I gas e lo stato solido

I GAS

Nello stato gassoso le molecole hanno deboli interazioni tra loro, trascurabili rispetto alla loro energia cinetica; non hanno forma e volume propri, ma assumono forma e volume del recipiente. Le molecole sono libere di muoversi in tutto lo spazio che hanno a disposizione. I gas sono comprimibili poiché la distanza tra le molecole è grande, relativamente alle loro dimensioni. Le molecole possono occasionalmente venire a contatto solo quando nel loro moto disordi- nato cozzano tra loro. I gas sono formati da molecole piccole, atomi, come He, Ne, Ar, H₂, O₂ F₂, Cl₂, CO₂, NO, SO₂, CH₄.

Lo stato gassoso è dipinto da 4 variabili, 2 intensive e 2 estensive.

• INTENSIVE: non dipendono dalla quantità di sostanza.
• ESTENSIVE: dipendono dalla quantità di massa.

Le 4 variabili fisiche sono:

• PRESSIONE: si definisce come l’intensità della forza che agisce per unità di superficie. Nei gas la pressione è determinata dal numero di urti contro le pareti del recipiente. Le sue unità di misura sono: atm, Pa, Tor (mmHg) e bar. 1 atm = 101325 Pa. 1 atm = 1,0143 bar.

Il unità di misura più comune è l’atmosfera. Anche l’aria terrestre alla terra una certa pressione e per rendere conto basta osservare l’esperimento di Torricelli.

• TEMPERATURA: è la misura del grado di energia termica (calore) posseduta dal gas; si indica in Kelvin:

K = 0°C + 273,15. Lo zero assoluto corrisponde a -273,15°C e non si può andare oltre di sotto di questo valore. Dalla temperatura dipende l’energia cinetica delle particelle.

Queste erano le grandezze intensive. Le estensive sono invece:

• VOLUME: il volume del gas è la pendezione di spazio a disposizione delle par- ticine, alla sostanza. Coincide con il volume del recipiente in cui sono a contatto.

* Se le note sono di tipo traslatorio, non sono presenti anche moti di tipo rotatorio e vibratorio.

I GAS

Nello stato gassoso le molecole hanno deboli interazioni tra loro, trascurabili rispetto alle loro energie cinetiche, non hanno forma e volume propri, ma assumono forma e volume del recipiente. Le molecole sono libere di muoversi, in tutto lo spazio che hanno a disposizione. I gas sono comprimibili poiché la distanza tra le molecole è grande, relativamente alle loro dimensioni. Le molecole possono occasionalmente venire in contatto solo quando nel loro moto disord. nato-urtoaneletra loro. I gas sono formati da molecole piccole*, atomi, come He, Ne, Ar, H2, O2, F2, Cl2, CO2, NO, SO2, CH4.

Lo stato gassoso è dipinto da 4 variabili fisiche, 2 intensive e 2 estenscorrive:

INTENSIVE: non dipendono dalla quantità di sostanza.

ESTENSIVE: dipendono dalla quantità di massa.

Le 4 variabili fisiche sono:

• PRESSIONE: è definita come l'intensità della forza di origine, per unità di superficie. Nei gas la pressione è determinata dal numero di urti contro le pareti del recipiente. Le sue unità di misura sono: atm, Pa, Torr (mmHg) e bar. 1 atm = 101325 Pa 1 atm = 1,0143 bar o l atm= 760 Torr (mmHg)

L'unità di misura più comune è l'atmosfera.

Ambi l'aria esercita alla terra una certa pressione e per studiarne comto basta osservare l'esperimento di Torricelli.

• TEMPERATURA: è la misura del grado di energia termica (calore) posseduta dal gas. Si indica con i Kelvin. K = °C + 273,15 Lo zero assoluto corris a -273,15 °C e non vi può andare se di 1 sotto di questo valore. Dalla temperatura dipende l'energia cinetica delle particelle. Queste verso la grandimez interne. Le estenzive sono invece:.

