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Chimica generale
Corsi di laurea in
- Tecnologie alimentari per la ristorazione
- Viticoltura ed enologia
- Tecnologia agroalimentare
PARTE 3
1
GLI STATI DI AGGREGAZIONE
DELLA MATERIA
2
I composti chimici
MATERIA
SOSTANZE
ELEMENTI
COMPOSTI
MISCELE
OMOGENEE
ETEROGENEE
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elementi
Na
Cu
composti
NaCl
CuSO4
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MISCELE
OMOGENEE
ETEROGENEE
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1- Gli stati di aggregazione della materia
Stato solido : composti hanno forma propria e volume proprio
Stato liquido: composti hanno volume proprio ma non hanno forma propria
Stato gassoso: composti non hanno forma propria ne volume proprio
Stato solido : forze di coesione (intermolecolari) elevate
Stato liquido: forze di coesione (intermolecolari) deboli
Stato gassoso: forze di coesione (intermolecolari) molto deboli
I solidi sono incomprimibili
I liquidi sono incomprimibili
I gas sono comprimibili
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Gas: forze intermolecolari
trascurabili. Tutti i gas hanno
proprietà fisiche simili
Liquidi e solidi: forze intermolecolari sono
attive e da loro dipendono le proprietà dei
composti.
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Temperatura
Pressione
Equilibri di fase
Liquido – gas
vaporizzazione, evaporazione ↔ Condensazione, liquefazione
Solido – liquido
solidificazione ↔ fusione
Solido – gas
solidificazione, brinamento ↔ sublimazione
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2- Il diagramma di stato
E’ un grafico pressione temperatura che indica lo stato di un
determinato composto in determinate condizioni di temperatura e di
pressione
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3- I solidi
Le proprietà fisiche dei solidi (durezza, conducibilità elettrica, temperatura di
fusione, solubilità in acqua) dipendono dalla loro struttura.
La struttura determina la natura e l’intensità delle forze fra particelle.
3-1 I solidi ionici
Sono costituiti di ioni positivi e negativi legati da legami ionici forti
NaCl, KBr, MgO
Caratteristiche:
-durezza
- alta temperatura di fusione
- conduttori solo in soluzione o allo stato fuso
- solubili in acqua
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3-2 I solidi molecolari
Sono molecole o atomi tenute insieme da legami intermolecolari deboli
(legame idrogeno, dipolo-dipolo, forze di London).
H2O, I2,
- teneri
- bassa temperatura di fusione
- conduttori se polari
- solubili in acqua se polari
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3-3 Solidi a reticolo covalente
Sono molecole o atomi legati da legami covalenti forti
C diamante, SiO2
Molto duri,
Alta temperatura di fusione
Non conduttori
insolubili
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3-4 Solidi metallici
Sono costituiti da cationi e elettroni delocalizzati. I legame è chiamato legame
metallico.
Na, Mg, Al, Fe, Hg, Cu.
-da teneri a molto duri
-punto di fusione variabile (Hg = -40 °C)
-ottimi conduttori anche allo stato solido
-insolubili
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4-Lo stato liquido
In un liquido, le molecole sono in movimento ma interagiscono tramite forze
intermolecolari.
Dalla natura delle forze intermolecolare dipendono le proprietà delle sostanze.
Acqua in un contenitore aperto
Acqua in un contenitore chiuso
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a) Acqua in un contenitore aperto col tempo, evapora completamente
b) Acqua in un contenitore chiuso il livello del liquido diminuisce, poi
rimane costante.
Spiegazione:
Contenitore aperto:
Man mano che le particelle passano dallo stato liquido allo stato gassoso, si
allontanano e quindi una nuova frazione di particelle evapora.
Contenitore chiuso:
Le particelle di gas aumentano nello spazio chiuso, aumenta la pressione,
aumentano le forze intermolecolari e una parte del gas torna allo stato
liquido.
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4-1 Tensione di vapore
All’interno di un liquido, una frazione di particelle può avere energia
sufficiente a rompere le forze intermolecolari e evaporare.
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Si raggiunge un equilibrio dinamico:
Liquido
gas
Velocità condensazione = velocità di evaporazione
La tensione di vapore è la pressione esercitata da un gas in
equilibrio con il suo liquido.
