Chimica generale pt 2 - Appunti per esame orale

[ ] LO STATO SOLIDO DELLA MATERIA

8 L’ordine con cui normalmente si studiano i tre

stati è solido - gassoso - liquido.

Questo perchè lo stato solido e lo stato

gassoso sono stati di aggregazione limite,

razionabili secondo modelli semplici.

Mentre lo stato liquido è uno stato intermedio

tra i due.

Si può passare da uno stato all’altro.

IL MODELLO IDEALE DELLO STATO SOLIDO stato solido stato cristallino.

Nel linguaggio scientifico la denominazione di è sinonimo di

Si parla di sostanze allo stato solido quando presentano una disposizione ordinata delle unità

costitutive (atomi, molecole, ioni) le quali si ripetono periodicamente nello spazio. In un solido

cristallino è quasi sempre possibile individuare un motivo che si ripete con regolarità, e tale

regolarità ha conseguenze geometriche anche su scala macroscopica, ovvero si notano nella

forma del cristallo.

Questo modello ideale dello stato solido si basa sull’ipotizzare che un solido sia costituito da delle sfere

rigide, non deformabili da parte delle interazioni o dalla formazione di legami.

Se penso di distribuire queste sfere rigide e uguali tra di loro su un piano ottengo che posso avere due

diversi tipi di disposizioni:

Ogni sfera interagisce con ogni sfera che ha vicino, questa interazione sarà tanto maggiore tanto più sono le

numero di

sfere che la circondano, il numero di sfere con cui interagisce una sfera centrale è chiamato

coordinazione (n.c.).

Per il principio della minima energia ogni particella è spinta a interagire con forze di attrazione con il maggior

numero possibile di altre particelle.

Per questo motivo le particelle tendono a disporsi nel modo più compatto possibile in modo da ridurre al

minimo gli spazi vuoti e a dare luogo al maggior numero di interazioni possibile (numero di coordinazione più

alto).

Perciò tra i due tipi di disposizioni è favorito il primo, ma siccome ci sono vari fattori che influenzano questa

disposizione, ad esempio il fatto che le particelle non siano esattamente sferiche oppure le diverse

dimensioni degli ioni positivi e negativi nei composti ionici, porta all’esistenza di una grande varietà di

strutture cristalline. disposizione a massimo

In ogni caso le due disposizioni di sfere uguali prendono il nome di

impacchettamento non massimo impacchettamento

dove ogni sfera è a contatto con altre 6 (sx) e a dove

ogni sfera è a contatto con altre 4 (dx). massimo

Se andiamo a disporre anche uno strato superiore e uno inferiore allo strato a

impacchettamento, per ottenere il maggior numero di sfere a contatto, dovrò disporle in corrispondenza

delle cavità dello strato iniziale.

In questo modo ogni sfera è a contatto con 6 sfere del suo strato, con 3 dello strato superiore e con 3 dello

strato inferiore. Si dice che il suo numero di coordinazione è 12.

MA posso avere due situazioni diverse avendo lo stesso numero di coordinazione 12:

In una situazione lo Nell’altra situazione lo

strato superiore coincide strato inferiore coincide

esattamente con lo con le cavità dello strato

strato inferiore, si ottiene superiore, si ottiene una

una sequenza A-B-A-B, sequenza A-B-C-A-B-C

e il reticolo è di tipo e il reticolo è di tipo

esagonale compatto cubico a facce centrate

Questo per quanto riguarda strutture a massimo impacchettamento che sono assunte ad esempio da alcune

sostanze allo stato elementare (principalmente metalli e gas nobili allo stato solido), mentre per quanto

non a massimo impacchettamento

riguarda le strutture quelle più comunemente adottate dalle sostanze

sono: quella cubica a corpo centrato con numero di coordinazione 8 e quella cubica semplice con numero di

coordinazione 6.

Anche se si ha una struttura a massimo impacchettamento sono comunque presenti degli spazi vuoti che si

chiamano cavità. Possono essere di due tipi: ottedriche e tetraedriche.

Prendono questo nome non in base alla loro forma ma in base alla disposizione delle sfere che le

racchiudono. cavità tetraedica

La si trova tra 4 sfere disposte ai vertici di un tetraedro.

Il numero di cavità tetraedriche è il doppio del numero di sfere.

cavità ottaedrica

La si trova tra 6 sfere disposte ai vertici di un ottaedro.

Il numero di cavità ottaedriche è uguale al numero di sfere.

