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STATI DELLA MATERIA

STATO SOLIDO Hanno volume e forma propri, ciò dipende dai legami, che esistono tra particelle ( quindi

conferiscono un volume proprio) e dal fatto che le stesse non sono libere di muoversi liberamente,

né di modificare la posizione reciproca, ma solo di oscillare intorno alla posizione di equilibrio (nei

solidi l’energia cinetica conferisce alle particelle solo la possibilità di oscillare). I solidi possono

essere amorfi, oppure cristallini. I solidi cristallini sono formati da unità microscopiche di forma

compatibile con quella del cristallo (cella elementare) e si sfaldano secondo piani preferenziali. La

forma del minerale è dunque da considerarsi come la ripetizione infinite volte di uno stesso motivo,

mentre il reticolo cristallino è una ripetizione di punti, tale che ciascun punto abbia sempre lo stesso

intorno di punti. Esso risulta assegnato se fissiamo con 3 vettori non complanari la lunghezza di 3

traslazioni elementari. Da qui si ottiene la cella elementare, la cui ripetizione definisce il cristallo.

Differenza tra solidi cristallini e amorfi

Solidi cristallini La struttura intera dei cristallini si

chiama RETICOLO CRISTALLINO:

- distribuzione ordinata di punti la cui

unità si chiama CELLA

ELEMENTARE, la quale si ripete

infinite volte nello spazio. La forma

esterna (abito) rispecchia la forma della

cella elementare. I solidi cristallini

fondono a temperatura costante.

fluorite

Solidi amorfi La struttura del solido amorfo è

costituita da particelle distribuite a

caso, come nei liquidi, ma a differenza

di essi le particelle in questi solidi sono

ferme.

I solidi amorfi passano gradualmente

dallo stato solido al liquido.

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Differenza tra calore e temperatura Calore Temperatura

È una forma di energia ; qualcosa che passa da

un corpo ad un altro, U.M. : Joule.

È una proprietà del sistema legata alla velocità

di movimento delle particelle. U.M : gradi.

E= 3/2KT

Passaggi di stato

Calore latente di fusione:

Calore assorbito a temperatura costante durante il processo di fusione. Quando il solido diventa

liquido assorbe il calore dall’ambiente per fondere. Il calore latente viene restituito quando si passa

da stato liquido a solido (quando nevica la temperatura si alza).

Calore latente di evaporazione:

Calore assorbito da parte del sistema a temperatura costante durante il processo di evaporazione nel

passaggio da liquido a gas. Anche in questo caso quando il gas diventa liquido il calore viene

restituito all’ambiente.

Nei solidi cristallini le particelle sono disposte in modo regolare nel reticolo cristallino. Questi

solidi fondono a temperatura costante. Quando inizio a scaldare un solido le particelle assorbono

energia termica, aumentando le vibrazioni (trasformando quindi l’energia termica in cinetica), che si

manifesta con un aumento della temperatura del cristallo. Si arriva ad un punto in cui l’energia

cinetica supera l’energia di legame e il solido comincia a fondere. Durante tutta questa fase il calore

fornito non aumenta l’energia cinetica, ma servirà a rompere ogni legame fino a ché tutto il solido si

sarà liquefatto.

Nei solidi vetrosi non esiste una struttura cristallina e gli atomi sono disposti disordinatamente

(liquido congelato).

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Solidi ionici (NaCl) Ai nodi del reticolo cristallino stanno cationi e anioni, tenuti insieme da

un legame ionico molto forte, il ché rende ragione dell’elevato punto di

fusione (mentre il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso è facile).