• VOLUME: il volume del gas è la porzion di spazio a disposizione della par- ticella alla sostanza. Coincide con il volume del recipiente in cui è contenuto

* Se le molec di tipo biatomicastri, ma non presenti mole moti di tipo rotatorio e vibratorio.

L'unità di misura è il litro. 1m³ = 10³L 1dm³ = 1L 1(cm³ = 10^-2L

NUMERO DI MOLI (n): una mole è definita come la quantità in grammi sul peso molecolare del gas. L'unità di misura è mol.

Per studiare i gas si studia la correlazione tra tutte questa grandezze fisiche.

Si prende come esempio di gas, un gas ideale. Le sue caratteristiche sono:

1. particelle puntiformi che occupano tutto il volume a loro disposizione
2. assenza di interazione tra le particelle
3. moto casuale
4. urti completamente elastici, ovvero un urto mantiene l'energia cinetica iniziale e l'unica energia esistente è quella cinetica
5. volume delle particelle (volumi) trascurabile rispetto al volume cupato

Ogni particella si comporta come gas ideale. Quando invece le molecole sono molto grandi e non seguono queste regole, non esiste un gas ideale.

LE LEGGI DEI GAS IDEALI:

Le grandezze fisiche di descrivere un gas ideale sono V, P e T. Secondo la teoria cinetica dei gas la pressione è collegata agli urti tra le particelle e le pareti del recipiente, la temperatura è collegata all'energia cinetica media delle particelle.

I gas ideali seguono questa leggi:

LEGGE DI BOYLE:

a temperatura costante il volume e la pressione di un gas sono inversamente proporzionali. Ad esempio raddoppiando la pressione il volume diventa

T=cost. cioè n mantiene costante il n di moli

P₁V₁ = costante . aumentando P, diminuisce V e viceversa.

Il grafico in un inizio di riferimento PV è un'iperbole equilatera.

Per un'altra quantità di gas che subisce una trasformazione isoterma si ha tra P e V, la relazione:

P₁V₁ = P₂V₂

LEGGE DI CHARLES: a pressione costante il volume e la temperatura di un gas sono direttamente proporzionali:

_V/_T = costante P=costante

Il grafico tra V e T è una retta, infatti V e T sono direttamente proporzionali. La pendenza della retta è data dalla pressione: al variare la pressione, la retta si alza o si abbassa.

L'equazione della retta è: V=V₀(1+αt) dove V₀ è il volume occupato a t=0°C e t = temperatura in ° centigradi. α=1/273,15

ISOBARA

La parte finale di questa retta è però tratteggiata in quanto a temperature molto basse il comportamento di qualunque gas si allontana da quello ideale. A queste temperature un qualunque quantità di gas ad un qualunque p₀, ha un volume nullo.

LEGGE DI GAY-LUSSAC: a volume costante, la temperatura e la pressione di un gas sono direttamente proporzionali. Raddoppiando la temperatura, la pressione raddoppia. Il grafico è una retta:

V=cost. _P1/_T1 = _P2/_T2

ISOCORA

PRINCIPIO DI AVOGADRO: nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, volumi uguali di gas diversi contengono lo stesso numero di particelle (atomi o molecole).

V=Km dove K è una costante, dipende da pressione e temperatura In condizioni normali (Cm), ovvero T=0°C, P=1atm = 760mmHg, una mole di qualsiasi gas occupa un volume di 22,4l. Quindi volumi uguali di gas diversi misurati nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di molecole/atomi. Usando tutte queste leggi empiriche si arriva all'equazione di stato, ovvero una relazione matematica di leggi e tre variabili term.

dinamiche, V, T e P, descrive lo stato di un gas perfetto. Si ottiene e univocamente definito conoscendo tre pro, prietà che lo caratterizzano.