LE STRUTTURE DEI COMPOSTI IONICI

Il modello a massimo impacchettamento può essere utilizzato per comprendere le strutture dei composti

ionici.

I composti ionici sono costituiti da anioni (-) e cationi(+), gli anioni hanno dimensioni molto più grandi rispetto

agli anioni, e si può perciò pensare che il reticolo sia costituito dagli anioni, mentre i cationi di trovano nelle

cavità che si formano.

numero di coordinazione

In questo caso il corrisponde al numero di ioni di segno opposto che circondano

un dato ione. Il numero di coordinazione dipende dalle dimensioni relative fra cationi e anioni, ovvero dal

rapporto dei raggi (r+/r-). NaCl:

Ad esempio per il cloruro di sodio

• il rapporto tra i raggi è r+/r- = 0,53

• Nel reticolo Na+ occupa le cavità ottaedriche del reticolo di Cl-

• Il numero di coordinazione è 6 per cationi e anioni

Ha una struttura molto comune.

Il numero di coordinazione dipende dalle dimensioni relative fra cationi e anioni, ovvero dal rapporto dei raggi

(r+/r-), vuol dire che quando questo rapporto aumenta significa che i cationi si fanno più posto e gli anioni si

allontanano gli uni dagli altri. Nella tabella sono riportate le distanze in alcuni

composti che hanno la stessa struttura di NaCl.

Si nota come variano le distanze al crescere del

rapporto tra i raggi.

I RETICOLI DEI SOLIDI CON STRUTTURA MOLECOLARE COVALENTE

molecole discrete

Quando parliamo di sostanze costituite da non sempre si trovano in strutture a massimo

impacchettamento, anche se comunque tendono a disporsi nel modo più compatto possibile, questo

perchè:

• le molecole non sempre sono riconducibili a una forma sferica

• le forze di interazioni intermolecolari tendono a disporre le molecole con orientazioni preferenziali in modo

da rendere massima la loro interazione. legami direzionali

solidi molecolari

La struttura dei dipende perciò essenzialmente dalla geometria delle molecole e dalla

direzionalità dei legami.

Quindi nel caso in cui le molecole hanno forma sferica o assimilabile a una sfera, le forze di

interazione non sono direzionali e la sostanza assume allo stato solido una struttura a

massimo impacchettamento.

Questo accade ad esempio nel caso dei gas nobili (a bassissime temperature) dove

molecole elementari dei gas sono tenute insieme da forze di London e quindi permettono di

assumere strutture a massimo impacchettamento. (a destra l’impacchettamento del gas nobile Ar)

Un altro esempio è quello delle molecole di O , H , N e gli alogeni, anche se non sono

2 2 2

riconducibili a forma sferica perchè hanno una forma più allungata, sono molecole apolari

che non presentano forze di interazioni direzionali, e quindi anche loro possono ottenere

strutture a massimo impacchettamento. (a destra l’impacchettamento delle molecole di O )

2

Passando a molecole più complesse si ottengono strutture più complesse, tuttavia se le forze intermolecolari

non hanno proprietà spiccatamente direzionali possono essere ricondotte a strutture a massimo

impacchettamento anche se più o meno distorte.

Mentre se ci troviamo nella situazione in cui sono presenti forze intermolecolari

direzionali, ad esempio se sono presenti legami a idrogeno, la struttura non potrà essere

a massimo impacchettamento, questo è il caso del ghiaccio.

Le molecole tendono a disporsi in modo da rendere massima la loro interazione.

Esistono anche dei solidi che rappresentano un eccezione alla regola del massimo impacchettamento e

solidi con struttura covalente polimera.

sono i Ovvero sono dei solidi in cui gli atomi son legati fra

TUTTI

loro da legami covalenti, che sono legami direzionali.

Il numero di legami covalenti che si formano dipende dalla sostanza (quindi dalla sua configurazione

elettronica), ed essendo composti molto diversi tra loro non è possibile razionalizzare un modello comune e

una geometria di struttura comune per racchiuderli tutti.

Un caso particolare che si riporta spesso è quello delle forme allotropiche, ovvero quando abbiamo un

composto le cui molecole allo stato elementare possono disporsi in modi diversi, dovuto a diverse condizioni

in cui si sono formati che hanno fatto si che si cristallizzassero in modi diversi, e quindi presentano due

aspetti completamente diversi.

