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I GAS, I LIQUIDI E I SOLIDI
1. LE LEGGI DEI GAS
Le regolarità osservate da Gay-Lussac nei rapporti di combinazione dei gas hanno consentito ad Avogadro di:
sviluppare la teoria atomico-molecolare
porre le basi per la determinazione dei pesi molecolari e delle masse atomiche degli elementi chimici
Questo perché:
le particelle dei gas sono molto distanti le une dalle altre
il volume occupato dalle particelle di un gas può essere considerato trascurabile rispetto al volume totale occupato dal gas
Queste circostanze hanno permesso di fare riferimento a un modello ipotetico di gas, detto gas ideale (o gas perfetto)
ha reso possibile descrivere con leggi semplici il comportamento della materia nello stato gassoso
LA LEGGE DI BOYLE
Boyle
fu il primo a studiare quantitativamente la comprimibilità dei gas
capacità di venire "contratti" in un volume informe in seguito all'applicazione di una pressione
nel 1660 pubblicò i risultati dei suoi esperimenti enunciando la legge di Boyle o isoterma:
a temperatura costante, il volume di un campione di gas varia in modo inversamente proporzionale alla sua pressione
PV = costante
RELAZIONE FRA VOLUME E TEMPERATURA: LA PRIMA LEGGE DI CHARLES E GAY-LUSSAC
Da tempo si sapeva che il volume di un gas tendeva ad aumentare all'aumentare della temperatura.
Nel 1793 si interessò a questo problema Alessandro Volta, il quale intuì che il volume dei gas aumentava linearmente rispetto all'aumentare della temperatura
Fu il fisico Charles a rilevare che il volume di gas differenti aumentava di una stessa frazione del volume occupato a 0°C
Più tardi Gay-Lussac enunciò la prima legge di Charles e Gay-Lussac o isobara:
a pressione costante, il volume di un gas varia di 1/273 del volume occupato a 0°C per ogni variazione di 1°C della sua temperatura.
Vt = VO + 1/273 VOt = VO (1 + 1/273 t)
Il valore 1/273 viene denominato coefficiente di dilatazione termica di un gas
La temperatura di -273°C rappresenta la temperatura più bassa alla quale può essere rappresentata la materia; essa non può essere sperimentalmente raggiunta e perciò viene indicata come lo zero assoluto della scala Kelvin
Poiché la temperatura del ghiaccio fondente è di 273K si può scrivere che
il volume di un gas, a pressione costante, varia proporzionalmente alla temperatura assoluta
V/T = costante
RELAZIONE FRA PRESSIONE E TEMPERATURA: LA SECONDA LEGGE DI CHARLES E GAY-LUSSAC
La seconda legge di Charles e Gay-Lussac o isocora dice che:
a volume costante, la pressione di un gas varia di 1/273 della pressione che il gas esercita a 0°C, per ogni grado centigrado di variazione della temperatura
Pt = PO + 1/273 POt
Da questa relazione si può ottenere la relazione generale:
La pressione di un gas, a volume costante, varia proporzionalmente alla temperatura assoluta
P/T = costante
L'EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI
Le leggi finora viste possono essere combinate in un'unica legge che è espressa dalla relazione:
PV/T = costante
A questo punto rammentiamo il principio di Avogadro secondo il quale il volume di una mole (o volume molare) di qualunque gas è costante (22/4L) a una data temperatura e pressione:
P/n = Vm = costante
La costante R è detta costante universale dei gas ideali e l'equazione precedente, per n moli, assume la formula, detta equazione di stato dei gas ideali:
PV = nRT
GAS IDEALI E GAS REALI
La maggior parte dei gas che abbiamo usato finora sono gas reali.
Per i gas reali le leggi prima enunciate valgono soltanto quando si opera a basse pressioni e a temperature elevate.
Soltanto i gas ideali si comportano secondo quanto previsto da queste leggi
gas formato da particelle prive di volume proprio, cioè puntiformi, tra le quali non si manifesta alcun tipo di interazione
modello in grado di rappresentare il comportamento di tutti i gas
2. I LIQUIDI
I liquidi hanno proprietà intermedie fra quelle dei solidi e quelle degli aeriformi
sono incomprimibili sono fluidi
Le particelle di un liquido:
sono in continuo movimento (gas), ma hanno minor energia cinetica e una diffusione più lenta.
possono avere natura e perciò proprietà differenti
dalla fusione di alcuni tipi di cristalli (sale da cucina) si ottiene un liquido ionico, costituito da ioni negativi e positivi
atomo con eccesso di carica elettrica
dalla fusione di cristalli molecolari si ottiene un liquido molecolare, formato da molecole
dalla fusione di un metallo si ottiene un liquido metallico, che mantiene la proprietà di condurre calore ed elettricità
EVAPORAZIONE E TENSIONE DI VAPORE
CONSTATAZIONE
L'acqua evapora velocemente quando:
la si lascia all'aria aperta
la temperatura è elevata
la sua superficie di estensione è elevata
Se mettiamo la stessa quantità di acqua in un recipiente chiuso notiamo che prima il livello diminuisce, ma che poi si ferma.
SPIEGAZIONE
Le particelle di un liquido non hanno tutte la stessa energia cinetica.
