Stato liquido

Stato liquido• Un liquido è caratterizzato da una struttura dinamica, continuamente soggetta a modifiche.

• I liquidi sono quindi caratterizzati da un ordine a corto raggio, che si contrappone all’ordine a lungo raggio dei cristalli.

•situazione intermedia tra solido e gas

•le forze di coesione sono prevalenti per cui ha volume proprio pressochè incomprimibile, ma non possiede forma propria perchè E traslazionale delle particelle contrasta quella potenziale

•difficilmente razionalizzabile con modello rigido e rigoroso

stato liquidoparticelle in continuo movimento casuale; una particella all’interno del liquido è soggetta a forze uguali in tutte le direzioniuna particella che si trova sullasuperficie del liquido è soggettaa forze verso il bassola superficie tende a contrarsi e adassumere forma sferica (pari volume, minore superficie)

questa tendenza è definita dalla tensione superficiale

Per effetto della tensione superficialeun liquido tende a occupare ilminore spazio possibile

Modello strutturale dei liquidi

• Si può considerare un liquido come un sistema in cui zone di ordine si alternano a zone di disordine.

• Le particelle circondate da altre particelle hanno un comportamento tipico dello stato solido (Ecin oscillatoria).

• Le particelle confinanti con cavità hanno un comportamento tipico dei gas (Ecin traslazionale).

• Per la presenza di cavità, la distanza media tra particelle in un liquido è maggiore che in un solido e quindi l’energia potenziale è maggiore (minore in valore assoluto).

la viscosità dei liquidiI liquidi hanno la caratteristica di essere, in varia misura, fluidi. La fluidità è laproprietà di un liquido che consente ai suoi strati per quanto sottili di scorrere l’uno sull’altro, conferendo la tipica mobilità dei liquidiSi può valutare quantitativamente misurando il tempo impiegato da un dato volume di liquido per fluire attraverso un tubo sottileSolitamente per descrivere la resistenza al moto di un liquido si fa riferimento alla sua viscosità, che è l’inverso della fluiditàDa un punto di vista matematico è possibile pensare di misurare la forza che occorrerebbe applicare a uno strato di fluido per modificarne la velocità rispetto a un altro strato posto a una distanza fissa (h):

in cui η, detto coefficiente di viscosità, è caratteristico per ogni liquido.

La viscosità varia ampiamente in funziona della natura chimica del liquidoIn generale la viscosità di un liquido diminuisce all’aumentare della temperaturaUna eccezione riguarda lo zolfo (S8, fonde a 112.8 °C): aumentando la temperatura il liquido diventa più viscoso

h

vSF

Fenomeni di capillaritàUn altro effetto imputabile alla tensione superficiale dei liquidi si manifesta nell’innalzamento di un liquido in un tubo capillare.In un tubo capillare di raggio r, la forza che tende a far salire il liquido all’interno del tubo è data dalla tensione superficiale γ moltiplicata per la circonferenza del tubo (2 π r). La forza che si contrappone all’innalzamento è data dalla massa del liquido per l’accelerazione di gravità (m·g).La massa del liquido è calcolabile conoscendo la sua densità d e l’altezza h dell’innalzamento capillare.All’equilibrio si ha: 2 π r γ = π r2 d gh

Da cui si ricava: γ = ½h d g r

L’innalzamento capillare h risulta tanto maggiore quanto più piccolo è il raggio del capillare

Il mercurio si comporta in modo opposto rispetto all’acqua perché le sue interazioni con la superficie del vetro (forze adesive) sono meno forti di quelle tra atomi di mercurio (forze coesive)

Tensione di vapore di un liquidoAnalogamente a quanto avviene per i gas, anche le molecole del liquido si muovono.Molecole di liquido sufficientemente veloci, vincendo le forze attrattive, possono lasciare la superficie del liquido passando allo stato gassoso (evaporazione)

Se il volume in cui avviene l’evaporazione è delimitato, dopo un certo tempo la fase gassosa assume una pressione costante: il vapore formato si dice “saturo”.