Hanno alta solubilità in acqua (sono solubili quando l’energia liberata con

l’idratazione supera quella reticolare, cosa assai difficile in genere per i

carbonati e solfati di calcio e di bario), sono cattivi conduttori elettrici allo

stato solido, mentre conducono bene in soluzione. Sono rigidi, duri, ma

facilmente sfaldabili

Solidi metallici (rame)

Ai nodi del reticolo cristallino sono tutti ioni dello stesso segno

(Na+, K

+…). Gli elettroni di valenza sono invece liberi di muoversi,

costituendo una specie di gas elettronico che avvolge gli ioni e li

tiene uniti. Tutti questi atomi hanno basso potenziale di

ionizzazione e gli elettroni sono dotati di alta mobilità, il ché

conferisce a questi solidi un’elevata conducibilità elettrica e termica

(dovuta allo spostamento di elettroni ad alta energia, dopo che

hanno assorbito calore). I legami sono estesi a tutto il cristallo, di

conseguenza questi solidi hanno elevata resistenza meccanica. Sono

inoltre sono duttili e malleabili (è facile ridurli in fili e in lamine). I

punti di fusione sono variabili.

Il colore più chiaro indica la disposizione degli elettroni

Solidi covalenti (diamante e grafite)

Ai nodi sono atomi neutri uniti con legame covalente, come ad esempio il

diamante (C). Hanno punti di fusione molto elevati, sono insolubili e non

conduttori (ad eccezione della grafite, che viene usata come elettrodo).

Solidi molecolari (ghiaccio)

Ai nodi sono molecole tenute insieme da legami intermolecolari di tipo di

Van der Waals, hanno dunque basso punto di fusione, sono cattivi

conduttori e solubilità variabile.

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STATO LIQUIDO Le molecole sono in grado di scorrere, cambiare la loro posizione reciproca, ma mai la distanza media,

poiché sono legate tra loro (ciò conferisce al liquido un volume proprio, anche se la forma sarà quella del

recipiente). Molto importante è la scarsa dipendenza del volume dalla pressione (i liquidi sono cioè

incomprimibili), le molecole di liquido si muovono, hanno energia cinetica di movimento, che è uguale a

quella dei gas alla stessa temperatura, ma le forze attrattive intermolecolari superano l’energia cinetica

(media).

Evaporazione è il passaggio da liquido a vapore e riguarda

le particelle alla superficie del liquido che abbiano energia

cinetica maggiore dell’energia di legame. Se il recipiente è

chiuso si crea un equilibrio tra il numero di particelle che

evaporano e il numero di particelle che da vapore tornano

allo stato liquido (condensazione). L’evaporazione dipende

dai seguenti fattori:

Natura del liquido : più forti sono i legami, più

difficile sarà l’evaporazione.

Temperatura: aumenta infatti l’energia cinetica

media.

Pressione esercitata dal gas sulla superficie del

liquido. Se questa aumenta, aumenta anche il numero

di particelle che condensano, poiché aumenta il

numero di urti contro la superficie del liquido .

Tra evaporazione e condensazione si crea un equilibrio

dinamico, tale che il numero di particelle che evaporano sarà

uguale al numero di particelle che da vapore tornano allo stato

liquido. Creando il vuoto è possibile misurare ad ogni temperatura

la pressione alla quale si manifesta l’equilibrio, che è detta

tensione di vapore del liquido. Essa aumenta con andamento

esponenziale quanto più aumenta la temperatura. Se al contrario

non viene predisposto il vuoto, all’equilibrio la pressione sarà

data dalla tensione di vapore sommata alla pressione atmosferica,

in modo che la pressione parziale del liquido sia comunque

uguale alla tensione di vapore.

Ebollizione

Se aumento la temperatura aumento anche l’evaporazione e la tensione di vapore. Ad una certa temperatura

l’evaporazione non avviene più solo alla superficie del liquido, ma in tutta la massa del recipiente, dove si

vedono bolle di vapore. Durante questo processo la temperatura è costante. Il punto di ebollizione dipende

dalla natura del liquido e dalla pressione esterna, poiché se la pressione esterna è maggiore della tensione di

vapore le bolle non riescono a spostare l’aria soprastante e il liquido non bolle. L’ebollizione invece avviene

quando la pressione esterna è uguale alla tensione di vapore (questo è il motivo per cui nella pentola a

pressione l’acqua bolle ad una temperatura maggiore rispetto a 100°C e i cibi cuociono prima; in montagna

invece l’acqua bolle prima, ma i cibi fanno fatica a cuocere).