Alcune delle particelle situate vicino alla superficie libera del liquido e che hanno energia cinetica più elevata riescono a vincere la forza di coesione passando allo stato di vapore
In un recipiente aperto a poco a poco tutta l'acqua diventa vapore
In un recipiente chiuso aumenta anche la possibilità che alcune particelle si condensino
ad un certo punto si arriva alla condizione che il numero di particelle che diventano vapore nell'unità di tempo (velocità di evaporazione) è uguale al numero di particelle che ridiventano liquide nell'unità di tempo (velocità di condensazione)
si raggiunge lo stato di equilibrio dinamico
In questa situazione il vapore è saturo, ad indicare che il numero di particelle presenti nella fase aeriforme è il numero massimo compatibile con la temperatura del momento
La pressione costante che le particelle allo stato di vapore esercitano sulla superficie del liquido è detta tensione di vapore del liquido
grandezza che :
ha un valore caratteristico per ogni liquido puro
viene misurata con una canna barometrica
dipende da due fattori:
massa molecolare del liquido. Le molecole più pesanti si muovono più lentamente delle molecole più leggere
hanno minor tensione di vapore
forze intermolecolari che determinano la coesione del liquido stesso. Liquidi caratterizzati da forze intermolecolari elevate richiedono una notevole quantità di energia
la loro tensione di vapore è elevata
EBOLLIZIONE
Durante il processo di ebollizione:
Il liquido bolle quando la tensione di vapore raggiunge il valore della pressione atmosferica.
L'evaporazione ha luogo in tutta la massa del liquido
La temperatura di ebollizione:
è una caratteristica di ogni liquido e il suo valore è tanto più elevato quanto minore è la tensione di vapore del liquido
"normale" di un liquido (punto di ebollizione normale) viene definita coma la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido è esattamente uguale alla pressione normale di 1 atm
varia al variare della pressione
CALORE DI VAPORIZZAZIONE
Quando un liquido entra in ebollizione la sua temperatura rimane costante
Il calore necessario per trasformare il liquido in vapore, alla temperatura di ebollizione, prende il nome di calore di vaporizzazione e si misura in kilocalorie/mole
Quando il vapore si condensa esso cede una quantità di calore, detto calore di condensazione.
I liquidi che bollono a temperatura più alta hanno un calore di vaporizzazione più elevato.
3. LE SOLUZIONI
Si definisce soluzione una miscela omogenea in cui un componente presente in quantità più abbondante, detto solvente, contiene disciolto un soluto
Normalmente quando si parla di soluzione si intendono sistemi nello stato di aggregazione liquido, costituiti da un solvente liquido che contiene disciolti:
un solido = soluzione di solido in liquido (sale disciolto nell'acqua)
un liquido = soluzione di liquido in liquido (vino, in cui è disciolto alcool etilico nell'acqua). Un'importanza fondamentale hanno le soluzioni acquose, in cui il solvente è l'acqua.
un gas = soluzione di gas in liquido (bibita gassata)
Le soluzioni somigliano alle sostanze pure perché:
sono perfettamente omogenee
non è possibile separarle nei loro diversi costituenti con mezzi meccanici
Si distinguono dalle sostanze pure perché le loro proprietà variano con continuità in relazione alla quantità relativa dei loro componenti
LA COMPOSIZIONE DELLE SOLUZIONI
La composizione quantitativa di una soluzione viene espressa da una grandezza, detta concentrazione
indica la quantità di soluto presente in una certa quantità di soluzione oppure di solvente
Una soluzione non può contenere una qualsiasi quantità di soluto; esiste un limite alla possibilità di un soluto di sciogliersi in un solvente: se viene superato questo limite il soluto non si scioglie più: la soluzione è satura.
La solubilità di una sostanza in un certo solvente a determinate condizioni di temperatura:
è definita come la quantità di quella sostanza che si discioglie in un determinato volume di solvente per dare una soluzione satura.
dipende dalla natura del soluto
aumenta con la temperatura
Soluzione diluita = la concentrazione di soluto è assai inferiore rispetto al limite di saturazione
Soluzione concentrata = la quantità di soluto è di poco inferiore rispetto al limite di saturazione
MODI PER ESPRIMERE LA CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE
DI CARATTERE FISICO |
DI CARATTERE CHIMICO |
Percentuale in peso (% in peso) = indica la quantità, espressa in grammi, di soluto disciolti in 100 g di soluzione. grammi di soluto 100 grammi di soluzione |
Molarità (indicata con M) = rappresenta il numero di moli di soluto disciolte in 1000 mL di soluzione n° di moli di soluto 1000 mL di soluzione |
Percentuale in volume (% in volume) = indica la quantità, espressa in mL, di soluto disciolta in 100 mL di soluzione volume di soluto in mL 100 volume di soluzione in mL |
Molalità (indicata con n) = indica il numero di moli di soluto disciolte in 1000 g di solvente puro n° di moli di soluto 1000 g di solvente puro |
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Frazione molare (indicata con xA) = indica il rapporto fra il numero di moli di soluto nA e la somma del numero di moli di soluto e del numero di moli di solvente nB nA nA + nB |
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