Capitolo 2 Le trasformazioni fisiche della materia

1 Gli stati fisici della materia1.Gli stati fisici della materia

2.I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei

3.Le sostanze pure e i miscugli

4.I passaggi di stato

5 l t i ti ll d ll t i5. la teoria particellare della materia

1 Gli stati fisici della materia1. Gli stati fisici della materiaMateria è tutto ciò che ci Da: “la fisica dei gatti”

1 P i i i d'I icirconda, possiede una massa e un volume; in

1 Principio d'InerziaUn gatto a riposo tende a rimanere a riposo, nonostante l'azione di una;

quanto dotata di massa esercita inerzia

nonostante l azione di una forza, come l'apertura di una scatoletta di cibo per gatti.

Un sistema èUn sistema è una porzione delimitata di materiamateria

1 Gli stati fisici della materia1. Gli stati fisici della materiaLa materia può esistere in tre stati fisici, detti stati dip ,aggregazione della materia

• stato solido;• stato solido;

• stato liquido;

• stato aeriforme.

1 Gli stati fisici della materia1. Gli stati fisici della materiaLe proprietà caratteristiche dei tre stati di aggregazione p p gg gdella materia (filmato da Cd proprietà fisiche dei materiali, cap 2)cap. 2)

Solido Liquido Aeriforme

Volume proprio proprio occupano tutto il volume disponibile

Forma propria assume forma assume la forma delForma propria assume forma del recipiente

assume la forma del recipiente

Densità alta media bassa

Effetto della incomprimibili incomprimibili incomprimibilipressione

2 I i t i i i i t i2. I sistemi omogenei e i sistemi eterogeneieterogenei

Si dice fase una porzione di materia fisicamente pdistinguibile e delimitata che ha proprietà intensive

uniformiuniformi.

Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo.Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo.

2. I sistemi omogenei e i sistemi eterogenei

3 Le sostanze pure e i miscugli3. Le sostanze pure e i miscugli

L t i òLa materia può essere suddivisa in sostanze pure e miscugli.Un sistema è puro solo se è formato da una singola sostanza. Le sostanze puresostanza. Le sostanze pure hanno caratteristiche e composizione costanticomposizione costanti.

3 Le sostanze pure e i miscugli3. Le sostanze pure e i miscugli

U i t f t d dUn sistema formato da due o più sostanze è un miscuglio.Anche i miscugli possono essere omogenei o eterogenei.

3 Le sostanze pure e i miscugli3. Le sostanze pure e i miscugli

U i li di d iù t èUn miscuglio omogeneo di due o più sostanze è chiamato soluzione.Il materiale più abbondante del miscuglio è il solvente, mentre i materiali meno abbondanti si chiamano soluti.

Definizione Sostanza MiscuglioSistema omogeneo

è costituito da una sola fase

acqua pura,oro puro, cloruro di sodio puro

acqua di rubinetto, sale marino, acciaio, leghe metalliche

Sistema eterogeneo

è costituito da due o più fasi

acqua pura e ghiaccio

acqua e sabbia, legno, granito, latte, marmo, fumo, sabbia

3 Le sostanze pure e i miscugli3. Le sostanze pure e i miscugli

U i li t è tit it d tiUn miscuglio eterogeneo è costituito da componenti chimicamente definiti e da fasi fisicamente distinguibili.

3 Le sostanze pure e i miscugli3. Le sostanze pure e i miscugli

I i li t i t tti hI miscugli eterogenei possono presentare aspetti anche molto diversi al variare dello stato di aggregazione delle fasi che li costituiscono.

3. Le sostanze pure e i miscuglip gLa schiuma è un tipico esempio di miscuglio costituito dalla dispersione di gas in un liquidodispersione di gas in un liquido.La nebbia è un miscuglio tra acqua-aria.Il fumo è un miscuglio eterogeneo di un solido in un gasIl fumo è un miscuglio eterogeneo di un solido in un gas.

4. I passaggi di statop ggI passaggi di stato implicano la trasformazione della materia da uno stato fisico all’altro per variazioni di temperatura e pressione.p p p

4 I passaggi di stato4. I passaggi di statoA parità di massa, nel passaggio di un materiale dallo stato p , p ggliquido allo stato aeriforme, il volume aumenta e la densità diminuiscediminuisce.Nel passaggio allo stato solido la densità, di solito, aumenta.Il hi i è ’ i hé è d d ll’Il ghiaccio è un’eccezione perché è meno denso dell’acqua.

http://video.google.it/videoplay?docid=-5786987432781976293#

Ogni sostanza pura ha una curva di riscaldamento eOgni sostanza pura ha una curva di riscaldamento e temperature di fusione e di ebollizione caratteristiche in funzione della pressione a cui avviene il passaggio di statofunzione della pressione a cui avviene il passaggio di stato.

