GLI STATI DI
AGGREGAZIONE DELLA MATERIA
Lo stato liquido
2
Lo stato liquido
Liquidi: energia dei moti termici confrontabile con quella delle forze coesive.
Limitata libertà di movimento delle molecole, che determina una struttura disordinata nel complesso, con un certo grado d’ordine a corto raggio.
Molecole di un liquido in continuo movimento: origine dei moti browniani.
Isotropia (stesse proprietà fisiche in tutte le direzioni)
Ordine a
corto raggio
3
Proprietà dei liquidi
Pressione di vapore (Tensione di vapore)
Tensione superficiale
ViscositàLa pressione di vapore
In un recipiente chiuso contenente un liquido, dopo un certo tempo, v evaporazione = v condensazione
Quando si raggiungono le condizioni di equilibrio (a T costante), la pressione esercitata dalla molecole nella fase di vapore è chiamata pressione di vapore o tensione di vapore del liquido.
La pressione di vapore
mercurio
H2O
5
La pressione (o tensione) di vapore
Fissata la pressione, quando un liquido è scaldato ad una temperatura sufficientemente alta si iniziano a formare delle bolle di vapore. Se la tensione di vapore all’interno delle bolle è inferiore alla pressione applicata le bolle collassano non appena formatesi, se invece la tensione di vapore è maggiore di quella applicata le bolle risalgono in superficie e si rompono rilasciando il vapore nell’aria circostante. Questo processo è detto di ebollizione.
La temperatura alla quale la pressione di vapore risulta uguale a quella esterna è chiamata temperatura di ebollizione (in particolare essa è chiamata temperatura normale di ebollizione se la pressione esterna è uguale a 1 atm).
6
La pressione di vapore: dipendenza da T
vevap ∝ n° molecole con Ec ≥ E*
E* = ΔHvap(o Lvap). Questo è il calore o energia di vaporizzazione, cioè il calore (o energia) che il liquido deve assorbire per passare allo stato gassoso
Dalla distribuzione di Maxwell Boltzman:
vevap =
vcond ∝ concentrazione ∝ pressione ⇒ vcond = c2P ⇒ vevap = vcond⇒
P =
RT Hvap
e c
"! 1
RT Hvap
Ae
"!
!
NAB, E " Ea= NABe#Ea/RT
7
Effetto della temperatura sulla pressione di vapore
La tensione superficiale
Tensione superficiale (γ) è definita come l’energia richiesta per aumentare l’area della superficie del liquido di una unità.
Si misura pertanto in J/m2 oppure in N/m.
Si parla di tensione interfacciale quando si fa riferimento all’interfaccia tra due liquidi immiscibili o tra un solido e un liquido.
origine “molecolare”
L’energia delle molecole sulla superficie è maggiore di quella delle molecole nella massa (bulk).
9
Manifestazioni della tensione interfacciale
Il menisco che si osserva in un tubo di vetro dove è contenuta acqua (a sinistra) e mercurio (a destra).
Per l’acqua le forze di adesione con il vetro sono più forti delle forze di coesione tra le particelle del liquido.
Alta tensione interfacciale
Bassa tensione interfacciale
10
Effetto Lotus
11
I tensioattivi
C H3
O- O
Na+
coda APOLARE testa POLARE
C H3
SO3 – Na+
Rappresentazione di una micella:
le teste polari, che si trovano all’esterno, interagiscono con le molecole polari di acqua.
L’attacco di molecole di sapone o di detergente a una goccia di olio o di sporco crea una specie che si può disperdere nell’acqua.
La viscosità
v=0 x
Si può definire la viscosità di un liquido come v
sua la resistenza allo scorrimento. Se supponiamo il fluido come diviso in tanti strati paralleli che scorrono l’uno sull’altro, la viscosità misura l’attrito che gli strati di liquido incontrano nel loro moto relativo.
La viscosità è influenzata da:
forma e dimensioni delle molecole
forze intermolecolari che permettono il facile (bassa viscosità) o difficile (alta viscosità) scorrimento di uno strato di liquido
13
Le soluzioni
Definiamo SOLUZIONE un miscela fisicamente omogenea di due o più specie chimiche.
Le soluzioni possono essere sistemi solidi, liquidi e gassosi, ma comunemente si parla di SOLUZIONI LIQUIDE.
In una soluzione si indica come solvente il componente che ha lo stesso stato di aggregazione della soluzione e come soluto l’altro (o gli altri) componenti.
Nel caso di due o più componenti presenti nello stesso stato di aggregazione si indica come solvente quello presente in maggiore quantità.
Le proprietà chimico-fisiche di una soluzione (reattività, colore, ecc) dipendono non solo dalla natura chimica delle sostanze che la costituiscono, ma anche dalla loro quantità.
E’ quindi necessario specificare sempre la composizione di una soluzione, precisando le quantità relative dei componenti
La composizione di una soluzione è definita in modo quantitativo mediante la concentrazione.
14
= !
=
i i tot
i
i m
m m
W m !iWi =1
Con si indica mi la massa in grammi del componente i-esimo. Le frazioni ponderali assumono sempre valori compresi fra 0 e 1.
Per passare alla % in peso bisogna moltiplicare per 100.
Soluzioni e modi di esprimere la composizione
♦ Frazione ponderale
Solvente
liquido nel quale viene
omogeneamente disperso un
Soluto solido liquido gassoso
Soluzione
15
(ml) 100 soluzione volume
(ml) soluto volume
%) (volume
%
Vi = !
Percentuale in volume
Indica il volume di soluto (in millilitri) contenuto in 100 ml di soluzione:
Parti per milione (ppm)
Quando la quantità di soluto è molto piccola, essa viene spesso indicata in parti per milione:
4 i 6
i 10 w % 10
(g) soluzione massa
(g) soluto massa massa)
(in
ppm = ! = !
4 i 6
i 10 V% 10
(ml) soluzione volume
(ml) soluto volume )
(in volume pm
p = ! = !
♦
♦
Con ni numero il numero di moli del componente i-esimo. Le frazioni molari assumono sempre valori compresi fra 0 e 1.
=!
=
i i
i tot
i
i n
n n
X n Xi 1
i =
!
Frazione molare
♦
Concentrazione in grammi/litro g 1000 m n
solvente i i = Molalità
Esprime il numero di moli di soluto contenute in 1 Kg di solvente.
soluzione i i
i V
M n C = = Molarità (mol/l)
Esprime il numero di moli di soluto contenute in 1litro di soluzione.
♦
♦
♦
La concentrazione molare di una specie si può indicare riportando il corrispondente simbolo chimico tra parentesi quadra: [X]
17
Effetto della pressione sulla solubilità: quasi nullo per i liquidi e i solidi, può essere rilevante invece per i gas.
La solubilità (S)
Solo per alcune coppie di liquidi (acqua-etanolo, benzene- toluene) si ha una reciproca solubilità illimitata.
Scelto un determinato solvente, tenendo costante T, esiste un limite alla quantità di una sostanza che si può sciogliere formando un’unica fase omogenea.
SOLUBILITA’ (S) = massima quantità di una sostanza che può essere aggiunta ad un solvente senza che si abbia separazione di fase (ad una data T).
Ad una data temperatura la solubilità di un gas aumenta all’aumentare della pressione.
