Chimica per i beni culturali

STATO SOLIDO

Quando si parla di solidi generalmente ci si riferisce ai solidi CRISTALLINI, cioè caratterizzati da

una struttura ordinata che si riproduce. Alcuni solidi non hanno questa struttura ma presentano

irregolarità e vengono chiamati AMORFI (es. vetro).

Il RETICOLO CRISTALLINO è la ripetizione nelle tre dimensioni di una CELLA ELEMENTARE

che ne rappresenta la più piccola porzione. In tutto abbiamo 7 forme per un cella elementare + altre

7 che differiscono dalle prime non per forma ma per quantità di particelle (RETICOLI DI BRAVAIS).

La cella più semplice ha forma cubica e quindi angoli di 90 gradi. Le particelle si distribuiscono

all'interno della cella in vari modi.

NUMERO DI COORDINAZIONE = numero di particelle (o sferette) con le quali una particella è in

contatto.

SOLIDI COVALENTI = C e Si sono in grado di formare 4 legami covalenti creando strutture che

possono essere considerate come un'unica molecola. Sono solidi molto duri, con legami molto forti,

e sono pessimi conduttori a causa dell'impossibilità degli elettroni di muoversi liberamente.

Esempio: diamante

SOLIDI IONICI = gli atomi sono differenti a livello di elettronegatività e i legami sono di tipo ionico.

La forte attrazione tra gli ioni rende questi solidi duri ma se vengono tagliati lungo un determinato

piano è possibile romperli. Sono inoltre solubili in solventi polari (es. acqua).

SOLIDI MOLECOLARI = i solidi dei non metalli e dei loro composti sono formati da molecole in

cui gli atomi sono legati tramite forze covalenti mentre le molecole sono tenute insieme da forze

molto più deboli (es. iodio, saccarosio, ghiaccio). Se intervengono legami a idrogeno, più forti, la

temperatura di fusione sarà più alta.

Solo alcune interazioni tra materia e radiazione elettromagnetica sono osservabili nel campo del

visibile. I metalli alcalini e alcalini-terrosi sono gli elementi con lo spettro di emissione più

interessante. Il litio ad esempio ha una fiamma rossa, il sodio giallo intenso e il potassio lilla.

Il colore dei composti è determinato dalle loro transizioni elettroniche.

Se si osserva la materia allo stato solido si possono distinguere due grandi gruppi di materiali, quelli

ORDINATI, in cui i reticoli cristallini sono quasi perfetti, e quelli DISORDINATI, chiamati anche

SOLIDI AMORFI. Una via di mezzo tra questi composti sono i QUASI CRISTALLI.

Es. acciaio, lega di ferro, cromo e nichel → ordinato se si lascia solidificare lentamente, altrimenti

disordinato.

La lunghezza d'onda dei raggi X è paragonabile alla distanza tra i piani reticolari e quindi i solidi

cristallini possono essere studiati tramite i raggi X (il primo reticolo cristallino ad essere stato studiato

è quello del cloruro di sodio).

In un reticolo cristallino possono essere presenti difetti, chiamati VACANZE, cioè mancanze di un

atomo o uno ione. Possono esserci anche atomi interstiziali, cioè più piccoli di quelli che costituiscono

il reticolo, che possono disporsi nei vuoti della struttura. Aggiungendo ad esempio un atomo di H

all'interno di un reticolo, essendo un atomo molto piccolo si andrà a disporre tra gli altri atomi

infragilendo la struttura del materiale. Questo tipo di difetti sono detti puntiformi.

I difetti lineari si hanno quando ad esempio si ha una struttura del reticolo che in punti di dislocazione

diventa irregolare. STATO LIQUIDO

La struttura è dinamica, continuamente soggetta a modifiche. Lo stato liquido può essere considerato

una via di mezzo tra quello solido e quello gassoso.

TENSIONE SUPERFICIALE = le molecole all'interno del liquido sono soggette a forze attrattive

delle altre molecole in tutte le direzione e la risultante di queste forze è nulla. In superficie invece

sono in numero minore per cui la forza risultante non sarà nulla ma diretta verso l'interno del liquido.

All'interno vi sarà quindi meno energia e il liquido tende a mantenere la superficie esterna minore

possibile. La tensione superficiale rappresenta l'energia richiesta per aumentare la superficie di un

liquido. Questa proprietà può essere abbassata usando i TENSIOATTIVI.

VISCOSITÀ = attrito interno di un liquido e indica la maggiore o minore difficoltà di scorrimento su

una superficie adiacente. Più forti sono le forze intermolecolari maggiore è la viscosità che in genere

diminuisce con l'aumento della temperatura perché le particelle acquistano maggiore energia.

TENSIONE DI VAPORE = a parità di temperatura un liquido evapora più o meno facilmente a

seconda delle forze che tengono unite le molecole. Avranno maggiore possibilità di allontanarsi dalla

molecola le particelle che hanno energia maggiore. Man mano che le particelle si svincolano dal

liquido si formerà un gas che all'aumento delle particelle tenderà a ri-condensarsi nel liquido

originale. I due fenomeni coesistono fino al raggiungimento di un equilibrio.

Si tratta in pratica della pressione esercitata da un vapore in equilibrio con un liquido, è costante a

temperatura costante e in genere aumenta all'aumentare della temperatura.

I liquidi con tensione di vapore alta vengono chiamati VOLATILI.

STATO GASSOSO

TEORIA CINETICA DEI GAS = le molecole del gas sono in movimento e al tempo t possiedono

una certa energia cinetica che non può essere determinata a causa dei continui urti delle molecole che

cambiano di conseguenza l'energia stessa.

