I gas, i liquidi e i solidi CAPITOLO I gas, i liquidi e i solidi 15 Indice 1. La teoria cinetica-molecolare 2. La pressione dei gas 3. Legge di Boyle: relazione tra pressione e volume 4. Legge di Charles: relazione tra temperatura e volume 5. Equazione di un gas ideale 6. Relazione tra temperatura e pressione 7. Legge di Dalton delle pressioni parziali 8. Diffusione dei gas: legge di Graham 9. Lo stato liquido 10. Lo stato solido

La teoria cinetica-molecolare 1 La teoria cinetica-molecolare I gas hanno molte proprietà in comune che, secondo la teoria cinetica-molecolare, possono essere così espresse: Movimento rapido e disordinato delle molecole di un gas. a. Le particelle dei gas sono in costante, rapido, disordinato movimento. Quindi possiedono energia cinetica che è energia di movimento.

La teoria cinetica-molecolare 1 La teoria cinetica-molecolare b. I gas consistono di particelle di diametro molto piccolo, per cui si trovano a notevole distanza tra di loro. c. Le forze attrattive tra le particelle dei gas sono trascurabili. d. Le collisioni, tra le particelle di un gas, e tra le particelle e le pareti del contenitore, sono di tipo elastico.

F P =  S 1 bar = 1  105 Pa = 1  102 kPa 2 La pressione dei gas La pressione di un gas è il risultato delle collisioni che le molecole esercitano sulle pareti del contenitore in cui si trovano confinate. La pressione (P) è definita come la forza (F) esercitata su un’unità di superficie (S). F P =  S Nel SI l’unità di pressione è il pascal (Pa). L’unità più adoperata è il kilopascal (kPa). Nell’industria si utilizza come unità di pressione il bar, che equivale a: 1 bar = 1  105 Pa = 1  102 kPa

Legge di Boyle: relazione tra pressione e volume 3 Legge di Boyle: relazione tra pressione e volume La legge di Boyle serve a studiare come si modifica il volume di un gas al variare della pressione mantenendo la temperatura costante: “a temperatura costante, la pressione di una data quantità di gas è inversamente proporzionale al suo volume”. Se il volume di un gas si dimezza la pressione raddoppia. 1 P = k  da cui P  V = k (costante) V

Legge di Boyle: relazione tra pressione e volume 3 Legge di Boyle: relazione tra pressione e volume Pressione, P (bar) 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Volume, V (L) 10 6,67 5,0 3,33 2,86 P x V, (bar x L) Misure sperimentali di pressione e volume di un gas relative alla legge di Boyle.

Legge di Charles: relazione tra temperatura e volume 4 Legge di Charles: relazione tra temperatura e volume La legge di Charles si può così esprimere: “ i volumi dei gas, a pressione costante, sono proporzionali alla loro temperatura assoluta”. Ad un aumento della temperatura corrisponde un aumento del volume del gas. Se la temperatura assoluta raddoppia, il volume del gas diventa doppio.

Legge di Charles: relazione tra temperatura e volume 4 Legge di Charles: relazione tra temperatura e volume V V = k  T da cui si ricava  = k T Se si riportano i valori della Tabella in un grafico si ottiene una retta che, estrapolata, incontra l’asse della temperatura a 0 K, a cui corrisponde volume zero. Il grafico illustra la relazione di proporzionalità diretta tra il volume e la temperatura in kelvin di un gas, a pressione costante. Quando la temperatura in kelvin raddoppia, il volume raddoppia. V (ml) 18,2 20,0 23,0 24,9 T (K) 273 300 345 373 Valori sperimentali di temperatura (in kelvin) e di volume (in mL) di un gas.

Equazione di un gas ideale 5 Equazione di un gas ideale Le tre leggi dei gas (Avogadro, Boyle e Charles) permettono di ricavare l’equazione di un gas ideale: P  V = n  R  T  dove n = numero di moli del gas , R = costante di un gas ideale e T = temperatura assoluta.

