GLI STATI FISICI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE GLI STATI FISICI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA Oltre a poter essere classificata in base alla sua composizione chimica, la materia può anche essere classificata in base allo stato fisico con cui essa si presenta. I tre stati fisici possibili sono: - solido - liquido - aeriforme o gassoso acqua solida (ghiaccio) acqua liquido vapore acqueo Ad es. tutti abbiamo avuto esperienza nella vita comune del fatto che l’acqua possa esistere nei tre stati fisici, senza mai cambiare la sua natura di composto chimico (ad es. posso bere l’acqua liquida che si forma per fusione del ghiaccio o quella che si forma per condensazione del vapore)

GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA da un punto di vista microscopico e macroscopico Stato gassoso(o aeriforme) Le particelle che lo compongono sono distanti fra di loro e sono in perenne movimento. Da un punto di vista macroscopico, i gas non hanno né forma né volume proprio. Stato liquido Le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ma non occupano posizioni reciproche fisse. Da un punto di vista macroscopico, i liquidi hanno un volume proprio, ma non hanno una forma propria (assumono quella del recipiente in cui si trovano). Stato solido Le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ed occupano posizioni reciproche fisse. Da un punto di vista macroscopico, i solidi hanno volume e forma propri.

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE I GAS iniziamo da … Le sostanze allo stato gassoso sono quelle che forse sfuggono di più alla nostra percezione nella vita quotidiana, eppure ne facciamo un uso molto esteso: ad esempio il gas metano è utilizzato nelle caldaie/cucine di molte abitazioni; l’aria è una miscela di gas, essenzialmente azoto (circa 80%) e ossigeno (circa 20%); il cloro viene usato come disinfettante. Sebbene il comportamento chimico di ciascun gas dipenda dalla sua natura chimica, tutti i gas hanno un comportamento fisico comune I GAS visti ‘da vicino’: le particelle che costituiscono la materia allo stato gassoso possiedono una energia cinetica che prevale sulle forze di reciproca attrazione. I gas non hanno perciò né forma né volume proprio. Le particelle tengono a occupare tutto lo spazio disponibile (per esempio quello di un recipiente chiuso) urtandosi continuamente fra di loro e contro le pareti del recipiente che le contiene.

Una miscela gassosa molto importante: l’aria Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Una miscela gassosa molto importante: l’aria

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Variabili di stato: sono le grandezze che definiscono lo stato fisico e sono il volume (V), la temperatura (T) e la pressione (P) VOLUME: spazio occupato da una porzione di materia. Nel caso di liquidi e solidi è pari circa alla somma dei volumi occupati dai singoli atomi/molecole  unità di misura: m3=1000 dm3(l)=1000000 cm3 ml TEMPERATURA: una definizione rigorosa della temperatura è piuttosto complessa; in questo contesto diciamo che è una ‘misura del livello del calore’ di una certa porzione di materia; a livello microscopico la temperatura è associata all’energia cinetica (energia associata al moto) degli atomi e delle molecole  unità di misura: gradi assoluti e gradi centigradi T (gradi Kelvin) = t (gradi centigradi) + 273 PRESSIONE: per definizione, la pressione è la forza che agisce per unità di superficie; a livello microscopico diciamo che la pressione è il risultato degli urti delle particelle con le pareti.  unità di misura: pascal, bar (mbar), atmosfere 1 atm = 1,013 bar = 101300 Pa

Equazione di stato: V=f (T, P, n) Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Equazione di stato: V=f (T, P, n) L’equazione di stato esprime la relazione reciproca che esiste fra volume, temperatura, pressione (P) e numero di moli (n) – per i solidi e i liquidi è estremamente complessa e dipende dalla natura dei composti in questione – per i gas ha una espressione matematica semplice ed è unica per tutte le specie gassose