La costanza della temperatura è dovuta al fatto che l’energia cinetica delle particelle è già quella massima

possibile a quella pressione e quindi il calore fornito serve solo ad allontanare le particelle. La quantità di

calore assorbito durante il processo di evaporazione è detto calore latente di evaporazione.

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STATO GASSOSO TEORIA CINETICA Mentre la termodinamica si occupa di aspetti macroscopici, la teoria

cinetica dei gas prende in considerazione l’aspetto microscopico, cioè su

base statistica, ovvero tenendo presenti i valori medi, dal momento che

il gas risulta composto da un gran numero di particelle, ognuna delle

quali può comportarsi in modo autonomo.

La teoria cinetica dei gas in considerazione i gas ideali, simili a quelli

reali, ma in condizioni particolari, ovvero lontani dal punto di fusione e

a bassa concentrazione. In queste condizioni, infatti, il volume delle

singole particelle del gas (covolume) è trascurabile rispetto al volume

occupato dall’intera massa di gas e le forze attrattive tra particelle non

hanno luogo. I presupposti della teoria cinetica sono che:

1. Il gas sia composto da

particelle piccole.

2. Le particelle siano in

costante movimento.

3. Le particelle, urtandosi,

non perdano energia

cinetica.

Proprietà dei gas:

1. Espansione: il gas può espandersi.

2. Pressione: le particelle del gas esercitano una pressione sulle pareti interne del recipiente che lo

contiene. Tale pressione (P= F/cm2) si misura in

mmHg (peso di una colonnina di 1mm di Hg su una superficie di 1 cm2)

kgp/cm2 (peso equivalente ad un kgp su una superficie di 1 cm2)

atm (peso di una colonnina di 760 mm di Hg su una superficie di 1 cm2)

pascal (peso di 1 Newton su una superficie di 1 m2)

3. Bassa densità con valori intorno a 10-2

g/l

4. Capacità di diffondere

Le proprietà fisiche di un gas che obbedisca alla teoria cinetica sono la concentrazione molare, la pressione e

la temperatura. Si considerano condizioni standard la pressione pari a 1 atm e la temperatura di 25°C. La

materia allo stato gassoso occupa un volume che è 1000 volte maggiore rispetto a quello dei liquidi, in queste

condizioni le particelle sono lontane tra loro e si muovono liberamente fino a che non si urtano o urtano

contro le pareti del recipiente (pressione).

Aumentando il numero di molecole aumenta anche

la pressione.

P ∞ [ ] (molarità)

La pressione aumenta anche se si aumenta la

temperatura, poiché essa aumenta l’energia cinetica

media (quindi la velocità media) delle particelle.

P ∞ T

Ecm = ½ mv2

Ecm = ½ mv2 n (per un numero n di particelle)

La pressione, al contrario, è inversamente

proporzionale al volume.

PV= 2/3n

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LEGGI SUI GAS LEGGE DI BOYLE (ISOTERMA)

A temperatura costante se si

diminuisce il volume di un

gas la pressione aumenta.

Immaginiamo di dimezzare il

volume di un gas,

mantenendolo alla stessa

temperatura. Gli urti contro

le pareti del recipiente

aumenteranno, aumentando

la pressione.

Il grafico è il seguente

Pressione e volume sono tra loro inversamente proporzionali, ovvero il loro

prodotto è costante.

LEGGE DI CHARLES (ISOBARA)

Se consideriamo la temperatura

in °C, la formulazione della

legge di Charles è: a pressione

costante, per ogni aumento di

temperatura di 1 °C, il volume

di un gas aumenta di 1/273 del

volume del gas a 0°C. Le

variabili sono temperatura

(indipendente) e volume

(dipendente). V0, ovvero il

volume del gas a 0°C

rappresenta il termine noto,

ovvero l’ordinata del punto di

ascissa zero e il valore di

1/273V0 rappresenta il

coefficiente angolare, ovvero la

crescita della funzione. Spostando l’asse delle ordinate

in modo da farlo coincidere con

l’intersezione della retta con

l’asse delle ascisse

(temperatura, t = -273°C), si

ottiene una retta passante per

l’origine degli assi.

