Elementi di Chimica

La temperatura e l'energia cinetica delle particelle

La temperatura è una misura diretta dell'energia cinetica media delle particelle.

Approfondimento: i gas reali

Due affermazioni della teoria cinetica sono discutibili:

1. Il volume che occupano le particelle è trascurabile.
2. Le forze di attrazione tra molecole di gas sono nulle.

In realtà i gas reali non sono comprimibili come quelli ideali e il loro volume è maggiore di quello atteso per i gas ideali. P(V - nb) = n RT0K

Volume proprio dei gas

È un parametro, detto di van der Waals, che consente di correggere il volume. Aumenta all'aumentare delle dimensioni molecolari.

Gli urti non sono perfettamente elastici. Inoltre, abbassando la temperatura, le molecole si avvicinano, quelle più polari o polarizzabili sono attratte (condensazione).

Oltre un certo limite, però, domina l'effetto del volume proprio, che fa prevalere le forze repulsive.

Equazione di Van Der Waals: 2(P + an)(V - nb) = nRT

a = pressione interna o di coesione. Parametro di Van Der Waals che corregge la pressione.

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ZI gas reali: fattore di compressione PV/Vanz = -nRT/(V - nb)

V1anz = -RT/(Vnb - V)

Vm(reale)z = Vm(ideale)

Lunedì 26 Aprile 2021

Lo stato liquido

Stato liquido: ordine a corto raggio, ovvero regolarità limitata (situazione intermedia tra l'ordine dello stato solido e il disordine dello stato gassoso).

A differenza dei solidi, nei liquidi l'energia cinetica delle particelle riesce, almeno parzialmente, a superare le forze intermolecolari.

Ad esempio, nel passaggio (fusione) da solido (ghiaccio) a liquido si rompono circa il 10% dei ponti idrogeno. I rimanenti si creano e si rompono continuamente.

Nello stato liquido coesistono unità costitutive in completo disordine ed embrioni di teoria.

cinetica dei gas ideali

La può essere applicata con successo anche per descrivere i liquidi, anche se le collisioni fra le unità costitutive in un liquido sono moltopiù frequenti che in un gas. I liquidi sono caratterizzati da:

1. Energia superficiale.1. (tensione)
2. Viscosità.2. Pressione di vapore
3. (tensione) (v. lezioni equilibri fisici).

Liquidi molecolari: unità costitutive molecole.

forze di coesione forze intermolecolari Pagina 76

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Energia (tensione) superficiale

Le molecole all’interno del liquido risentono dell’interazione con le altre molecole in tutte le direzioni.

La superficie del liquido è tale da rendere minimo il numero di molecole in superficie.

La sfera è il solido con il rapporto superficie/volume minore.

La tensione superficiale è l’energia richiesta per aumentare l’area della superficie di un liquido di una unità di area.

La tensione superficiale cresce con le forze di coesione. La capillarità è l'insieme di fenomeni dovuti alle interazioni fra le molecole di un liquido e un solido sulla loro superficie di separazione. Le forze in gioco che si manifestano in tale fenomeno sono la coesione, l'adesione e la tensione superficiale. La capillarità è un fenomeno che si verifica in tubi sottili con sezione dell'ordine di 1-2 mm, detti appunto capillari. Immergendo un capillare in un liquido, può succedere che all'interno del capillare il liquido si posizioni ad un livello più alto (è il caso dell'acqua) o ad un livello più basso (è il caso del mercurio) a seconda che il liquido bagni o non bagni le pareti del capillare, a seconda cioè che prevalgano le forze di adesione tra le molecole del liquido e il recipiente o le forze di coesione tra le particelle del liquido. La superficie libera del liquido all'interno del capillare è curva.

capillare, non è piana: se il capillare ha sezione circolare, il liquido tende ad assumere una forma di calotta sferica che può essere concava come nel caso dell'acqua (si dice in questo caso che il menisco è concavo) o convessa come nel caso del mercurio (si dice in questo caso che il menisco è convesso). All'interno di una buretta il menisco è concavo.

H₂O Hg Menisco concavo e convesso acqua ( ) e mercurio metallico ( ) in una provetta di SiO₂ quarzo ( ).

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Come si quantifica la bagnabilità di una superficie?

Viscosità e forze intermolecolari La viscosità è la resistenza di un liquido a fluire. Allo scorrimento relativo delle due lastre parallele si oppone una forza che dipende dalle forze di coesione molecolari del liquido. La viscosità è proporzionale a N s questa forza. Si misura in Pa·s m².

