stato solido le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ed occupano posizioni...

Stato solidoLe particelle che lo compongono sono a stretto contatto ed occupano posizioni reciproche fisse

Stato liquido Le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ma non occupano posizioni reciproche fisse

Stato gassosoLe particelle che lo compongono sono distanti fra di loro e sono in perennemovimento

STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA

Chimica Generale CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN ATTIVITÀ DI PROTEZIONE CIVILE

PASSAGGI DI STATOPASSAGGI DI STATO

STATO SOLIDO STATO LIQUIDO STATO GASSOSO

SUBLIMAZIONE

BRINAMENTO

FUSIONE EVAPORAZIONE

LIQUEFAZIONESOLIDIFICAZIONE

l’energia e l’entropia crescono in questa direzione


PASSAGGI DI FASE: LIQUIDO ⇄ VAPORE

STATO LIQUIDO

- volume proprio (forze coesive), no forma propria (le particelle hanno una certa energia cinetica e quindi non occupano posizioni definite)- ordine a corto raggio – disordine a lungo raggio (l’impacchettamento non è regolarebuchi e lacune- aumentano di volume se si aumenta la temperatura (maggiore è la temperatura, maggiore è l’energia cinetica)

NB riscaldare un liquido significa fornire energia:aumenta l’energia cineticadelle particelle che quindi si muovono con maggior velocità

- alcune particelle sulla superficie del liquido sono dotate di energia cinetica sufficiente a vincere le forze di attrazione- queste particelle sono in grado di abbandonare la superficie del liquido e di passare in fase vapore


PASSAGGI DI FASE: LIQUIDO ⇄ VAPORE

- alcune particelle sulla superficie del liquido sono dotate di energia cinetica sufficiente a vincere le forze di attrazione- queste particelle sono in grado di abbandonare la superficie del liquido e di passare in fase vapore

questo è vero sempre per qualunque temperatura

… ma maggiore è la temperatura del liquido maggiore è l’energia cinetica

delle particelle maggiore è il numero di particelle che passa in fase vapore

maggiore è la pressione esercitata dal valore

quindi, maggiore è la temperatura di un liquido,maggiore è la pressione del vapore che sovrasta il corpo liquido


L’equilibrio: LIQUIDO ⇄ VAPORE

misuratore di pressione

Se riscaldo fino a una certa temperatura T un liquido in un recipiente chiuso (volume costante) e dotato di un misuratore della pressione del vapore, osservo che la pressione assume un valore costante (per ogni valore di T)

- ad ogni valore di T costante si ha una certa pressione del vapore in mutuo equilibrio con il liquido – questa pressione si chiama tensione di vapore

- da un punto di vista microscopico il numero di particelle che abbandona la superficie del liquido è uguale al numero di particelle che ritorna nella superficie

- si dice che il liquido e il vapore sono in equilibrio- questo non significa che non stia accadendo nulla (sebbene da un punto di vista macroscopico non si osservino variazioni cioè il volume della massa liquida non cambia, la pressione del vapore in equilibrio non cambia)



misuratore di pressione

Se aumento la temperatura ad un valore T2, osservo dapprima un innalzamento di della tensione di vapore fino a che assume un nuovo valore costante (più alto)

- ad ogni valore di T costante si ha una certa pressione del vapore in mutuo equilibrio con il liquido- maggiore è T maggiore è la tensione di vapore P

T1, P1T2, P2

T1>T2

P1>P2


Durante l’evaporazione alcune particelle che sono presenti nella superficie del liquido e che sono dotate di sufficiente energia cinetica da vincere le forze di interazione passano in fase vapore

questo fenomento si manifesta sempre (a tutte le temperature) ed è tanto più pronunciato quanto più è alta la temperatura

NB l’evaporazione raffredda il corpo del liquido perché mano a mano si allontanano le particelle dotate di maggior energia cinetica l’energia cinetica globale sta diminuendo es. evaporazione del sudore raffredda la temperatura corporea