La pressione esercitata dal vapore saturo sul liquido (ad una definita temperatura) viene chiamata tensione di vapore o pressione di vapore del liquido a quella definita temperatura

Equilibrio liquido-vaporeTensione di vapore di un liquido al variaredel volume della fase gassosa(a temperatura costante)

a) il sistema è all’equilibrio: la pressionedel vapore (P) ha un valore ben definito chedipende dalla natura del liquido e dallatemperatura

b) Aumentando il volume della fase gassosa(V2 > V1), a T cost., il sistema non è piùin equilibrio: una parte del liquido evaporeràfino a ripristinare la pressione di equilibrio

c) Se il volume della fase gassosa vieneaumentato sufficientemente, la fase liquidascompare. La pressione del vapore, non piùsaturo, diminuirà all’aumentare del volume(legge di Boyle)

1. Soluzioni gassose, indicate in genere come miscelegassose (ad esempio, l’aria);

2. Soluzioni liquide, che possono essere costituite daun gas, un liquido o un solido sciolto in un liquido(ad esempio, l’acqua di mare, l’acqua minerale, ecc.).

3. Soluzioni solide, costituite da un gas, un liquido o

un solido sciolti in un solido (ad esempio, H2 inpalladio, leghe di vario tipo, ecc.).

le soluzioni

Le soluzioni

•Sistema omogeneo costituito da almeno due componenti•Il componente maggioritario è solitamente chiamato solvente•I componenti in quantità minore sono chiamati soluti

per caratterizzare una soluzione è necessario conoscere il rapporto quantitativo in cui i componenti stanno nella soluzione

La CONCENTRAZIONE indica la quantità di

soluto presente in una certa quantità di soluzione e può essere espressa in vari modi; una soluzione CONCENTRATA contiene una quantità relativamente alta di soluto, presente in quantità inferiore se la soluzione è DILUITA.

La concentrazione Per caratterizzare una soluzione occorre specificare, oltre alla natura dei componenti, anche le loro quantità relative, ovvero capire quanti grammi di soluto sono presenti rispetto al solvente.

esempio

una soluzione acquosa di NaCl al 5% significa che ci sono 5 g di sale ogni 100 g di soluzione

una soluzione acquosa di alcol metilico al 10% in volume è costituita da 10 dm3 ogni 100 dm3 di soluzione

modi diversi di esprimere la concentrazione

1. MOLARITà (M): esprime le moli di solutopresenti in 1 litro di soluzione ed è data dal rapportotra il numero di moli di soluto ed il volume in litri disoluzione in cui sono disciolte:

Così, una soluzione 1 M contiene 1 mole/l, una soluzione 5 M contiene 5 mol/l e così via.Modificando questa relazione che fornisce la CONCENTRAZIONE è possibile calcolare le molicontenute in un certo volume di una soluzione aconcentrazione nota (mol = M x l), risalendo quindialla QUANTITÀ DI SOSTANZA

l

moliM

esempi• Calcolare la M di una soluzione di NaOHcontenente 0,1 moli in 500 cm3 di soluzione.M = mol/l = 0,1 mol/0,5 l = 0,2 M

• Calcolare la M di una soluzione contenente4,0 g di NaOH in 100 cm3.mol (NaOH) = 4,0 g/40 g mol-1 = 0,1 molM = mol/l = 0,1 mol/0,1 l = 1 M

• Calcolare il peso di NaOH contenuto in 500cm3 di una soluzione 0,2 M.mol = M x l = 0,2 mol l-1 x 0,5 l = 0,1 molg (NaOH) = 0,1 mol x 40 g mol-1 = 4 g


2. MOLALITà(m): esprime le moli di soluto

presenti in 1 kg di SOLVENTE PURO ed è data dal

rapporto tra il numero di moli di soluto ed il peso in

kg di solvente in cui sono disciolte; spesso, il peso di

solvente si ottiene sottraendo dal peso della

soluzione (soluto + solvente) il contributo del soluto:

Kgsolvente

molim

esempio

Calcolare la molalità di una soluzione che contiene 13 g di KOH in 997 g di H2O.