4 I passaggi di stato4. I passaggi di stato

4 I passaggi di stato4. I passaggi di stato

L t t ll l i t hi i èLa temperatura alla quale coesistono acqua e ghiaccio è denominata temperatura di fusione. È una proprietà intensiva dell’acqua distillata e delle sostanze pure.Terminata la fusione si ha la sosta termica.Se il vapore esercita una pressione uguale alla presisone atmosferica si ha la tensione di vapore.atmosferica si ha la tensione di vapore.

4 I passaggi di stato4. I passaggi di stato

O i t h di ff dd tOgni sostanza pura ha una curva di raffreddamento attraverso la quale si distinguono• temperatura di condensazione: a parità di pressione uguale a quella di ebollizione;• temperatura di solidificazione: a parità di pressione uguale a quella di fusione.uguale a quella di fusione.

4 I passaggi di stato4. I passaggi di stato

http://www.youtube.com/watch?v=dQ14O3p80YM

4 I passaggi di stato4. I passaggi di stato

S i d i di t t ( d i d b lli i )Se i due passaggi di stato (condensazione ed ebollizione) avvengono alle stesse condizioni di pressione, la temperatura di condensazione è uguale alla temperatura di ebollizione.Se i due passaggi di stato (solidificazione e fusione) avvengono alle stesse condizioni di pressione, laavvengono alle stesse condizioni di pressione, la temperatura di solidificazione è uguale alla temperatura di fusionedi fusione.

Fusione e solidificazione dell’acido stearicoNell’indagine di laboratorio abbiamo indagato il comportamento dell’acido stearico sottoposto a riscaldamento e successivamente a raffreddamento:L’acido stearico è una sostanza pura o un miscuglio?L acido stearico è una sostanza pura o un miscuglio?

Fonde ad una temperatura precisa o in un intervallo di temperatura?

Da quando l’acido ha iniziato a fondere a quando è risultato tutto fuso, la temperatura si è modificata?

La temperatura di fusione e quella di solidificazione coincidono?

Durante la fase di solidificazione dell’acido, la temperatura è cambiata?

Nell’intervallo tempo – temperatura in cui l’acido fonde, cosa fa l’acqua?

f f ?Nell’intervallo tempo – temperatura in cui l’acido solidifica, cosa fa l’acqua?

La temperatura di ebollizione dell’acqua coincide con quella fusione dell’acido?

La temperatura di solidificazione dell’acqua coincide con quella dell’acido?

Considerazioni conclusive:

• L’acido stearico è una sostanza pura• Fonde ad una temperatura precisa: 68,8 °C

D t l f i l t t è i t t t t t i• Durante la fusione la temperatura è rimasta costante: sosta termica• La ts = tf• Durante la solidificazione la temperatura è rimasta costante: sosta termica• Durante la fase di fusione dell’acido la temp. dell’acqua ha continuato a crescere• Durante la solidificazione dell’acido la temp. dell’acqua ha continuato a decrescere• Durante il riscaldamento dell’acido, l’acqua non ha raggiunto la suaDurante il riscaldamento dell acido, l acqua non ha raggiunto la sua temperatura di ebollizione (100 °C a 1 atm)• Durante il raffreddamento dell’acido, l’acqua non ha raggiunto la sua temperatura di solidificazione (0 °C a 1 atm)temperatura di solidificazione (0 C a 1 atm)

La teoria cinetico-molecolare dellaLa teoria cinetico molecolare della materia

(natura particellare della materia)(natura particellare della materia)

La teoria cinetica spiega il comportamento della materia quando viene sottoposta a scambi di energia. Il calore èquando viene sottoposta a scambi di energia. Il calore è una forma di energia (energia termica), la temperatura è la misura di questa energia

Il contenuto di energia cinetica è diverso a seconda dello stato di aggregazione della materiastato di aggregazione della materia.

Nei solidi le particelle non si muovono ma oscillano e vibranomuovono ma oscillano e vibrano intorno a posizioni fisse ben precise.p

Nei liquidi le particelle sono a contatto, ma hanno maggiore libertà di ggmovimento.

Le particelle dei gas hanno massima libertà di movimento con un moto totalmente di di tdisordinato.

La teoria cinetica spiega laLa teoria cinetica spiega la relazione fra la temperatura e l’energia cinetica media:g

la temperatura di un corpo è di tt t i ldirettamente proporzionaleall’energia cinetica mediadelle particelle che lodelle particelle che lo costituiscono.

