Chimica generale

ESEMPI INTERAZIONI MOLECOLARI

Interazione ione-dipolo

Si ha tra uno ione e la carica parziale localizzata sull’estremità di una molecola polare, cioè una molecola che ha

un’estremità positiva e un’estremità negativa e possiede un momento di dipolo.

(es: sale che si dissocia in acqua).

Interazioni dipolo-dipolo

In generale le molecole hanno un momento di dipolo, quindi dove c’è atomo più elettronegativo si ha un D- (delta -).

Due molecole si mettono in modo da avere D- rivolto verso D+. interazione aumenta con separazione di carica.

Molecole con momento di dipolo interagiscono con meno forza rispetto a ioni con cariche nette.

Per molecole di polarità confrontabile, quelle con volumi molecolari inferiori presentano generalmente forze attrattive

dipolo-dipolo più alte.

Dipolo-dipolo indotto

Se la molecola di una sostanza non dotata di momento dipolare si avvicina ad una sostanza dotata di momento

dipolare, la prima può essere soggetta a ridistribuzione istantanea della densità di carica, quindi densità elettronica

cambia per effetto di induzione.

Dipolo indotto – dipolo indotto

Avvicinando due molecole con distribuzione di carica simmetrica può avvenire che in entrambe avvenga una

ridistribuzione della densità elettronica. Secondo il modello dei gas ideali le molecole si muovono liberamente, ma in

realtà c’è influenza di interazioni tra dipoli indotti-dipoli indotti tra molecole e atomi

Forze di dispersione

• Non ci possono essere forze dipolo-dipolo tra atomi e molecole apolari, ma anche i gas nobili possono essere

liquefatti.

• La forza di dispersione di London è la risultate del dipolo istantaneo creato dal movimento degli elettroni in un atomo

dovuto al ravvicinamento di due molecole.

• Il dipolo temporaneo su un atomo può indurre un dipolo istantaneo complementare su un atomo adiacente, così che

gli atomi si attraggono. Il dipolo istantaneo indotto è tanto maggiore, tanto maggiore è la facilità della relativa nuvola

elettronica di essere distorta (polarizzabilità aumenta con peso atomico).

• Anche la forma delle molecole influenza la misura delle forze di dispersione. Per esempio, il n-pentano (a) e il

neopentano (b) hanno la stessa formula molecolare (C5H12), ma il punto di ebollizione del n-pentano è 27 K maggiore

di quello del neopentano. L’attrazione tra molecole è maggiore per il n-pentano perché le molecole possono venire in

contatto lungo l’intera estensione della lunga molecola di forma quasi cilindrica. La superficie di contatto tra le

molecole del neopentano, più compatte e quasi sferiche, è inferiore.

Quando le molecole di due sostanze differiscono ampiamente nei pesi molecolari, le forze di dispersione tendono ad

avere un peso nel determinare quale sostanza ha le attrazioni intermolecolari più forti. In questo caso le differenze

nell’intensità delle forze attrattive possono essere solitamente associate alle differenze nei pesi molecolari, con la

sostanza avente maggiore massa che presenta attrazioni più forti. 28

corso di “Chimica generale” Laurea triennale in ingegneria chimica - politecnico di Milano a.s 2024/25 - 1° s.

Iodio ha Teb così alta perché nel legame I-I c’è un D- al centro e un D+ hai lati, quindi le molecole si mettono in modo

ortogonale l’un l’altra. C’è una sorta di interazione dipolo dipolo.

LEGAME DI H

Interazione che si realizza tra H legato a un elemento elettronegativo e l’elemento elettronegativo di un’altra molecola.

C’è sovrapposizione di orbitali che determina la natura direzionale del legame e la particolare forza dell’interazione. È

legame forte (4-50kJ/mole)

Legame in acqua liquida è più casuale che nel solido ma è abbastanza forte da tenere le molecole insieme, quindi

ghiaccio è meno denso dell’acqua.

Più c’è interazione tra molecole, più si alza la densità (acqua è più densa di benzina).

Se l’idrocarburo è grande aumentano le forze dispersive e quindi si può anche arrivare ad avere un idrocarburo più

denso dell’acqua. La viscosità diminuisce con T.

ALCUNE PROPRIETA’

Viscosità: la facilità con cui le singole molecole del liquido possono muoversi l’una rispetto all’altra, quindi dipende

dalle forze. La viscosità decresce all’aumentare della temperatura.

Tensione superficiale È l’energia che devo fornire per separare di 1cm le molecole che compongono liquido. Le

molecole in superficie sono soggette a interazioni con altre molecole solo in due dimensioni a differenza delle molecole

in tutto il corpo. Per avere più molecole sulla superficie devo fornire energia (tensione superficiale è sempre positiva).

La forza risultante attrae le molecole dalla superficie verso l’interno, tende a ridurre l’area superficiale e spingere le

molecole superficiali ad impaccarsi il più possibile.

Molecole in superficie sono meno stabili di quelle nel corpo, quindi si cerca di minimizzare la superficie per avere un

sistema a basso contenuto energetico. Le forze intermolecolari che legano molecole simili le une alle altre, come il

legame idrogeno in acqua, sono dette forze coesive. Le forze intermolecolari che legano una sostanza ad una superficie

sono dette forze adesive. L’acqua posta in un tubo di vetro aderisce al vetro perché le forze adesive tra l’acqua e il

vetro sono persino maggiori di quelle coesive tra le molecole d’acqua.

