa situazione è il cosiddetto equilibrio dinamico nel quale il numero di particelle che compie un passaggio è uguale al numero di particelle che compie il passaggio opposto nello stesso ∆t. Sembra che l’evaporazione si sia arrestata:il volume del liquido e la pressione del vapore sono costanti. In tale situazione il vapore è saturo,cioè non è più in grado di ricevere molecole senza restituirne in ugual misura al liquido. La pressione è detta pressione di vapore saturo. La pressione di vapore saturo a una data temperatura,è la pressione che si misura in un aeriforme che si trova in equilibrio dinamico con il liquido.

12 Ebollizione Consideriamo un liquido in un contenitore aperto a contatto con l’aria. Quando la temperatura è tale che tutte le particelle hanno energia sufficiente a superare la coesione si verifica l’ebollizione, cioè il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme a temperatura fissata e costante. Nel processo è coinvolto tutto il volume del liquido. Quindi: l’ebollizione è il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme che si svolge alla temperatura di ebollizione in cui la pressione di vapore saturo uguaglia la pressione esterna. Quando la pressione esterna cambia, la temperatura di ebollizione cambia in modo molto evidente.

13 Condensazione Per condensare un vapore ci sono due modi: 1.Si può comprimere a temperatura costante: La pressione che aumenta non può superare il valore della pressione del vapore saturo, quindi parte del vapore diventa liquido in modo che ciò non accada. 2. Si può raffreddare a pressione costante: La pressione del vapore saturo deve diminuire, quindi parte del vapore diventa liquido. Gas e vapori Non tutte le sostanze gassose condensano all’aumentare della pressione. Per ogni sostanza esiste una temperatura critica, al di sopra della quale è impossibile farla condensare per mezzo di una compressione. L’esistenza della temperatura critica permette di distinguere un gas da un vapore. Un vapore è una sostanza aeriforme che si trova al di sotto della sua temperatura critica e, quindi, può condensare se sottoposta ad una compressione. Un gas è una sostanza aeriforme che si trova al di sopra della sua temperatura critica e, quindi, non può condensare se sottoposta a una compressione.

14 Il calore latente di vaporizzazione Anche i passaggi tra stato liquido e stato aeriforme coinvolgono quantità di energia: durante la vaporizzazione essa è sottratta all’ambiente e assorbita dalla sostanza, durante la condensazione è rilasciata nell’ambiente a spese della sostanza. Lo stato liquido ha un’energia inferiore a quella dello stato aeriforme e la loro differenza è proprio uguale all’energia coinvolta nel cambiamento di stato. Il calore latente di vaporizzazione λv di una sostanza è equivalente alla quantità di energia necessaria a far passare dallo stato liquido allo stato aeriforme 1Kg di tale sostanza,a temperatura costante. Durante la vaporizzazione un corpo di massa m assorbe dall’ambiente una quantità di energia pari a ∆E= λvm Durante la condensazione un corpo di massa rilascia nell’ambiente una quantità d’energia pari a: ∆Ec= - λvm

15 Sublimazione e brinamento In particolari condizioni di pressione e temperatura una sostanza può passare direttamente dallo stato solido a quello aeriforme e viceversa. Le sostanze che hanno una tendenza più spiccata a sublimare, hanno un odore forte. La sublimazione avviene a qualsiasi temperatura, perché può accadere che una particella vicino alla superficie del solido abbia energia sufficiente per passare allo stato aeriforme. Solo per alcune sostanze la sublimazione è tanto rilevante da ridurre in modo evidente il volume, il processo inverso è detto di brinamento, ossia quando un aeriforme passa direttamente allo stato solido. Quando la pressione è inferiore a un certo valore la sublimazione e il brinamento avvengono a temperatura fissata e costante.

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17 La dipendenza dalla pressione Nei passaggi di stato fin ora considerati, abbiamo immaginato di mantenere costante la pressione e di far variare la temperatura. Abbiamo osservato che la pressione di vapore saturo non può superare la pressione esterna. Immaginando di mantenere costante la temperatura è possibile far passare una sostanza da uno stato all’altro aumentando o diminuendo la pressione. Nell’esperienza di tutti i giorni non è semplice rendersene conto perché viviamo in un’atmosfera a pressione costante. Per osservare il comportamento della materia in altre condizioni dobbiamo costruire un diagramma di fase che può essere detto diagramma di stato in quanto vi sono rappresentati gli stati solido, liquido e aeriforme di una sostanza al variare della pressione e della temperatura assoluta. Ogni punto del diagramma rappresenta una coppia di valori, quello della pressione e quello della temperatura. I valori nei punti che costituiscono le linee rosse sono quelli per i quali i due stati adiacenti coesistono all’equilibrio: si parla dunque di linee dei passaggi di stato. Tali linee si incontrano a loro volta in un punto nel quale coesistono tutti e tre gli stati della materia: il punto triplo. Il punto critico è invece quello che delimita l’esistenza dello stato liquido: per temperature superiori alla temperatura critica, la sostanza è un gas,per temperature inferiori è un vapore.

18 Passaggi di stato a pressione costante Quando facciamo variare la temperatura a pressione costante, ci muoviamo sul diagramma lungo una retta orizzontale che può intersecare le linee dei passaggi di stato. Per esempio, nel diagramma di stato dell’acqua la pressione atmosferica è rappresentata da una retta orizzontale che interseca le linee di diagramma in corrispondenza dei valori di temperatura di fusione e di ebollizione. Se cambia il valore della pressione, la retta scorre lungo la verticale intersecando le linee dei passaggi di stato in punti diversi. Passaggi di stato a temperatura costante Se facciamo aumentare o diminuire la pressione a temperatura costante, sul diagramma ci muoviamo lungo rette parallele all’asse p. Supponiamo che la temperatura sia inferiore a quella del punto triplo, per cui il passaggio avviene tra vapore e solido. Aumentando la pressione a un certo punto il vapore inizia a brinare. La pressione resta costante fino a che tutto il vapore non è diventato solido. Se la temperatura è superiore a quella del punto triplo, il passaggio avviene tra aeriforme e liquido. Fino a quando il vapore non diventa completamente liquido, la pressione resta costante. In generale quindi durante un passaggio di stato la pressione e la temperatura restano costanti.

19 Un’anomalia dell’acqua Il diagramma di stato dell’acqua rivela un’anomalia del comportamento dell’acqua:la pendenza della linea del passaggio tra stato solido e liquido ha la pendenza invertita rispetto alle altre. A differenza delle altre sostanze, il ghiaccio può essere liquefatto comprimendolo. Se amplifichiamo la pendenza della linea solido-liquido, vediamo che, fissando una temperatura inferiore a 0°C, un aumento della pressione causa a un certo punto il passaggio allo stato liquido. La trasformazione è quella individuata dalla retta c nel diagramma.

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