All’aumentare della temperatura cresce l’energia internadi un sistema ovvero aumentano anche l’agitazione e ladi un sistema, ovvero aumentano anche l agitazione e la distanza media delle particelle.

Le particelle si liberano dalle forze attrattive elettrostatiche passando da uno stato ordinato a uno via via più disordinato.

Il l l t t di f i è l tità di iIl calore latente di fusione è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di fusione.

Il l l t t di i i è l tità diIl calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia necessaria per fare evaporare completamente 1 kg di sostanza pura alla temperatura di ebollizione.

Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante anche se si continua a fornire (o a sottrarre) calore.

Il calore latente di fusione e il calore latente diIl calore latente di fusione e il calore latente di vaporizzazione sono proprietà intensive della materia e vengono utilizzati per identificare le sostanze pure.g p p

Il calore latente di vaporizzazione di una qualsiasiIl calore latente di vaporizzazione di una qualsiasi sostanza pura è molto maggiore del calore latente di f ifusione.Infatti, è più difficile annullare le forze di coesione tra le particelle di un liquido che indebolire le forze di coesione di un solido.

Natura particellare della materia: ipotesi o realtà?

È possibile dimostrare l’esistenza delle particelleÈ possibile dimostrare l esistenza delle particelle componenti la materia?

In laboratorio sono state proposte alcune esperienze che, pur non rappresentando unaesperienze che, pur non rappresentando una verifica diretta, tuttavia costituiscono un indizio dell’esistenza delle particellede es ste a de e pa t ce e

Addittività/non addittività dei volumi!Addittività/non addittività dei volumi!

Dati sperimentali:La massa complessiva non cambiapIl volume complessivo finale è minore di quello iniziale

È facile giustificare il risultato: l’acqua ha occupato gli interstizi vuotiÈ facile giustificare il risultato: l’acqua ha occupato gli interstizi vuoti esistenti tra i pallini di piombo!

Prove con due cilindri di acqua ( a sinistra nell’immagine) e con ili d di di l l ( d t ll’i i )un cilindro di acqua e uno di alcool ( a destra nell’immagine)

Dati sperimentali:Conservazione della massaConservazione della massaAddittività dei volumi per l’acquaNon addittività dei volumi per acqua e alcool

Come giustificare il volume finale mancante?

È possibile ipotizzare, vistaÈ possibile ipotizzare, vista la diversa grandezza delle due molecole, l’esistenza di spazi vuoti entro i quali si p qsono insinuate le molecole di acqua portando alla diminuzione del volume finale!

Se le particelle esistono, quali dimensioni hanno?

Abbiamo preso un sottile foglio di alluminio, il i è il t hi ltil cui spessore è per il nostro occhio molto ridotto. Abbiamo ritagliato un pezzo di forma regolare e ne abbiamo misurato con il righello lunghezza e larghezza Con larighello, lunghezza e larghezza. Con la bilancia analitica abbiamo misurato la massa, sapendo che la densità dell’alluminio è d = 2 702 g/cm3dell alluminio è d = 2,702 g/cmCon i dati in nostro possesso abbiamo calcolato l’area del rettangolo e ricavato il volume. Conoscendo l’area e il volume delvolume. Conoscendo l area e il volume del mio rettangolo, abbiamo ricavato lo spessore trovando un valore dell’ordine di grandezza di 10-5 m. se noi ipotizzassimo g pche lo spessore del foglio di alluminio fosse costituito da un solo strato di particelle, il valore trovato corrisponderebbe alle dimensioni reali degli atomi di alluminio,ma …

L’occhio umano alla distanza di 25 cm ed in condizioni ottimali è capace di percepire come distinti due punti non più vicini di 0 25 mmdi percepire come distinti due punti non più vicini di 0,25 mm. Questo limite definisce il potere di risoluzione dell’occhio umano. Il potere di risoluzione viene definito come la più piccola distanza (d) tra due punti che permette di vedere i due punti come distintidue punti che permette di vedere i due punti come distinti.Per aumentare questo potere di risoluzione bisogna ricorrere al microscopio ottico o elettronico. La microscopia ottica e la microscopia elettronica si contraddistinguonoLa microscopia ottica e la microscopia elettronica si contraddistinguono per la natura del mezzo con cui si analizza l’oggetto, rappresentato rispettivamente dalla luce e dagli elettroni. Potere di risoluzione del nostro occhio 0,2 mm,Potere di risoluzione del microscopio ottico 0,2 mmPotere di risoluzione del microscopio elettronico 0,2nm