Dipende da :
-la natura della molecola
-la temperatura
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4-1-1Natura delle molecole
Forte attrazione fra molecole → Tensione di vapore bassa →scarsa evaporazione
Bassa attrazione fra molecole → Tensione di vapore alta →elevata evaporazione
Esempio:
Etere etilico
Acetone
Acqua
Mercurio
tensione di vapore a 25 °C
534 mm Hg
231 mm Hg
23 mm Hg
0.0018 mm Hg
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4-1-2- Effetto della temperatura
L’aumento della temperatura provoca un aumento dell’energia cinetica:
-aumenta la velocità delle molecole
-aumenta il numero di molecole con l’energia sufficiente per evaporare
→ aumenta la tensione di vapore
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Temperatura di ebollizione
Alla temperatura alla quale tensione di vapore = pressione atmosferica
→ ebollizione. L’evaporazione ha luogo in tutta la massa di liquido.
La temperatura di ebollizione dipende dalla
pressione esterna.
In altitudine, l’acqua bolle a temperatura
più bassa.
Nella pentola a pressione, l’acqua bolle a
temperatura più alta (120 °C a 2 atm).
La temperatura di ebollizione standard si
esprime a 1 atm (760 mm Hg)
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4-2 Tensione superficiale
Esempio dell’ago che galleggia suggerisce che le molecole alla superficie
di un liquido hanno comportamento diverso di quelle all’interno:
le molecole all’interno sono circondate da un numero maggiore di altre
molecole di quelle in superficie. La risultante delle forze d’interazione è nulla.
Per le molecole in superficie, esiste solo l'interazione con le molecole inferiori.
La risultante è diversa da zero, ed è diretta verso l'interno del liquido.
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Le molecole in superficie subiscono una forza
verso il basso. Il maggior numero possibile di
molecole tende a disporsi nella parte interna del
liquido, mentre il minor numero possibile resta in
superficie. L’acqua tende a minimizzare
l’interfaccia aria-acqua.
La tensione superficiale rappresenta la forza con cui le molecole sulla superficie
di un liquido sono attratte verso l’interno
L’effetto delle forze di coesione e della tensione superficiale è mediato dalla
forza di gravità e dalle forse di adesione
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La forza di coesione fa si che lo strato superficiale si comporta come una sottile
pellicola elastica. Se l'oggetto appoggiato e' abbastanza leggero e fatto in modo da
non perforare questa pellicola, può galleggiare come se fosse appoggiato su una
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superficie solida (o molto morbida, visto che l'acqua si deforma sotto il peso)
2- Lo stato gassoso
2-1 Proprietà dei gas:
-Si espandono fino a riempire completamente e ad assumere la forma
del recipiente che li contiene
- diffondono l’uno nell’altro e sono in grado di mescolarsi in tutti i
rapporti
-Sono invisibile (a parte alcune eccezioni)
- Alcuni sono infiammabili
Il comportamento fisico di un gas è determinato da.
Quantità, volume, temperatura e pressione
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Quantità = peso o numero di moli
Volume = volume del contenitore
Temperatura
Pressione
La pressione è una forza per unità di area
P=F
A
In unità SI, la forza è espressa in Newton (N) e l’area in m2, la pressione è
espressa in N/m2 o Pascal (Pa).
1N = 1Kg s-2
Altre unità: Bar, atm, mm Hg, m acqua
1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101325 Pa = 1.01325 bar
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3-2 Le leggi dei gas
Legge di Boyle (1662): Pressione,Volume
Per una data quantità di gas a temperatura costante,
P ∝ 1 oppure PV = costante
v
26
by Tom Benson
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Legge di Charles (1787) o di Gay-Lussac (1802): Volume,Temperatura
Per una una data quantità di gas a pressione costante
V∝T
oppure V = bT ( b = costante)
T (K) = t (°C) + 273.15
28
by Tom Benson
29
Legge di Avogadro (1808): Volume, Quantità
Volumi uguali di gas differenti nelle stesse condizioni di temperatura e
pressione contengono lo stesso numero di molecole.
Numero uguali di molecole di gas differenti nelle stesse condizioni di
temperatura e di pressione occupano volumi uguali
A una data temperatura e pressione, il volume di gas è direttamente
proporzionale alla quantità di gas:
V ∝ n (moli di gas)
oppure V = cn
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Condizioni standard di temperatura e di pressione (STP)
T = 0°C = 273.15 K
P = 1 atm = 760 mm Hg = 1.01325 105 Pa
A STP; 1 mole di gas occupa 22.4 L
31
A 273,15 K
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L’equazione dei gas ideali ( o gas perfetti) o equazione di stato dei gas
include le 4 variabili dei gas
PV = nRT
P in atm
V in l
T in K
R = costante dei gas ideali
Calcolo di R
R= PV
nT
A STP P = 1 atm, V = 22.414L, n = 1, T = 273.15
R = 1 x 22.414 = 0.082057 L atm mol-1 K-1
1 x 273.15
La legge dei gas si applica non solo ai gas puri ma anche a miscele di gas. In
tale caso, n = numero totale di moli della miscela gassosa.