Quando l’evaporazione avviene in un sistema aperto (es. pozzanghera) le particelle che evaporano si disperdono nell’atmosfera e il volume del liquido si riduce gradualmente fino a scomparire

se il sistema però è chiuso, allora si instaura una condizione di equilibrio

in un sistema chiuso (per esempio un contenitore munito di coperchio) le particelle di vapore non possono diffondere cosicchè la pressione che esse esercitano sulle pareti del recipiente e sul liquido stesso aumenta, finchè si stabilisce un equilibrio dinamico tra il numero di particelle che nell'unità di tempo passano allo stato di vapore e il numero di particelle di vapore che nell'unità di tempo collidono con la superficie del liquido, perdono energia e ritornano nel liquido (condensazione) a causa delle forze attrattive delle molecole del liquido



- ad ogni valore di T costante si ha una certa pressione del vapore in mutuo equilibrio con il liquido- maggiore è T maggiore è la tensione di vapore P

la tensione di vapore è quindi una funzione della temperatura

Pvap=f(T)

e dipende esclusivamente dalla natura del liquido (forze di interazione)

NB la temperatura alla quale la tensione di vapore eguaglia la

pressione atmosferica è la temperatura di ebollizione


PASSAGGI DI STATO: curva di riscaldamentoChe varia la temperatura quando riscaldo un solido (es. ghiaccio) in un recipiente chiuso?

tem

per

atu

ra

tempo (quantità di calore)

liquido vaporeliquido e vaporein mutuo equilibrio

liquido⇄vapore

Tf

Te Te= temperaturadi ebollizioneTf= temperaturadi fusione

solido solido e liquidoin mutuo equilibrio

solido⇄liquido NB entrambe dipendono dalla pressione esterna


Diagrammi di stato (o di fase)Come abbiamo visto nel caso del passaggio liquido vapore, la tensione di vapore di un certo composto è funzione della sola temperatura; se riporto tutti i valori della tensione di vapore in funzione della temperatura ottengo un curva che rappresenta tutte le possibili condizioni di equilibrio liquido/vapore (o vapore/liquido) (vedi figura a sinistra). Analogamente si ragiona nel caso del passaggio solidovapore e si ottiene una analoga curva Psublimazione=f(T) che va ad intersecare la curva della tensione di vapore liquido/vapore (vedi figura a destra)

Infine qualcosa di analogo si può costruire anche per rappresentare l’equilibrio solido/liquido ottenendo così il terzo ramo di questo grafico che prende il nome di diagramma di stato (o diagramma di fase)


Punti caratteristici e interpretazione del diagramma di stato

diagramma di stato completo

1) le curve rappresentano le condizioni di equilibrio per le diverse trasformazioni (liquido⇄vapore, solido⇄vapore e liquido⇄solido) e delimitano le condizioni di stabilità delle tre fasi (si parla di campi di stabilità)

3) punto critico: è la condizione di temperatura e pressione oltre i quali la fase liquida di quel particolare composto non può esistere

2) le tre curve si intersecano in un unico punto, detto punto triplo. Al punto triplo tutte le tre fasi sono in mutuo equilibrio

4) la temperatura di fusione standard e di ebollizione standard sono i valori assunti dalla temperatura quando la tensione di vapore eguaglia 1 atmosfera (punto F e punto E delle due curve)


Il diagramma di stato dell’acquaIl diagramma di stato dell’acqua mostra alcune anomalie se paragonato al caso generico appena discusso. In particolare la curva che rappresenta il passaggio solido⇄liquido ha una pendenza negativa anziché positiva. Questo riflette una condizione particolare di questo composto già discussa quando si è parlato del legame a idrogeno: la densità del liquido è

superiore a quella del solido e di conseguenza un aumento di

pressione favorisce la fusione (passaggio da solido a liquido) anziché sfavorirla (questo è il significato della pendenza negativa)

nel caso dell’acqua i punti caratteristici sono: punto triplo: T=0,01°C, P=0,006 atmpunto critico; T=374°C, P= 225 atmTfusione = 0°C T ebollizione = 100°C


