Stati della materia - IL SITO UFFICIALE DEGLI STUDENTI DI .... De Rosa. Lezione 7. aa 12.13 Stati...

Corso di Chimica e Propedeutica Biochimica Proff. M. De Rosa / C. Schiraldi

La materia può esistere in 3 diversi STATI DI AGGREGAZIONE:

SOLIDO

LIQUIDO

GASSOSO

MACROSCOPICHE MICROSCOPICHE

Stati della materia

Stati della materia

Lo stato di aggregazione di una sostanza dipende dal bilancio tra:

-Energia cinetica delle particelle(atomi, molecole, ioni)

-Energia di interazione tra le particelle(atomi, molecole, ioni)


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SOLIDOElevate forze di attrazione tra le

particelleBassa energia cinetica

atomi, ioni o molecole vibrano intorno a posizioni fisse

LIQUIDO

GAS

STATO DI AGGREGAZIONE MICROSCOPICHE MACROSCOPICHE

Forma propriaVolume proprio

RigiditàIncompressibilità

Deboli forze di attrazione tra le particelle

Elevata energia cineticaatomi o molecole in continuo

movimento rettilineo e disordinato

Forma eVolume non propri

Fluidità

Stati della materia

Energia cinetica e forze di attrazione tra le particelle paragonabili

moto relativamente indipendente delle particelle

Forma non definitaVolume proprio

Fluidità


STATO SOLIDO: solidi cristallini e solidi amorfiSOLIDI CRISTALLINI

Formano cristalli: corpi solidi omogenei con proprietà anisotrope (dipendentidalla direzione) che hanno la forma di un poliedro geometrico cioè di un solidocon facce piane, spigoli e vertici.Sono caratterizzati da una disposizione regolare nello spazio degli atomi, dellemolecole o degli ioni di cui sono costituiti. Tale disposizione ordinata e periodicaè detta reticolo cristallino. ripetitiva fondamentale di un reticolo cristallinoè detta cella elementare.

Tipi di celle elementari

Reticolo cubico Semplice

Es. Po

Reticolo cubico a corpo centrato

Es. Na,K

Reticolo cubico a facce centrate

Es. Metalli: Au, Ag, Al, Cu



SOLIDI AMORFIPur avendo forma e volume propri, sono caratterizzati da una

disposizione disordinata degli atomi nello spazio. Non assumono una forma di tipo poliedrico (non formano cristalli).

(Es. vetro)

Una stessa sostanza può cristallizzare in forme diverse, caratterizzate da una diversa

Sostanze diverse, aventi composizione chimica simile, possono cristallizzare nella stessa forma

STATO SOLIDO: solidi cristallini e solidi amorfi

POLIMORFISMO

ISOMORFISMO


TIPI DI SOLIDILe particelle che costituiscono i solidi possono essere atomi,

molecole, ioni

SOLIDI A STRUTTURA COVALENTE

SOLIDI MOLECOLARI

SOLIDI IONICI

SOLIDI METALLICI

Forze di attrazione di diversa entità tra le particelle di un solido



SOLIDI A STRUTTURA COVALENTESono costituiti da atomi tenuti insieme da legami covalenti

duri, cattivi conduttori, insolubili, elevate T di fusione

Struttura del diamante.Composizione chimica: C puro.Gli atomi di C presentano una ibridazione sp3 esono tenuti insieme da legami localizzati.Ogni C forma 4 legami covalenti con 4 Cadiacenti dando luogo ad una strutturacristallina tetraedrica.La trama di legami covalenti è estesa a tutto ilsolido che è come grande molecolaelevata durezza, elevato punto di fusione

Struttura della grafite.Composizione chimica: C puro.La grafite è una modificazione cristallina del C ed èsoltanto in parte un solido covalente: gli atomi di Cpresentano una ibridazione sp2 gli atomi di C legatimediante legami covalenti sono tutti complanari eformano reticoli bidimensionali a maglie esagonali.La combinazione degli orbitali 2p non ibridi dei Cporta alla formazione di orbitali molecolaridelocalizzati estesi a tutti gli atomi di C del piano. Nerisulta una struttura a strati con forze di interazione traatomi di uno stesso strato più forti di quelle tra atomidi strati adiacenti. sfaldabilità, bassa durezza,conducibilità elettrica anisotropa.


Esempi:

SOLIDI A STRUTTURA MOLECOLARESono costituiti da molecole (che occupano le posizioni del

reticolo cristallino) tenute insieme da legami deboli quali legami idrogeno, forze di Van der Waals o interazioni dipolo-dipolo

Struttura cristallina dello IodioLe molecole sono tenute insieme nelcristallo da forze di Van der Waals. Leforze di interazione non sono direzionali

la disposizione delle molecole è taleda avere il miglior impacchettamento

Struttura cristallina del ghiaccioè determinata dalla formazione di legamiidrogeno. Tali legami sono direzionalistruttura relativamente aperta densitàbassa

teneri, volatili, basse T di fusione


Esempi:


SOLIDI A STRUTTURA IONICASono costituiti da ioni (che occupano le posizioni del reticolo

cristallino) tenuti insieme da forze attrattive di tipo elettrostatico

Reticolo cristallino di NaClGli ioni Na+ e Cl- (di dimensioni maggiori) sono

ai nodi di due reticoli cubici a facce centrate compenetrati.

poco volatili, duri, alte T di fusione, solubili in solventi polari, non conduttori allo stato solido

(buoni conduttori allo stato fuso o in soluzione)


SOLIDI METALLICISono costituiti da atomi tenuti insieme da legami di tipo metallico

Buoni conduttori di elettricità e di calore, T di fusione variabili

attrazione con gli elettroni di valenza delocalizzati su tutto il cristallo.

