GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA Lo stato gassoso

GLI STATI DI

AGGREGAZIONE DELLA MATERIA

Lo stato gassoso

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Classificazione della materia

MATERIA

Composizione Struttura Proprietà Trasformazioni

3 STATI DI AGGREGAZIONE

SOLIDO (volume e forma propri) LIQUIDO (volume definito e forma indefinita)

GASSOSO (volume e forma indefiniti)

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Stato gassoso

Caratteristiche

Non hanno forma e volume proprio. Hanno struttura disordinata.

Sono comprimibili, hanno densità molto più basse dei liquidi e dei solidi.

Forze intermolecolari

Le forze intermolecolari sono molto deboli ed inferiori a quelle cinetiche che tendono a disperdere le molecole.

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I liquidi hanno un volume proprio ma non hanno una forma propria. Sono praticamente incomprimibili. Hanno struttura disordinata.

Le forze intermolecolari sono sufficienti a tenere vicine le molecole ma non a mantenere l’ordine nella struttura.

Stato liquido

Caratteristiche Forze intermolecolari

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I solidi hanno un volume e una forma propria. Sono incomprimibili. Hanno struttura ordinata.

Le forze intermolecolari sono sufficienti a tenere vicine le molecole e a mantenere l’ordine nella struttura.

Stato solido

Caratteristiche Forze intermolecolari

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Stato solido Stato liquido Stato gassoso

brinamento sublimazione

fusione evaporazione

solidificazione condensazione

endotermici esotermici

Passaggi di stato

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Unità di misura di pressione

• SI : Pascal (Pa) 1 N m^-2 (1kgm^-1 s^-2)

• 1 bar = 10⁵ Pa

• 1 atm = 101325 Pa

• 1 atm = 760 torr (mmHg)

• 1 atm = 14.7 psi PRESSIONE:

forza per unità di area

A P = F

I gas sono tra i sistemi chimici più semplici: presentano lo stesso comportamento indipendentemente dalla loro natura se la pressione è sufficientemente bassa.

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Equazione di stato per gas ideali

Se la pressione del gas è sufficientemente bassa, i gas mostrano un comportamento uniforme, indipendente dalla loro natura. C’è quindi la possibilità di usare un “modello” che rappresenta il comportamento al quale tendono tutti i gas al tendere a 0 della pressione.

Tale modello considera che il gas sia costituito da molecole con un volume complessivo trascurabile rispetto a quelle del recipiente in cui sono contenute ed inoltre che non esista alcuna interazione tra di esse.

Equazione di stato: equazione che esprime la relazione tra le seguenti variabili termodinamiche: f (P, V, T) = 0

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I gas ideali

Al tendere a 0 della pressione, per tutti i gas il prodotto PV_m, tende ad uno stesso valore che dipende solo da T.

funzione di T ma indipendente dalla natura del gas.

Inoltre, al tendere a 0 della pressione, il rapporto PV_m/T tende ad un valore che è lo stesso per tutti i gas indipendentemente da T.

) (

lim0 =

! m

P PV

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R cost

lim0 = =

! T

PV_m

P

RT PV

=

R: COSTANTE UNIVERSALE DEI GAS R = 0.08206 atm l mol^-1 K^-1

= 8.3143 J mol^-1 K^-1 = 1.9872 cal mol^-1 K^-1 per n moli di gas:

PV = nRT

per i gas ideali P→ atm

V → l n → mol

T → K T(K)=T(°C) + 273.15 R → 0.08206 atm l mol^-1 K^-1

⇒

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“Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di T e P contengono lo stesso numero di molecole”, quindi a temperatura e pressione costante, il volume occupato da un gas è direttamente proporzionale alla sua quantità (in moli).

Definiamo il volume molare V_m (l·mol^-1) come il volume occupato da 1 mole di gas in determinate condizioni di T e P.

V ∝ n (a T e P cost) V_m (l·mol^-1) = cost (a T e P cost)

Legge di Avogadro

Definendo come condizioni normali (STP - “Standard Temperature and Pressure”)

T = O °C = 273,15 K P = 1 atm

Il volume occupato da una mole di qualsiasi gas in condizioni normali diventa

V_m = 22,414 l/mol

Azoto → 22,40 l Ossigeno → 22,40 l Idrogeno → 22,43 l

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2NaN₃(s) 2 Na(l) + 3NΔ ₂ (g)

Tempo di gonfiaggio 20-60 millisecondi MoS₂ lubrificante

S migliore combustione

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Le miscele di gas

1 0.5 ?

1 mol Ar, T = 273 K,

0.5 mol He, T = 273 K,

1 mol Ar + 0.5 mol He, T = 273 K,

La pressione parziale (P_i) di un gas componente di una miscela è la pressione che il gas eserciterebbe se occupasse da solo l’intero volume occupato dalla miscela alla stessa T.

L’equazione di stato dei gas perfetti è valida oltre che per i gas puri anche per i gas in miscela poiché:

• i gas si miscelano in modo omogeneo

• ogni gas presente in una miscela si comporta come se fosse l’unico gas presente (se non intervengono reazioni chimiche).

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Le miscele di gas ideali

Legge di Dalton o dell’additività delle pressioni: la pressione totale esercitata da una miscela di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti

... _I

B A

A tot

A A n n n

n n

X n

+

= +

=

V V

V

n RT RT P

n RT P

n

P_A= _{A B} = _{B I} = _I ) V ....

(

... RT

n n

n n P P

P P

P_tot = _A+ _B+ _C+ _I = _A+ _B+ _C+ _I

V n RT P_tot = _tot

Si possono esprimere le pressioni parziali in funzione della frazione molare del gas:

V n RT P

V n RT

PA = A tot = tot

tot A tot

A

n n P

P = tot

tot A

A P

n P = n

P_A = X_A·P_tot

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GAS REALI

In realtà le molecole non sono masse puntiformi ma possiedono un volume proprio; inoltre esistono delle interazioni tra le molecole.

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Equazioni di stato per i gas reali

Esistono equazioni approssimate che mantengono la semplicità formale dell’eq. di stato per i gas ideali. Tra queste:

Eq. di Van der Waals

Presupposti teorici:

Le interazioni intermolecolari determinano una riduzione dell’efficacia degli urti con le pareti.

Le molecole non possono essere considerate puntiformi, ma hanno una dimensione finita.

I gas REALI seguono l’EQUAZIONE DI STATO solo a BASSA P e ALTA T

Per descrivere più accuratamente il comportamento dei gas reali bisogna correggere l’equazione di stato dei gas ideali.

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Diagramma di Andrews

P

V

Pc

Punto critico

Isoterma critica Gas

liquido

Miscela liquido vapore

vapore

V P

P₂

V₂

V₃

P₃