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La legge di Dalton delle pressioni parziali.
In una miscela di gas
1- ogni gas si espande fino a riempire il contenitore
2- ogni gas esercita la stessa pressione, detta pressione parziale del gas,
che esso eserciterebbe se fosse da solo nel contenitore.
La legge di Dalton delle pressioni
parziali stabilisce che la pressione
totale di una miscela di gas risulta
dalla somma delle pressioni parziali
dei singoli componenti della miscela.
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In una miscela di gas A, B, C,…
PAVtot = nART
PtotVtot = ntotRT
Ptot = PA + PB + PC….
PA/Ptot = nA/ntot
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Il volume parziale di un componente di una miscela gassosa è il volume
che il componente occuperebbe se fosse presente da solo alla
pressione totale della miscela
In una miscela di gas A, B, C,…
PtotVA = nART
PtotVtot = ntotRT
VA = nA
Vtot ntot
nA/ntot = PA/Ptot = VA/Vtot
nA/ntot = PA/Ptot = VA/Vtot
Il termina nA/ntot è la frazione molare di A = la frazione di molecole di quel
componente rispetto al numero totale di moli della miscela
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3-5 I gas non ideali (reali)
I gas non sono ideali (non obbediscono alle leggi dei gas ideali) a basse
temperatura ed alte pressioni = gas reali o non ideali
- a basse temperature le molecole di gas hanno energia cinetica minore
(si muovono più lentamente) → interagiscono
- Ad alta pressione, le molecole di gas sono più comprese → il volume
occupato dalle molecole di gas non è più trascurabile rispetto al
volume vuoto → le molecole interagiscono
- In condizioni normali, le deviazioni dal comportamento di gas ideale
sono considerate trascurabili.
Fattore di comprimibilità = PV/nRT = 1 per i gas ideali
> 1 per i gas non-ideali
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3-6 Esercizi sulle leggi dei gas
RIASSUNTO
PV = nRT
a T e n costanti
a P e n costanti
a V e n costanti
a P e T costanti
→ PV = costante
→ V = costante x T
→ P = costante x T
→ V = costante x n
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Un gas occupa in condizioni normali (STP) 0.150 l
Volume occupato a -125 °C a e 10.5 atm?
Segue comportamento gas perfetto
Condizioni (1) : P1, V1, T1, n
Condizioni (2): P2, V2, T2, n
P1V1 = nRT1
P2V2 = nRT2
P1 = 1 atm
P2 = 10.5 atm
P1V1 = P2V2
T1
T2
V2 = P1V1T2
P2T1
T1 = 273 K
V1 = 0.150 l
T2 = -125 °C = -125 + 273 = 148 K
V2 = 1 atm x 0.150 l x 148 K
10.5 atm x 273 K
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Un gas occupa 1.30 x 102 l a 85.6 °C e 2.10 x 104 Pa
Pressione necessaria perché occupi 178 l a 341 °C
Gas perfetto
P1V1 = nRT1
P2V2 = nRT2
P1 = 2.10 x 104 Pa
V1 = 1.30 x 102 l
V2 = 178 l
P1V1 = P2V2
T1
T2
1 atm = 1.01325x 105 Pa
P2 = P1V1T2
T 1 V2
P1 = 2.10 x 104 = 0.207 atm
1.01325 x 105
T1 = 85.6 °C = 85.6 + 273.15 K = 358.8 K
T2 = 341 °C = 341 + 273 = 614 K
P2 = 0.207 atm x 1.30 x 102 l x 614K = 0.259 atm
358.8 K x 178 l
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Numero di moli di un gas che occupa un volume di 20.50 l a 34.5 °C e 2 atm
PV = nRT
n = PV
RT
n = 0.082 l atm mol-1 K-1
P = 2 atm
V = 20.50 l
T = 34.5 °C = 34.5 + 273.15 = 307.7 K
n = 2 atm x 20.50 l
= 1.62 l
0.082 l atm mol-1K-1 x 307.7K
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