La disposizione è tale da ottenere il miglior impacchettamento

Reticoli cristallini di alcuni metalliNella struttura cubica a facce centrate e esagonale compatta si realizza un buon impacchettamento

Ca, Sr, Al Li, Na, K, Rb, Cs Be, Mg



STATO LIQUIDO

cinetica delle molecole ma comunque più rilevante

Le molecole si dispongono in modo da lasciare poco spazio vuoto ma non presentano la disposizione spaziale ordinata caratteristica dei solidi

Relativa mobilità delle molecole ma la distanza media intermolecolare si conserva

Le forze intermolecolari determinano la viscosità di un liquido

Volume proprio e forma del recipiente

Maggiore volatilità dei solidi evaporazione


STATO LIQUIDO: EVAPORAZIONE

Schema delle forze di attrazione tra le molecole di un liquido.Per le molecole che si trovano all'interno del liquido, la risultante delle forze attrattive è nulla. Per le molecole che si trovano alla superficie, la risultante delle forze che agiscono di esse è una forza diretta verso l'interno del liquido detta tensione superficiale (da qui la superficie curva di un liquido: menisco).

EVAPORAZIONE: è la trasformazione di una sostanza liquida in gas (vapore).

che avviene a qualsiasi T

6

02

10NC400T

O

6

02

10NC400T

O

Ecin

N/N

(Fra

zion

e m

olec

ole

aven

ti un

a ce

rta E

cin)

Ecin

Distribuzione delle Energie cinetiche delle molecole di un liquido.Ecin = energia cinetica media.

cin Ecine di un certo valore soglia (Ep) tale da vincere le forze di attrazione intermolecolari. Le particelle aventi Ecin Ep e che si trovano in prossimità della superficie vincono la tensione superficiale e passano allo stato di vapore EVAPORAZIONE



STATO LIQUIDO: EVAPORAZIONE

Alla temperatura più elevata, l' Ec delle particelle si distribuisce in un intervallo di valori più ampio ed è quindi il numero di particelle con Ec Ep .

Distribuzione delle energie cinetichedelle particelle di un liquido a duediverse temperature.


STATO LIQUIDO: TENSIONE DI VAPORE

Nel caso di un liquido contenuto in un recipiente chiuso, le molecole con Ecinsufficiente che passano allo stato vapore diffondono fino ad occupare tutto ilvolume libero. La concentrazione del vapore, ad ogni T, aumenta fino ad undeterminato valore. Si raggiunge un equilibrio dinamico fra la fase liquida e lafase gassosa.La pressione esercitata dal vapore in equilibrio con il liquido si definisceTENSIONE DI VAPORE ed è caratteristica di ogni liquido puro ad ogni T.La tensione di vapore di un liquido puro aumenta della T.



STATO GASSOSO


intermolecolare

Le molecole sono separate e in continuo movimento rettilineo e disordinato

Forma e volume non definiti

Lo stato di aggregazione di una sostanza è una proprietà fisica definita della sostanza una volta fissate T e p.

Variando opportunamente p e T, una sostanza può presentarsi in tutti e 3 gli stati di aggregazione conservando inalterate le proprie

proprietà chimiche

PASSAGGI DI STATO

(fenomeni di cambiamento di stato di aggregazione delle sostanze)



solidificazione

fusione evaporazione

condensazione

sublimazione

brinamento

PASSAGGI DI STATO


PASSAGGI DI STATO: CURVE DI RISCALDAMENTO

Curva di riscaldamento a p costante

Tratto abmolecole del solido aumento della T del sistemaTratto bc: Al raggiungimento della Tf, il movimento delle particelle intorno alle posizioni del reticolo diventa sufficiente a rompere la regolarità di impacchettamento del solido FUSIONE.

particelle nelle posizioni disordinate dello stato liquido.

T

ta

bc

de

f

Tf

fusione

Te

Tratto cdcinetica delle molecole del liquido aumento della T del sistema.Tratto de: Al raggiungimento della Teevaporare tutta la massa di liquido EBOLLIZIONE. La T resta costante fino al termine del processo.

ebollizione



PASSAGGI DI STATO: DIAGRAMMI DI STATO

Il diagramma di stato di una sostanza è una rappresentazione grafica dei diversi stati di aggregazione della sostanza in funzione della p e della T.Permette di seguire le trasformazioni che la sostanza subisce al variare delle condizioni esterne.

- 3 zone corrispondenti alle regioni di stabilità dei 3 stati di aggregazione della sostanza

- Le linee che separano le 3 regioni sono le curve di equilibrio: coppie di valori p/T in corrispondenza delle quali si ha passaggio di stato e quindi coesistenza di 2 fasi.

- Il punto di incontro delle 3 linee è il PUNTO TRIPLO, in cui si ha equilibrio tra tutte e 3 le fasi.


DIAGRAMMI DI STATO

SL

G

p

T

p = pTp > pTp pT

pT

p>pT

p pT

Ts TfTe

Trasformazioni che subisce una sostanza allo stato solido

3 casi:

Analogamente è possibile seguire trasformazioni a T costante.



DIAGRAMMI DI STATO

S

L

G

p(torr)

T (°C)

4,58

0 0,01

760

100

SL

G

p

TDiagramma di stato di una generica sostanza

S

L

G

Diagramma di stato

p(atm)

T (°C)

5,1

56,6

p

pT > 1 atm a p atmosferica il 2 solida)

sublima

Per (e poche altre sostanze)si ha una diversa inclinazionedella curva S/L rispetto a quella diuna generica sostanza. Talecomportamento riflette laproprietà di avere unvolume specifico > allo statosolido che allo stato liquido.



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