Un esempio classico è quello del Carbonio, che allo stato naturale si presenta in due forme allotropiche,

diamante e grafite. La formula di entrambi è C. La gra te è formata da

Il diamante è formato piani di carbonio tenuti

da una concatenazione insieme da forze di

continua di tetraedri, ha Vander Waals, ha

numero di numero di

coordinazione 4, è più coordinazione 3, è

compatto della gra te. meno compatto del

diamante.

ALCUNE PROPRIETA’ DEI SOLIDI CORRELATE AL LEGAME CHIMICO

Nelle sostanze che presentano una struttura solida covalente polimera, l’energia di legame fra gli atomi è

durezza.

molto forte. Una proprietà che dipende direttamente dall’energia di legame è la

durezza

La è la resistenza che le sostanze oppongono alla scalfittura da parte di un punzone, ovvero la

resistenza che gli atomi oppongono al loro reciproco allontanamento nel punto della scalfitura. ( Come abbiamo

detto dipende dall’energia di legame tra gli atomi).

Il diamante segna il limite superiore della scala della durezza, ovvero ha valore massimo.

Il limite inferiore è segnato dal talco. fragilità.

Una proprietà che invece dipende dalla direzionalità del legame è la

fragilità

La è la possibilità di frattura di un cristallo di una sostanza per azione di sollecitazioni meccaniche

esterne. Questo avviene perchè non potendo variare la direzione dei legami covalenti, se avviene una

deformazione del cristallo conseguentemente avviene una rottura.

Entrambe sono caratteristiche diverse del mondo macroscopico che sono riconducibili a caratteristiche diverse del

mondo microscopico.

I SOLIDI COVALENTI POLIMERI TRIDIMENSIONALI SONO:

Duri

• Fragili

• Non sono solubili in alcun solvente

• Non conducono corrente elettrica

•

La grafite però è sfaldabile e è un discreto conduttore, questo è dovuto alla presenza di forze di Van der

Waals che tengono insieme gli strati di atomi di carbonio.

I SOLIDI COVALENTI MOLECOLARI SONO:

→

poco duri

• perchè le molecole sono tenute insieme da forze di Van der Waals, che sono forze deboli e

perciò c’è una bassa energia intermolecolare

→

Deformabili/poco fragili

• perchè la adirezionalità dei legami fa si che se si sposta un piano su un altro

si ha una situazione identica a quella originale.

→

Non conducono corrente elettrica

• perchè hanno elettroni localizzati sulle singole molecole

Se sono presenti legami a idrogeno però diventano fragili.

I METALLI SONO:

solidi

• sono a temperatura ambiente (tranne il mercurio)

duttili

• Sono →

malleabili

• Sono dovute al fatto che la traslazione di un piano di atomi sull’altro porta solo a cambiare la

forma del solido, ma a livello energetico non cambia niente.

Però per far slittare un piano sull’altro inizialmente viene spesa energia meccanica, necessaria per rompere i

legami chimici, appena si ricostruiscono l’energia di legame si libera sotto forma di calore, per questo

scalda.

quando un metallo viene lavorato si

elastici

• Sono perchè i legami sono adirezionali. Ovvero quando un metallo è sottoposto a una

sollecitazione, alcuni atomi interessati a questa sollecitazione si muovono dalla loro posizione, senza che

implichi la rottura dei legami, (il metallo si è temporaneamente piegato o allungato) quando la

sollecitazione cessa ritornano alla posizione iniziale e il metallo ritorna alla forma iniziale.

I SOLIDI IONICI SONO:

duri

• sono fragili

• Sono isolanti solido

• Sono elettrici allo stato

conduttori liquido

• Sono allo stato

[ ] LO STATO GASSOSO DELLA MATERIA

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IL MODELLO STRUTTURALE DELLO STATO GASSOSO

Un gas occupa tutto lo spazio che è a sua disposizione, non ha ne volume ne forma propria ma prende

quella del volume in cui è contenuto.

Le particelle allo stato gassoso possiedono energia cinetica maggiore dell’energia di interazione, per tanto

tendono a occupare tutto lo spazio a loro disposizione.