Calcoliamo le moli corrispondenti a 13 g di soluto,contenute in 997 g di solvente:

mol = 13 g/56 g mol-1 = 0,23 mol

m = 0,23 mol/0,997 kg = 0,24 mol/kg


3. COMPOSIZIONI PERCENTUALI

(% p/p e % p/v)

· percentuale in peso (% p/p): esprime i

grammi di soluto contenuti in 100 g di soluzione.

· percentuale in volume (% p/v): esprime i

grammi di soluto contenuti in 100 cm3 di soluzione.

esempio• Calcolare il percento in peso di una soluzione contenente 20 g di soluto in 100 g di H2O.

Peso totale di soluzione = 100 + 20 = 120 g, che contengono 20 g di soluto.Impostiamo una proporzione:120 g soluzione : 20 g soluto= 100 g soluzione : x gsoluto x = 16,7 % in peso

• Una soluzione al 30 % in volume ha densità 1,2. Calcolare il % in peso.

La soluzione contiene 30 g di soluto in 100 cm3 di soluzione, cioè in:g soluzione = 100 cm3 x 1,2 g cm-3 = 120 g120 g soluzione : 30 g soluto = 100 g soluzione : x g di solutox=25% in peso


4. FRAZIONE MOLARE (c): esprime il rapporto tra le moli di un componente e la somma delle moli di tutti i componenti della soluzione; per il componente i-esimo:

In una soluzione la somma delle frazioni molari delle varie specie presenti è uguale a 1.

tot

ii moli

molix

esempioCalcolare le frazioni molari di una soluzione

contenente 98 g di H2SO4 in 180 g di H2O.

moli H2SO4 = 98 g /98,08 g mol-1 = 1,0 mol

moli H2O = 180 g/18,01 g mol-1 = 10,0 mol

χH2O=10 mol/11mol= 0,909

χ H2SO4 = 1mol/11mol= 0,09

ricapitolandoLa concentrazione può essere espressa in vari modi:

• Molarità (CM o M) = moli di soluto/ 1 dm3 o litro di soluzione

• Molalità (Cm o m) = moli di soluto / 1 kg di solvente

• Frazione molare x1= n1/(n1+n2) con n1=moli del soluto

e n2= moli del solvente

• Massa percentuale = le parti di soluto (in massa) presenti in 100 parti di soluzione

per passare da molalità a molarità occorre conoscere la densità della soluzione.

la d = massa della soluzione /Volume

V= (massa soluto + massa solvente)/d=

(n1(mol)M1(gmol-1) + 1000g)/d(gdm-3)

n1= moli del soluto in un Kg di solvente

M1= massa molare del solvente

per cui la molarità è data da

CM= n1/V

Esempi di calcolo

1. Calcolare quanti grammi di NaOH sono necessari per preparare 1.00 dm3 di una soluzione 0.100 M di NaOH.

0.100 mol dm-3 x 1.00 dm3 = 0.100 mol di NaOH

0.100 mol x 40.0 g mol-1 = 4.00 g

perchè M=moli/dm3

per cui moli= Molarità x V

Esempi di calcolo2. La densita’ di una soluzione di H2SO4 al 96.4% e’ 1.835 g cm-3. Calcolare il volume

della soluzione che contiene discolta 1.0 mol dell’acido.

1 dm3 di soluzione ha massa pari a :

1000 cm3 x 1.835g cm-3 = 1835 g perchè dxV= grammi

H2SO4 costituisce solo il 96.4% di questa massa:

1835 g x 0.964 = 1769 g di H2SO4

1769 g / 98.08 g mol-1 = 18.0 mol di H2SO4

18.0 mol : 1 dm3 = 1.0 mol : x

x = 5.55 x 10-2 dm3

Esempi di calcolo

3. Calcolare la massa di nitrato di potassio che deve essere aggiunta a 250 g di acqua per preparare una soluzione 0.200 m di KNO3.

0.200 m significa che ci sono 0.200 mol in 1 kg di solvente

Quindi ci occorrono:

0.200 mol /1 kg x 0.250 kg = 0.050 mol di KNO3

0.050 mol x 101.1 g/mol = 5.06 g KNO3

QUANTITA’ DI SOSTANZA E CONCENTRAZIONE

Come mostrato nei calcoli relativi alla molarità, è necessario tenere ben

distinti il concetto di QUANTITÀ DI SOSTANZA e quello di

CONCENTRAZIONE.