.

LA TENSIONE DI VAPORE

Mettendo un liquido sotto una campana ho molecole che si muovono traslazionalmente con una certa Ecin media.

Quelle che si muovono più velocemente passano in fase vapore. Tra queste alcune sono più lente le quali tornano in

liquido. Si crea uno scambio continuo.

Tensione di vapore indica la pressione massima di una certa sostanza in fase vapore sopra la superficie del liquido.

Parlo di equilibrio statico macroscopicamente perché le quantità non cambiano, ma è dinamico microscopicamente

perché c’è scambio continuo di molecole.

TRANSIZIONE DI FASE

La pressione di vapore aumenta all’aumentare della temperatura fino ad eguagliare la pressione esterna esercitata sul

liquido: a questo punto il liquido bolle. Le molecole allo stato gassoso sono molto distanti le une dalle altre. L’energia

richiesta per realizzare il passaggio di fase liquido-gas è detta calore di vaporizzazione. Calore (o entalpia, che è misura

del calore) di vaporizzazione e di fusione sono uguali in modulo ma opposti per 1 mole della stessa sostanza.

Se cambia P cambia anche la Teb, quindi tutto discorso fatto vale a T costante.

Calore di fusione è quantità di E necessaria per rompere legami che tengono fissi atomi in reticolo solido in modo da

farlo diventare liquido (quindi è la differenza di Ecin tra fase liquida e solida). Nel momento di transizione c’è una sosta

termica, E usata per rompere legami e non per scaldare.

DIAGRAMMA DI FASE H2O

Cambiando T e P avvengono i passaggi di fase. Ogni punto del grafico rappresenta un campione che si trova ad una

triplo→Punto

certa T e P, quindi in una certa fase Punto che si trova a una T critica oltre la quale nessun aumento di

pressione può far avvenire liquefazione. Al di sopra della temperatura critica, le energie dei moti delle molecole

superano le forze attrattive che porterebbero allo stato liquido, indipendentemente da quanto la sostanza venga

compressa per indurre le molecole a stare insieme. Forze intermolecolari e temperatura critica di una sostanza sono

direttamente proporzionali. Le sostanze non polari a basso peso molecolare, che presentano deboli attrazioni

intermolecolari, hanno temperature e pressioni critiche inferiori a quelle delle sostanze polari o con pesi molecolari 29

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maggiori. Se diminuisco V e aumento P, le molecole si avvicinano fino a non riuscire a stare più in forma gas (in teoria),

quindi se c’è poca tanta interazione ci sarà un’alta T critica a cui non avverrà passaggio perché serve più Ecin. In

corrispondenza delle righe nere coesistono due fasi mentre nel punto triplo ci sono 3 fasi in equilibrio.

DIAGRAMMA FASE CO2

Cambiando sostanza cambia anche il diagramma di fase. CO2 ha un punto triplo a una T minore. Per avere CO2 liquida

devo stare oltre l’1atm. Qui il punto critico è in C. La CO2 si trova allo stato solido se sto sopra a certe P e sotto certe T.

Mantenendo la P costante, alzando la temperatura avviene una sublimazione, questo vuol dire che CO2 è a -56°C e poi

attorno ai 25°. Nell’aria c’è umidità, quindi quando CO2 viene a contatto con il vapore assorbe energia per passare allo

stato gassoso e il vapore crea una sorta di condensa formando piccole goccioline. Mettendo CO2 liquida in tubo vedo

che esso ha una certa Pv, quindi una certa quantità di vapore sopra il liquido. Se il tubo è chiuso la Pv aumenta e quindi

aumenta la densità del vapore. In questo caso non si vede più una netta separazione tra le due fasi liquida e vapore,

quindi si parla di fase supercritica (alta T e P, oltre punto critico). Il fluido supercritico ha caratteristiche intermedie tra il

vapore e il liquido.

GRADI DI LIBERTA’

I gradi di libertà, o varianza, indicano il numero di parametri intensivi (P, T, []) variabili indipendentemente senza far

variare l’equilibrio raggiunto. In pratica mi chiedo quanti parametri posso variare senza che condizioni cambino, quindi

ho un range di valori per ogni parametro in cui posso muovermi.

Per calcolare la varianza di utilizza la regola delle fasi, o legge di Gibbs

In zona S di grafico ho 2 gradi di libertà (V=1-1+2=2, quindi per rimanere qui posso variare sia P che T), come in G e L.

Quando sono su linea nera tra SG o tra GL o tra LS ho V=1-2+2=1 (posso cambiare una variabile ma l’altra deve variare

di conseguenza alla prima di una quantità precisa per rimanere in linea).

Quando sono in punto triplo ho V=1-3+2=0 (per rimanere nel punto triplo non devo variare nulla).

3.5 Soluzioni

Le soluzioni sono sistemi omogenei che contengono più sostanze:

- Due liquidi

- Due solidi (bronzo, ottone, leghe)

Pt→spugna

- Un gas e un solido (H in di Pt fatta di fili molto sottili che assorbono H in reticolo)

Soluto è in percentuale minore di solvente.

DISSOLUZIONE

Si ha quando una sostanza è dispersa uniformemente nell’altra. Nelle soluzioni si realizzano delle interazioni sia tra

particelle di soluto sia tra soluto e solvente. Le molecole, quindi, in base alle interazioni, si