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Perché? Nei solidi e nei liquidi le particelle (atomi, molecole, ioni) sono a contatto fra di loro ed esercitano delle interazioni reciproche che sono specifiche del particolare tipo di composto. Nei gas la distanza fra le particelle è mediamente molto più grande delle loro dimensioni: il volume occupato dalle particelle è trascurabile rispetto a quello del contenitore - le interazioni reciproche sono trascurabili e le particelle si comportano indipendentemente l’una dall’altra Per specificare la condizione di un gas è sufficiente conoscere le variabili di stato che lo definiscono V, P, T i cui valori non sono dipendenti

pressione = forza esercitata su una superficie unitaria barometro Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Nel caso dei gas assume particolare importanza la funzione di stato pressione pressione = forza esercitata su una superficie unitaria barometro - la pressione atmosferica è la forza esercitata dalla colonna d’aria sovrastante una certa superficie - una colonna di mercurio alta 760 mm esercita una spinta idrostatica sulla superficie di mercurio della vaschetta pari a quella esercitata dalla pressione atmosferica pressione atmosferica 1 Pascal = 1 N / m2 1 atm = 1,013×105 Pa

Come si misura la pressione? Lo strumento che si usa è il Manometro Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Come si misura la pressione? Lo strumento che si usa è il Manometro La pressione dei gas viene misurata tramite una serie di strumenti. Il più comune di questi è il manometro. Esso è costituito da un tubo di vetro a forma di U riempito di mercurio. La parte chiusa del manomentro è stata svuotata da ogni gas affinché non vi sia del gas che possa esercitare una pressione. Dall’altra parte il manometro è collegato al recipiente contenente il gas di cui si vuole misurare la pressione. La differenza del livello di mercurio dà direttamente una indicazione della differenza di pressione.

Leggi empiriche dei gas Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Leggi empiriche dei gas Legge di Boyle PV= cost (T costante) P (atm) 1/V (litri-1) P=2 atm V=2 litri P=4 atm V=1 litro P (atm) t (C) P0C Legge di Charles Pt=P0C(1+ct) c=1/273 V (litri) t (C) V0C Legge di Gay-Lussac Vt=V0C(1+ct) c=1/273

Le leggi empiriche dei gas Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Le leggi empiriche dei gas Legge di Boyle: a temperatura costante il prodotto della pressione per il volume, P x V, è costante NB: questo significa che pressione e volume sono inversamente proporzionali (cioè se aumento la pressione diminuisce il volume, se diminuisco la pressione aumenta il volume)

Le leggi empiriche dei gas Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Le leggi empiriche dei gas Legge di Charles: a pressione costante il volume è direttamente proporzionale alla temperatura espressa in gradi Kelvin NB: questo significa che volume e temperatura (espressa in gradi Kelvin) sono direttamente proporzionali (cioè se aumento la temperatura aumenta il volume, se diminuisco la temperatura diminuisce il volume)

Le leggi empiriche dei gas Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Le leggi empiriche dei gas Legge di Gay-Lussac: a volume costante la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura espressa in gradi Kelvin P1/P2=T1/T2 pressione NB: questo significa che pressione e temperatura (espressa in gradi Kelvin) sono direttamente proporzionali (cioè se aumento la temperatura aumenta la pressione, se diminuisco la temperatura diminuisce la pressione) P2 P1 T1 T2 temperatura (kelvin)

Le leggi empiriche dei gas Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Le leggi empiriche dei gas Legge di Avogadro: a temperatura e pressione costanti, il volume è direttamente proporzionale al numero di moli di gas NB: questo significa che il volume dipende anche dalla quantità di gas che sto considerando

EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI Mettendo insieme le leggi empiriche si ha PV/T = cost. dove cost. = n R n è il numero di moli che costituiscono il campione gassoso e R è la costante universale dei gas PV = nRT Tale equazione è seguita da tutti i gas in condizioni di bassa densità e alta temperatura. La costante universale dei gas, pur essendo una costante, può assumere diversi valori numerici a seconda delle unità di misura usate: R=0,0822 l atm mol-1 K-1=8,314 J mol-1 K-1

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE VOLUME MOLARE DEI GAS Il volume occupato da una mole di gas nelle condizioni ‘normali’ definite come P=1 atm e T=273 kelvin è una costante che ricorre spesso e si chiama volume molare c.n.