Chiariamo meglio questa distinzione con un esempio: abbiamo una serie di

porzioni di idrossido di sodio ciascuna del peso di 4,0 grammi ed una serie di

recipienti con capacità diverse (50, 100, 250, 500 e 1000 cm3).

Trasferiamo ora il soluto nei diversi recipienti ed aggiungiamo acqua fino al

volume indicato. Tutte le soluzioni contengono la stessa quantità di NaOH,

cioè 4,0 grammi. Ma la concentrazione nei vari casi non è la stessa.

In tutti i casi, le moli corrispondenti a 4,0 grammi di NaOH si ottengono

dividendo questo peso per la massa molare del composto:

moli NaOH = 4,0 g/40 g mol-1 = 0,1 mol

Calcoliamo le concentrazioni corrispondenti ai recipienti di diverso volume, in

moli per litro di

soluzione:

Soluzione 5: M = 0,1 mol/1 l = 0,1 mol/l

Soluzione 4: M = 0,1 mol/0,5 l = 0,2 mol/l




Discorso analogo vale quando una soluzione viene diluita, cioè viene

aggiunto del solvente; ad esempio, prendiamo la soluzione 3, che contiene

4,0 g di NaOH in 250 cm3 con una concentrazione 0,4 M, e trasferiamola in un

recipiente più grande, aggiungendo acqua fino a 500 cm3 di soluzione. La

stessa quantità di soluto si trova ora in un volume doppio di soluzione, per cui

la concentrazione si è dimezzata (0,1 mol/0,5 l = 0,2 M), assumendo un

valore uguale a quello della soluzione 2.

esempioQuale volume di una soluzione acquosa 2,0 M di NaCl è necessario per preparare 0,5 l di una soluzione 1,0 M?

Determiniamo la quantità di soluto contenuto in 0,5 l della seconda soluzione e poi il volume della prima soluzione che contiene questa stessa quantità di

sostanza.

Moli contenute in 0,5 l di soluzione 1,0 M:

moli = 1,0 mol l-1 x 0,5 l = 0,5 mol

oppure, con le proporzioni:

1,0 mol : 1 l = x mol : 0,5 l x = 0,5 mol

Volume di soluzione 2,0 M che contiene 0,5 mol:

2,0 mol : 1 l = 0,5 mol : x l x = 0,25 l,

corrispondenti a 250 cm3

la dissoluzione di un soluto in un solvente

conoscere i criteri che determinano se un certo soluto è solubile in un solvente; questi criteri si basano sulle forze intermolecolari e sul meccanismo di interazione soluto-solvente

ricordando che l’acqua si comporta come un dipolo elettrico, le molecole di acqua interagiranno con ioni della superficie del cristallo

SOLUBILITA’

il simile scioglie il simile

Le sostanze la cui coesione nel solido o nel liquido è dovuta a forze dello stesso tipo tendono più facilmente a mescolarsi

tra loro in soluzione.

Si dice satura una soluzione in cui parte del soluto resta

indisciolto, come corpo di fondo. Il corpo di fondo e la soluzione

si trovano in equilibrio dinamico (v.) tra loro.

La solubilità dipende dal valore del prodotto di solubilità Kps

solvatazioneMeccanismo attraverso cui avviene la dissoluzione di diverse sostanze (soprattutto ioniche).

Ogni ione della soluzione è circondato da molecole di solvente opportunamente orientate nei confronti della carica dello

ione. Si dice che lo ione è solvatato.

Il processo di solubilizzazione

Attacco di un cristallo di NaCl da parte dell’acqua

processi di IDRATAZIONEIoni Na+ e Cl- idrati

L’attrazione elettrostatica fra ioni idrati è ridotta (80).

La dipendenza della solubilità dal solvente

I simili sciolgono i simili

Un solvente polare solubilizza molecole polari

Un solvente che dà luogo a legami a H solubilizza sostanze che danno luogo a legami ad H.

Solventi con forti interazioni di London dissolvono molecole non polari.

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