Il diagramma di stato dell’anidride carbonicaIl diagramma di stato dell’anidride carbonica ha invece l’andamento tipico della curva solido/liquido (questo perché la fase solida è più densa della liquida; NB il ghiaccio secco è anidride carbonica solida solido molecolare). Quindi un aumento della pressione favorisce la solidificazione.

nel caso dell’anidride carbonica punti caratteristici sono: punto triplo: T=-57°C, P=5,2 atmpunto critico; T=31°C, P= 77,4 atmTsublimazione (P=1 atm) = -78°CNB: in base ai valori dei punti caratteristici possiamo concludere che:1) alla pressione di 1 atm la CO2 non può esistere nella fase liquida, ma solo solida (se T< -78°C) o gassosa (T> -78°C)2) il solido (ghiaccio secco) sublima senza fondere a 1 atm3) la CO2 liquida può esistere solo se P> 5,2atm (ad esempio in una bombola in cui il gas è mantenuto ad alta pressione ma T non eccede 31°C)


qui i due diagrammi sono messi a confronto; da notare le diverse scale di temperatura e pressione


La termodinamica dei passaggi di fase I.

Poiché il contenuto energetico di un solido è minimo, il contenuto energetico delvapore è massimo e quello del liquido è intermedio valgono per qualsiasi composto le seguenti associazioni

Trasformazione variazione di entalpia, HFusione(SL) >0Evaporazione (LG) >0Sublimazione (SG) >0Solidificazione (LS) <0Liquefazione (GL) <0Brinamento (GS) <0

Es. Per fondere il ghiaccio devo fornire una energia (ad esempio riscaldandolo) pari a 5900 J per ogni mole di ghiaccio.Es. Il vapore acqueo che condensa a dare acqua liquida libera una quantità di energiapari a 40600 J per mole.


La termodinamica dei passaggi di fase II.

Poiché il contenuto di disordine di un solido è minimo, il contenuto di disordine delvapore è massimo e quello del liquido è intermedio valgono per qualsiasi composto le seguenti associazioni

Trasformazione variazione di entropia, SFusione(SL) >0Evaporazione (LG) >0Sublimazione (SG) >0Solidificazione (LS) <0Liquefazione (GL) <0Brinamento (GS) <0

nel caso delle transizioni di fase, le tendenze naturali verso lo stato di minima energia e lo stato di massimo disordine non cooperano, ma vanno

in direzione opposta è proprio questa caratteristica a far si che esistano le condizioni di equilibrio in cui coesistono due fasi


Liquido ⇄ Vapore

Es. H2O(l) H2O(g)

A questa trasformazione è associato una variazione di entalpia positiva (+40600 J per mole) e una variazione di entropia positiva (+109 J/mol K)

la variazione di entalpia da sola favorirebbe l’esistenza del liquido (e quindi il processo scritto non sarebbe mai spontaneo, così come la variazione di entropia da sola favorirebbe l’esistenza del vapore

La variazione di energia libera risulta fortemente condizionata dal valore assunto da T

G=H-TS troviamo il valore di T che rende nullo G0 =H-TS T=H/S=373 K quindi quando T= 373 K (cioè 100 C) G=0quando T<373 K, G>0 quando T>373 K, G<0


Secondo i criteri di spontaneità che abbiamo visto (Termodinamica) possiamoconcludere che

- quando T<373 K, G>0 la fase stabile è l’acqua liquida

H2O(l) H2O(g) cioè il processo NON è spontaneo

- quando T>373 K, G<0 la fase stabile è l’acqua vapore

H2O(l) H2O(g) cioè il processo è spontaneo

- quando T= 373 K, G=0

H2O(l) ⇄ H2O(g) cioè il sistema è all’equilibrio ed avvengono entrambi i processi

perché esista una condizione di equilibrio, il fattore energetico e quello entropico devono andare in

direzione opposta


stato solido le particelle che lo compongono sono a stretto contatto ed occupano posizioni...

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