Lo stato gassoso è caratterizzato da 4 proprietà:

• due sono proprietà estensive, ovvero che dipendono dall’estensione del sistema/dalla massa e sono il

volume quantità di sostanza.

e la

• due sono proprietà intensive, ovvero che dipendono solo dalla natura della sostanza e non dalla sua

temperatura pressione.

estensione e sono la e la

Alcune informazioni sulle varie grandezze: la quantità di sostanza si misura in moli, la pressione, visto che è

² ²

una grandezza derivata ( e si misura in Pascal. La pressione di un gas,

forza/superficie, 1 N/m = 1kg/ms = Pa)

supposto all’interno di un recipiente, è la forza esercitata dalle molecole del gas per unità di superficie

perpendicolarmente ad essa, ovvero se pensiamo alle molecole di gas in continuo movimento all’interno di

un recipiente, esse urteranno continuamene le pareti, e urtandole esercitano delle forze, che sono appunto

dovute alla pressione. La temperatura è espressa in Kelvin, il volume è quello del recipiente che contiene il

gas.

Tutte queste proprietà si trovano all’interno di alcune leggi, queste leggi sono tutte leggi sperimentali ricavate

guardando il comportamento dei gas reali sottoposti a variare della pressione (P), della temperatura (T) e del

volume (V), è rappresentano un idealizzazione del comportamento dei gas ideali.

Queste leggi sono:

la legge di Boyle

• → PV=k

con temperatura costante

la legge di Charles e Gay-Lussac

• → V=kT

con pressione cosante (si nota che il volume è direttamente proporzionale alla temperatura)

→ P=kT

con volume costante (si nota che la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura)

equazione dei gas perfetti o dei gas ideali

È possibile unire le tre leggi un un unica equazione che è detta

È una legge sperimentale ma da dei buoni risultati anche per i gas reali, li descrive con buona approssimazione a

temperature e pressioni non troppo elevate, racchiude tutte e tre le leggi.

R corrisponde alla costante universale dei gas, il suo valore dipende dalle unità di misura utilizzate.

scale termometriche:

Esistono diversi tipi di SCALA ASSOLUTA: K

SCALA CENTIGRADA: °C • l’ampiezza dell’intervallo di

• lo 0 corrisponde alla temperatura di un grado è

temperatura di equilibrio tra uguale a quella della scala

acqua e ghiaccio alla centigrada

pressione di 1 atmosfera • lo 0 però non è uguale, e

• 100°C corrispondono alla corrisponde a + 273,15 °C

temperatura normale di • T(K)=T(°C) +273,15

ebollizione • ammette solo valori positivi

• Ammette valori negativi principio di Avogadro

Nell’equazione dei gas è compreso quello che si chiama , secondo il quale

(1811)

volumi uguali di gas diversi, nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, contengono lo stesso

numero di particelle.

Con il principio di Avogadro nel caso dei gas invece di utilizzare le moli posso utilizzare i volumi, perchè so

che volumi uguali contengono lo stesso numero di molecole.

Nel caso dei gas il volume può essere utilizzato come misura della quantità di

sostanza a cui è direttamente proporzionale.

Cosa è un gas ideale? E cosa lo differenzia da un gas reale?

La definizione di gas ideale è un gas costituito da particelle tutte uguali che si muovono di moto rettilineo

uniforme ma in modo casuale, il loro volume si considera trascurabile rispetto al volume del recipiente, in

pratica è come se avessero a disposizione l’intero recipiente perché sono considerate come puntiformi.

(In un gas reale questo non è possibile perché le particelle hanno un loro volume, quindi il volume che hanno

a disposizione del recipiente sarà il volume totale del recipiente meno il volume occupato dalle particelle).

Inoltre in un gas ideale c’è assenza di interazioni e gli urti che avvengono sulle pareti del recipiente dovuti

alla pressione sono urti completamente elastici. (In un gas reale invece dopo un urto si ha una variazione

dell’energia).

Per i gas ideali vale l’equazione di stato dei gas ideali.

Dato che le particelle si muovono posso definire un energia cinetica media <E >, essa sarà uguale a:

cin

Dato che nell’equazione è presente un rapporto tra due costanti, si ricava un ulteriore costante k, costante di

Boltzmann. l’energia media delle particelle è direttamente proporzionale alla

Da questa equazione si ricava che

temperatura in Kelvin, ovvero che se mi trovo allo zero assoluto non ho movimento, perchè ho energia

cinetica media uguale a 0. Se aumento la temperatura di un gas aumento l’energia cinetica media delle

particelle.

La temperatura è una grandezza termodinamica ed è correlata con il movimento delle particelle.

Un equazione di questo tipo è valida anche nei liquidi e nei solidi anche se è molto meno comprensibile, si

dice vibrazionale. ( Ad esempio nel caso del solido