P V = n R T

Le unità di misura sono: P → atm o Pa T → K o K V → l o o m³ R → 0,0821 o 8,314 n → mol o mol

La costante dei gas R dipende da quelle unità di misura si utilizza. Qui assume valore 1,987 cal/Kmol

POSTULATI:

1. Le particelle che compongono un gas ideale con tutte uguali e il loro volume è considerato trascurabile (nulla) rispetto allo spazio che occupano.
2. Le particelle sono in continuo movimento traslazionale. Il moto è rettilineo uniforme in tutte le direzioni con tutte le velocità possibili.
3. Gli urti di avvertono tra particelle e particelle e tra particelle e parete del recipiente (pressione) sono elastici.
4. Non vi é nessun tipo di interazione tra particelle e particelle e pareti delle parete del recipiente.

Il gas ideale devono rispettare questi postulati e da essi, applicando le leg- -gi della meccanica, si può ricavare l’energia cinetica delle particelle.

ENERGIA CINETICA DELLE PARTICELLE: L’energia cinetica media delle particelle è proporzionale alla temperatura. E_c = ¹/₂ m U² = ³/₂ k T dove k è la costante di Boltzmann e vale 1,38 . 10^-23 J/K

L’energia di una molecola è proporzionale alla temperatura assoluta e dipende solo dalla temperatura del gas.

I gas diffondi hanno altri movimenti rotazionali e traslazionali, l'energia cinetica cambia. L'energia cinetica è l'unica energia all'interno del recipiente.

MISCELE DI GAS PERFETTI

I gas sono miscibili in tutte le proporzioni. La composizione di una miscela gassosa può essere espressa in % peso, % volume e frazione molare X (per i gas sono particolarmente comodo l'uso % e le % volume). All'interno di una miscela, un gas ha un comportamento indipendente dalla presenza di altri gas, la sua equazione di stato è sempre PV = m RT.

La pressione di ogni gas è una pressione parziale, ovvero è la pressione che il componente della miscela avrebbe occupato da solo tutto il volume a disposizione e alla stessa temperatura (LEGGE DI DALTON). La somma delle tensioni parziali dei componenti di una miscela di gas è uguale è uguale alla pressione totale della miscela.

P = PA + PB + PC dove PA = mA RT/V   PB = mB RT/V   PC = mC RT/V

LEGGE DI DALTON

La pressione parziale di un componente in una miscela è uguale alla pressione totale della miscela per la frazione molare del componente:

PA = P XA

Sulle pressioni p0 con "ideali" solo l'equazione di stato dei gas ideali:

PAVA = mA RT   PBVB = mB RT   PCVC = mC RT

La percentuale in volume di un componente di una miscela gassosa coincide con la sua percentuale in moli (che è la frazione molare per 100).

% VA = % MA = XA 100

% VA = (VA/V) 100   % MA = (mA/m) 100   XA = mA/m

Un gas è considerato ideale quando non presenti forze tra particelle o quando possiede un volume proprio grande rispetto e quello delle intero recipiente.

STATO SOLIDO

Il solido è una sostanza nella quale esiste una disposizione ordinata delle unità costituenti (atomi, molecole, ioni), che si ripetono periodicamente nello spazio (cristallo). I cristalli danno origine allo stato solido. I solidi sono incomprimibili: fissato il loro volume e pressing costante al variare della temperatura e della pressione.

CRISTALLO: è il corpo solido chimicamente omogeneo anisotropo, cioè che al variare delle proprietà in direzioni diverse, queste saranno differenti tra di loro. Ha forma di un solido geometrico delimitato da facce, spigoli e vertici ed è caratterizzato da una disposizione regolare delle particelle (atomi, molecole, ioni) che lo costituiscono.

RETICOLO CRISTALLINO: È un modello geometrico astratto del cristallo reale. Quindi è puramente ideale. Come per i metalli, anche per i cristalli si creano delle strutture basilari generali e tipi di reticoli di (reticoli di Bravais). L'esistenza di un reticolo è dimostrata in base a due proprietà macroscopiche, caratteristiche dei solidi cristallini: anisotropia e geometria. In base alla natura delle forze che tengono insieme il reticolo cristallino, potremo avere: solidi ionici (poli), metallici (metalli), molecolari (iodio), covalenti (diamante). Ad esempio, nello iodio ci sono le forze di Van der Waals, quindi lo sciogliamo facilmente, però a temperatura ambiente è solido.