La viscosità di un liquido è

determinata dalle sue forze intermolecolari. L'opposizione al movimento delle molecole implica viscosità. Ad esempio, (viscosa di benzene) viscosità degli idrocarburi ad elevato peso molecolare. La viscosità di un fluido, che è la sua resistenza allo scorrimento, dipende essenzialmente dalle interazioni che si esercitano tra le molecole. Le molecole d'acqua interagiscono tra loro attraverso dei forti legami a ponte d'idrogeno, che sono dovuti alla forte elettronegatività dell'ossigeno che è capace di attrarre a se gli elettroni del legame con gli atomi di idrogeno; questo fa sì che sulla molecola di formi una separazione di carica (dipolo elettrico), e che si esercitino delle forze tra le molecole vicine. Questa interazione è anche responsabile dell'alto punto di ebollizione. Il benzene invece è una molecola perfettamente

La polarità delle molecole di carbonio e ossigeno è dovuta alla loro asimmetria e alla bassa differenza di elettronegatività tra i due elementi. Le uniche forze che si esercitano tra queste molecole sono le forze di Van der Waals, che hanno un'intensità molto più bassa e dipendono dal peso molecolare. Di conseguenza, queste molecole sono meno vincolate tra loro e presentano una minore resistenza allo scorrimento. Le forze di Van der Waals diventano importanti nelle molecole con un peso molecolare più elevato e sono responsabili della viscosità degli oli, insieme alla loro struttura lineare che permette una maggiore vicinanza tra le molecole. La viscosità di molti liquidi diminuisce all'aumentare della temperatura. Ad esempio, la viscosità dell'acqua a 100°C è inferiore a quella a 0°C. Introducendo energia nel sistema, la viscosità diminuisce. Tuttavia, ci sono eccezioni come la rottura degli anelli. L'ordine a corto raggio è una caratteristica dei.

liquidi: infatti, a differenza dei solidi in cui la maggior parte dei materiali forma degli aggregati cristallini con simmetrie che si ripetono lungo tutto il cristallo, nei liquidi, trattandosi di strutture dinamiche e quindi soggette a movimento continuo, si può osservare ordine solo nelle immediate vicinanze delle molecole. Le molecole vicine si dispongono in maniera ordinata in virtù delle deboli forze di interazione (legami ad idrogeno, interazioni dipolo-dipolo e forze di Van de Waals). Tali forze non sono però tali da vincere fenomeni di diffusione, di agitazione termica etc. che ne fanno un sistema dinamico e quindi disordinato a lungo raggio.

Esistono stati intermedi fra solido e liquido dette mesofasi, costituiti da sostanze macroscopicamente liquide (volume ma non forma proprie) e microscopicamente parzialmente cristalline. Può insorgere una mesofase quando le molecole hanno forma fortemente anisotropa, per esempio quando sono lunghe e sottili o si

Presentano comedischi. Le interazioni fra tali molecole, sia attrattive sia repulsive, favoriscono l'emergenza di un ordine derivante dalla loro orientazione reciproca. Le più comuni sono le molecole rodlike chiamate mesogeni calamitici la cui componente assiale è maggiore di quella radiale, per cui sono assimilabili a bacchette rigide, mentre le molecole discotiche (dette mesogeni discotici) sono invece tali per cui la componente radiale è confrontabile con quella assiale. Il loro cuore è costituito da anelli benzenici, trifenilici e così via. Entrambi i cristalli liquidi derivanti da mesogeni calamitici e discotici appartengono a una famiglia detta termotropica perché la mesofase si origina dal componente puro per raffreddamento o per riscaldamento. Cristalli liquidi discotici sono mesofasi formate da molecole discoidali noti come "mesogeni discotici". Queste fasi sono spesso indicate anche come fasi colonnari. Pagina 79

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Mesogeni discotici sono tipicamente costituiti da un nucleo aromatico circondata da catene alchiliche flessibili. I nuclei aromatici permettono trasferimento di carica nella direzione di impilamento attraverso i sistemi coniugati. Il trasferimento di carica permette che i discotici cristalli liquidi siano elettricamente semiconduttivo lungo la direzione di impilamento. Applicazioni si sono concentrati sull'uso di questi sistemi in dispositivi fotovoltaici, organici diodi emettitori di luce (OLED), e fili molecolari. Discotici sono stati anche suggeriti per l'uso nei film di compensazione, per i display a cristalli liquidi.

Cristalli liquidi

I cristalli liquidi sono sostanze che possiedono un ordine a lungo raggio imperfetto a somiglianza dei liquidi in almeno una direzione spaziale, ma un ordine relativo alla posizione o all'orientazione almeno in un'altra direzione.

Approfondimento: Smart Hydrogels

I materiali intelligenti (smart) sono materiali