Le leggi dei gas vengono stabilite in base a quello che viene chiamato GAS IDEALE o GAS

PERFETTO (pressione di un atm, temperatura di 0 gradi centigradi, cioè 273 gradi Kelvin):

1. particelle soggette a continui movimenti casuali

2. il volume delle particelle è trascurabile rispetto a quello del gas

3. non vi sono interazioni tra le particelle

4. gli urti tra le particelle sono perfettamente elastici

LEGGE DI BOYLE = per una certa quantità di gas a temperatura costante il volume del gas è

inversamente proporzionale alla pressione (PV=cost, legge isoterma).

LEGGE DI CHARLES = a volume costante la pressione di una certa quantità di gas è direttamente

proporzionale alla temperatura (P/T = cost, legge isocora).

LEGGE DI GAY-LUSSAC = a pressione costante il volume è direttamente proporzionale alla

temperatura (V/T = cost, legge isobara).

EQUAZIONE DI STATO DEI GAS PERFETTI

PV = n RT

R = PV/T

n = moli di gas

La FRAZIONE PARZIALE di ogni componente del gas è data dal prodotto della pressione totale per

la frazione molare di quel componente.

Gas reali:

il volume occupato dalle molecole non è trascurabile rispetto al volume del gas e vi sono reazioni tra

le molecole che lo compongono.

EQUAZIONE DI VAN DER WAAL PER I GAS REALI

(P + a(n^2/V^2)) (V-nb) = nRT

PASSAGGI DI STATO SUBLIMAZIONE

---------------------------------------------------------------------->

→ →

FUSIONE EVAPORAZIONE

stato solido stato liquido stato gassoso

← ←

SOLIDIFICAZIONE CONDENSAZIONE

<-----------------------------------------------------------------------

BRINAMENTO

NB. vedi grafico dei passaggi di stato

SOLUZIONI = miscele omogenee di due o più specie chimiche. Il SOLVENTE è il componente che

si presenta allo stesso stato della soluzione mentre l'altro componente si chiama SOLUTO. Se

entrambi i componenti si trovano allo stesso stato, il solvente è quello che si trova in maggior quantità.

Soluzioni gassose = miscele gassose

Soluzioni liquide = gas + liquido oppure solido sciolto in un liquido

Soluzioni solide = gas, solido o liquido sciolti in un solido

Quando un solido ionico entra in contatto con l'acqua (polare), questa interagisce con il reticolo

sciogliendo i legami e attorno allo ione passato in soluzione si formano vari strati di molecole d'acqua

orientate in base alle interazioni bipolari. Lo ione si dice così SOLVATATO.

CONCENTRAZIONE = indica la quantità di soluto presente in una certa quantità di soluzione. Una

soluzione CONCENTRATA presenta un'elevata quantità di soluto mentre nel caso opposto la

soluzione si dice DILUITA.

MOLARITÀ (M) = esprime le moli di soluto contenute in un litro di soluzione.

Facendo avvenire una reazione di NEUTRALIZZAZIONE è possibile calcolare la concentrazione di

soluzione di un acido.

PROPRIETÀ COLLIGATIVE = dipendono dal numero di particelle presenti e non dalla loro natura

e sono teorizzate per soluzioni ideali, dove cioè non avvengono interazioni tra le particelle.

LEGGE DI RAOULT = per una soluzione ideale la tensione di vapore di ogni componente è data dal

prodotto della tensione di vapore di quella sostanza (stato puro) per il valore della sua frazione molare.

Considerato che l'aggiunta di un soluto provoca un abbassamento della tensione di vapore del

solvente, la temperatura di ebollizione di un liquido è il valore per il quale la tensione di vapore del

liquido è uguale alla pressione esterna e la temperatura di solidificazione è la temperatura a cui la

tensione di vapore della fase liquida e della fase solida sono uguali:

1. la temperatura di ebollizione di una soluzione è superiore a quella del solvente puro

2. la temperatura di solidificazione di una soluzione è inferiore a quella del solvente puro

INNALZAMENTO EBULLOSCOPICO = variazione di temperatura di ebollizione, proporzionale

alla molarità della soluzione.

ABBASSAMENTO CRIOSCOPICO = abbassamento della temperatura di congelamento.

OSMOSI = quando una soluzione e il suo solvente sono separati da una membrana che permette

unicamente il passaggio delle molecole del solvente queste tendono a passare in soluzione per

equilibrare la differenza di concentrazione nei due lati della membrana.

PRESSIONE OSMOTICA = pressione che deve essere esercitata sulla soluzione per impedire che il

solvente passi nella soluzione.

Il carbonio oltre ai composti inorganici forma anche molecole che contengono principalmente

carbonio e idrogeno e in alcuni casi elementi elettronegativi (es. ossigeno).

I COMPOSTI ORGANICI sono caratterizzati da catene stabili di atomi di carbonio di varia

lunghezza. In questo genere di composti il carbonio tende a formare quattro legami covalenti e una

volta raggiunto l'ottetto rimane stabile.

In molti casi una stessa formula molecolare corrisponde a diverse formule di struttura e i composti di

questo tipo vengono chiamati ISOMERI.

IDROCARBURI = contengono esclusivamente carbonio e idrogeno e possono essere ALIFATICI

(con struttura a catena, SATURI, con legami semplici, o INSATURI) oppure AROMATICI (derivati

dal benzene, i composti aromatici presentano il carbonio irbidato sp^2 che alterna legami singoli a

legami doppi).

ALCANI = idrocarburi insaturi in cui il carbonio presenta ibridazione sp3 e forma esclusivamente

legam