Riscaldando un gas, il volume

aumenta in modo proporzionale

all’aumento della temperatura

assoluta. Infatti aumentando la

temperatura, se la pressione

rimane costante il gas si

espande.

V0= volume del gas a 0°C

t= temperatura in °C

α= 1/273

V= V0 (1+αt) = V0+V0t/273 poichè α= 1/273

Ponendo V=0 (punto di intersezione con l’asse delle ascisse), si avrebbe

V0 (1+αt)=0 poichè V0 ≠0 per definizione (vol del gas a 0°C)

1+αt =0 quindi 1+t/273=0

t/273=-1 quindi t= -1/273)= -273°C

ponendo T=t+273 ottengo il secondo grafico

V=KT

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Quando T=0 il gas avrebbe idealmente volume pari a zero. Lo zero assoluto è quindi definito come la

temperatura alla quale i gas avrebbe volume zero, ma questa condizione non può essere raggiunta, sia

sperimentalmente, sia teoricamente (esiste comunque il volume stesso delle particelle).

LEGGE DI GAY-LUSSAC (ISOCORA) Se consideriamo la temperatura

in °C, la formulazione della

legge di Gay-Lussac è: a

volume costante, per ogni

aumento di temperatura di 1

°C, la pressione di un gas

aumenta di 1/273 della

pressione del gas a 0°C. Le

variabili sono temperatura

(indipendente) e pressione

(dipendente). P0, ovvero la

pressione del gas a 0°C

rappresenta il termine noto,

ovvero l’ordinata del punto di

ascissa zero e il valore di

1/273P0 rappresenta il

coefficiente angolare, ovvero la

crescita della funzione. Spostando l’asse delle ordinate

in modo da farlo coincidere con

l’intersezione della retta con

l’asse delle ascisse

(temperatura, t = -273°C), si

ottiene una retta passante per

l’origine degli assi.

Riscaldando un gas, la

pressione aumenta in modo

proporzionale all’aumento della

temperatura assoluta. Infatti

aumentando la temperatura, se

il volume rimane costante la

pressione aumenta.

P0= pressione del gas a 0°C

T= temperatura in °C

β= 1/273

P= P0 (1+βt) = P0+P0t/273 poichè β= 1/273

Ponendo P=0 (punto di intersezione con l’asse delle ascisse), si avrebbe

P0 (1+βt)=0 poichè P0 ≠0 per definizione (press. del gas a

0°C)

1+βt =0 quindi 1+t/273=0

t/273=-1 quindi t= -1/273)= -273°C

ponendo T=t+273 ottengo il secondo grafico

P=KT

D’estate infatti si deve diminuire la pressione degli pneumatici.

Quando T=0 il gas avrebbe idealmente pressione pari a zero. Lo zero assoluto è quindi definito come la

temperatura alla quale il gas avrebbe pressione zero, ma questa condizione non può essere raggiunta, sia

sperimentalmente, sia teoricamente.

LEGGE DI DALTON

In una miscela di gas la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali di ciascun gas, essendo la

pressione parziale definita come la pressione che quel gas eserciterebbe, se occupasse da solo l’intero

volume. La pressione parziale di un gas A si calcola con la formula

PpA = Ptot Xa (dove XA= nA/ntot, ovvero la frazione molare di A)

In una miscela costituita dai gas A, B, C

Ptot= PpA+PpB+PpC

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LEGGE DI AVOGADRO

Volumi uguali di gas, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di

molecole (6,022 1023

). Il volume occupato da una mole di gas in condizioni standard è detto volume molare

ed è pari a 22,414l.

EQUAZIONE GENERALE DEI GAS PERFETTI

Tenendo in considerazione le variabili dei gas, ovvero pressione, temperatura e volume, per una mole di gas

qualsiasi la loro relazione sarà

PV/T= R (costante dei gas perfetti, pari a 0,0821 atm l/ K)

Per n moli di gas avremo

PV=nRT