TEORIA CINETICA DEI GAS Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE TEORIA CINETICA DEI GAS Si tratta di un modello proposto su scala microscopica per rendere conto delle proprietà osservate macroscopicamente: i) le molecole dei gas sono in continuo movimento caotico e sono dotate di una certa velocità ed energia cinetica; ii) le particelle sono trattate come masse puntiformi (non occupano cioè un volume proprio significativo); iii) le molecole non subiscono forze di interazione reciproca con questo semplice modello microscopico è possibile spiegare il Comportamento dei gas osservato su scala macroscopica. In particolare alcune funzioni di stato macroscopiche sono relazionate alle proprietà microscopiche delle molecole TEMPERATURA  energia cinetica delle molecole (velocità) PRESSIONE  frequenza degli urti delle melecole gassose sulle pareti del recipiente

MISCELE DI GAS: legge di Dalton Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE MISCELE DI GAS: legge di Dalton In una miscela di due gas ideali A e B la pressione esercitata da ciascun gas è uguale a quella che eserciterebbe se fosse presente da solo nel recipiente: = + Se indico con PA e PB le pressioni esercitate da A e B quando sono da soli nello stesso recipiente ho che Ptotale = PA + PB PA e PB sono dette pressioni parziali . Nota bene che e quindi

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE e similmente XA e XB sono dette frazioni molari e sono date dal rapporto fra le moli del singolo gas componente la miscela e le moli totali di gas nella miscela Inoltre valgono le relazioni La percentuale in volume di un gas in una miscela è data dalla frazione molare di quel gas moltiplicata per 100 (conseguenza diretta del fatto che il volume è direttamente proporzionale alle moli) N.B. 0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ % in volume ≤ 100

VOLUMI NELLE REAZIONI FRA GAS Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE VOLUMI NELLE REAZIONI FRA GAS Abbiamo visto come ci sia una relazione diretta fra il volume di un gas e il numero di moli (a parità di pressione e temperatura). Questo è vero per tutti i gas. Se considero una reazione chimica fra gas, anziché parlare di moli posso parlare direttamente di volumi perché c’è una relazione diretta fra volumi e moli. Una prima osservazione in questo senso fu fatta da Gay Lussac: due volumi di idrogeno reagiscono con un volume di ossigeno per dare due volumi di vapore acqueo vapore acqueo

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE vapore acqueo Amedeo Avogadro intuì la giusta spiegazione proprio assumendo che volumi uguali di gas contenessero un numero uguale di moli di gas

H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl(g) N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Il rapporto fra i coefficienti stechiometrici nell’equazione chimica bilanciata possono allora rappresentare, non solo le moli che si combinano, ma anche i volumi di gas che si combinano H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl(g) 1 mole 1 mole 2 moli 1 volume 1 volume 2 volumi N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) 1 mole 3 moli 2 moli 1 volume 3 volumi 2 volumi

C3H8(g) + 5 O2(g) = 3 CO2(g) + 4 H2O(g) Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE C3H8(g) + 5 O2(g) = 3 CO2(g) + 4 H2O(g) 1 mole 5 moli 3 moli 4 moli 1 volume 5 volumi 3 volumi 4 volumi

Applicazioni numeriche Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE Applicazioni numeriche L’equazione di stato dei gas può essere usata per determinare n, P, V e T noti i valori degli altri parametri. 1) Determinare la pressione esercitata da due moli di O2 che si trovano in un recipiente di volume pari a 20 litri e alla temperatura di 200°C. Applico l’equazione di stato dei gas (NB converti la temperatura in gradi Kelvin) P = nRT/V = 2 x 0,0822 x (273+200) / 20 = 3,88 atm 2) Determinare il numero di moli di elio contenute in un recipiente di 5 litri alla pressione di 0,5 atmosfere e alla temperatura di 20°C n = (PV) / (RT) = (0,5x5) / [0,0822 x (20+273)] = 0,10 moli 3) Due recipienti identici (uguali V, T e P) contengono il primo 0,8 grammi di elio (MA=4,00 uma) e il secondo 3,2 grammi di un gas incognito X. Di quale gas si tratta? Poiché i recipienti sono identici e sono nelle stesse condizioni, contengono lo stesso numero di moli di gas. Allora il secondo recipiente contiene nX=nHe=massa di elio/MA(He)=0,8/4=0,2 moli e quindi MM(X)=3,2/0,2=16  CH4