Relazione tra temperatura e pressione 6 Relazione tra temperatura e pressione La relazione di proporzionalità diretta tra la pressione di un gas e la sua temperatura è nota come legge di Gay-Lussac, ed è rappresentata dalla seguente relazione matematica: P = k  T (V = costante)

Legge di Dalton delle pressioni parziali 7 Legge di Dalton delle pressioni parziali La pressione esercitata da ciascun componente di una miscela gassosa è chiamata pressione parziale di quel componente. La legge di Dalton delle pressioni parziali afferma che: “ la pressione totale (Ptotale) di una miscela di gas è la somma delle pressioni parziali dei vari componenti”. Ptotale = PA + PB + PC …… se i componenti della miscela sono A, B, C, …..

Diffusione dei gas: legge di Graham 8 Diffusione dei gas: legge di Graham “La velocità di diffusione di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa molecolare”. Le velocità di diffusione di due gas, se MMA è la massa molecolare del gas A e MMB la massa molecolare del gas B, possono essere confrontate con il seguente rapporto: velocità di diffusione di A  MMB  =  velocità di diffusione di B  MMA   Il gas con massa molecolare minore è quello che diffonde più velocemente.

9 Lo stato liquido A differenza dei gas, le molecole che costituiscono i liquidi sono soggette a forze attrattive che ne impediscono il libero movimento, ma possiedono energia sufficiente per poter scorrere le une sulle altre. Alcune delle proprietà più significative dei liquidi sono:  Reticolo cristallino del ghiaccio. Densità: i liquidi presentano una densità inferiore a quella dei solidi. L’acqua mostra un comportamento anomalo rispetto agli altri liquidi.

9 Lo stato liquido La tensione superficiale fa assumere all’acqua una forma sferica. Tensione superficiale: i liquidi tendono a formare gocce di forma sferica.

9 Lo stato liquido Cromatografia ascendente su carta. Azione capillare: permette ad un liquido di sollevarsi lungo le pareti di un tubo capillare; è uno dei fattori che consente alle piante di sottrarre l’acqua al terreno.

9 Lo stato liquido Diffusione dei liquidi: è la proprietà per cui due liquidi miscibili, messi a contatto, assumono una distribuzione uniforme. a. Nel becher contenente acqua viene introdotta una goccia di colorante. b. La goccia si diffonde nel liquido. c. Al termine dell’esperimento il colorante si è completamente diffuso formando una miscela omogenea.

9 Lo stato liquido Evaporazione ed ebollizione: il passaggio delle molecole di un liquido allo stato di vapore è detto evaporazione se interessa lo strato superficiale; se la temperatura aumenta il liquido entra in ebollizione. Molecole in fase gassosa e liquida. Le molecole del liquido che hanno sufficiente energia cinetica vincono le forze intermolecolari e passano nello stato di vapore. In un recipiente aperto, un liquido bolle quando la sua pressione di vapore è uguale alla pressione atmosferica.

10 Lo stato solido Nello stato solido le particelle (molecole, atomi o ioni), a causa delle notevoli forze attrattive e repulsive che esercitano, sono costrette a rimanere localizzate in una posizione spaziale ben definita: la struttura cristallina. Minerale di calcite, CaCO3. I solidi, come il vetro e lo zolfo, che non presentano una struttura cristallina ordinata, vengono classificati come solidi amorfi. Rappresentazione grafica di un reticolo cristallino. faccia vertice spigolo cella elementare La struttura cristallina, propria dei cristalli, prende il nome di reticolo cristallino, caratterizzato dalla presenza di una unità minima detta cella elementare.

10 Lo stato solido Le strutture più comuni dei metalli sono così rappresentate: Cella cubica a corpo centrato Cella cubica a FACCE CENTRATE CELLA ESAGONALE COMPATTA Ci sono sostanze che, cristallizzando in condizioni differenti, possono assumere strutture diverse del reticolo cristallino: questo fenomeno prende il nome di polimorfismo.

10 Lo stato solido Se un elemento si presenta, invece, in più forme cristalline, si parla di allotropia. DIAMANTE GRAFITE FULLERENE