CELLA ELEMENTARE: È l'unità più semplice che contiene tutte le informazioni necessarie per ottenere l'intero reticolo. Generalmente rappresentata come un parallelepipedo definito da tre vettori a, b e c, e due tra angoli di: α, β, γ che i spigoli formano tra loro. La sua ripetizione nelle 3 direzioni parallele ad a, b e c, genera tutto il reticolo tridimensionale. Istanza 7 motivi geometrici per la costruzione di una cella elementare, indicati con il nome di reticoli cristalografici, che si differenziano per le relazioni tra i lati e gli angoli della cella.

I punti coincidenti ai vertici della cella elementare ripetuta nello spazio sono chiamati nodi e costituiscono il reticolo cristallino (di Bravais).

Il reticolo è detto primitivo se i nodi si trovano solo ai vertici della cella.

In certi casi accade che la generatrice di un reticolo primitivo si possa descrivere più convenientemente utilizzando una cella che ha nodi anche al centro delle facce o della cella. Si ottengono così reticoli a facce centrate e corpo centrato o a facce centrate. In totale possono essere 14.

Per ottenere i cristalli di una molecola si utilizzano le tecniche del riffrattore. Non per tutte le molecole però si riescono ad ottenere i cristalli. Infatti non tutte le molecole tollerano raggi x, che vengono utilizzati in questa tecnica.

Relazione tra reticolo cristallino, cella elementare e struttura reale di un solido:

Nei cristalli molecolari, la cella elementare contiene uno o più molecole disposte secondo un ordine che rendono massima la compattazione.

Le strutture dei cristalli ionici costruiti da ioni semplici fra come descritta mediante la sovrapposizione di due reticoli identici centrati in cationi e anioni.

La possibilità di una sostanza di esistere con differenti strutture cristalline è chiamata polimorfismo. Il solfuro di zinco ha questa proprietà: le sue due strutture sono chiamate blenda e wurtzite.

ESEMPI DI SOSTANZE SOLIDE PER TIPO DI LEGAME

CLASSE ESEMPI CARATTERISTICHE IONICO i legami sono ionici NaCl, KNO₃, CuSO₄ · 5H₂O Dur0, fragile, alto fondente e alto bollente perché le forze del legame ionico sono notevoli e quindi la temperatura di fusione è elevata. Se fuso è un conduttore. Però sciolti in acqua la soluzione conduce elettricità. RETICOLARE legami covalenti B₄, C (diamante) BN, SiO₂, Parete Il diamante è il miglior conduttore termico Queste perché i legami sono fitti, fragili, alto fondente e alto bollente, sono insolubili in acqua perché non sono molecole ma reticce enormi, affondati in acqua, non conducente perché non ci sono elettroni MOLECOLARE i legami sono le forze di Van der Waals e legami a idrogeno BrCl, P4, I2 ghiaccio Tenere perché le forze sono poco intense fragili, basso fondente e basso bollente perché le forze son deboli. Non conducenti perché non ci sono non carichi, da temperatura di fusione inferiore all'intentato dal legge tenuta delle molecole METALLI Elementi gruppi S e d Malleabili, duttili, lucenti, conducono elettricità e calore. Qui la conducibilità è di prima perché perché si muovono gli atomi e non come prima le cariche

GRAFITE E DIAMANTE: sono due differenti forme cristalline del Carbonio. Grafite è la forma più stabile e temperatura e pressione ambientali. L'ibridazione del carbonio è Sp² e i legami O formano un rete bidimensionale aengulatis condivi. Il cristallo di grafite è formato delle sopressionini di grafiti piani