GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA. Lo stato gassoso

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1 GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA Lo stato gassoso

2 Classificazione della materia MATERIA Composizione Struttura Proprietà Trasformazioni 3 STATI DI AGGREGAZIONE SOLIDO (volume e forma propri) LIQUIDO (volume definito e forma indefinita) GASSOSO (volume e forma indefiniti) 2

3 Stato gassoso Gli stati di aggregazione della materia Forze intermolecolari Le forze intermolecolari sono molto deboli ed inferiori a quelle cinetiche che tendono a disperdere le molecole Caratteristiche Non hanno forma e volume proprio. Hanno struttura disordinata. Sono comprimibili, hanno densità molto più basse dei liquidi e dei 3 solidi.

4 Stato liquido Forze intermolecolari Le forze intermolecolari sono sufficienti a tenere vicine le molecole ma non a mantenere l ordine nella struttura. Caratteristiche I liquidi hanno un volume proprio ma non hanno una forma propria. Sono praticamente incomprimibili. Hanno struttura disordinata. 4

5 Stato solido Forze intermolecolari Le forze intermolecolari sono sufficienti a tenere vicine le molecole e a mantenere l ordine nella struttura Caratteristiche I solidi hanno un volume e una forma propria. Sono incomprimibili. Hanno struttura ordinata 5

6 Passaggi di stato sublimazione fusione evaporazione Stato solido Stato liquido Stato gassoso solidificazione condensazione endotermici esotermici brinamento 6

7 I gas sono tra i sistemi chimici più semplici: presentano lo stesso comportamento indipendentemente dalla loro natura se la pressione è sufficientemente bassa. PRESSIONE: forza per unità di area P = F A Unità di misura di pressione SI : Pascal (Pa) 1 N m -2 ( 1kg m -1 s -2 ) 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = Pa 1 atm = 760 torr (mmhg) 1 atm = 14.7 psi 7

8 Equazione di stato per gas ideali Se la pressione del gas è sufficientemente bassa, i gas mostrano un comportamento uniforme, indipendente dalla loro natura. C è quindi la possibilità di usare un modello che rappresenta il comportamento al quale tendono tutti i gas al tendere a 0 della pressione. Tale modello considera che il gas sia costituito da molecole con un volume complessivo trascurabile rispetto a quelle del recipiente in cui sono contenute ed inoltre che non esista alcuna interazione tra di esse. Equazione di stato: equazione che esprime la relazione tra le seguenti variabili termodinamiche: f (P, V, T) = 0 8

9 I gas ideali Al tendere pressione, per prodotto PVm, stesso valore solo da T. a 0 della tutti i gas il tende ad uno che dipende Inoltre, al tendere a 0 della pressione, il rapporto PVm/T tende ad un valore che è lo stesso per tutti i gas indipendentemente da T. 9

10 lim 0 ( PV ) = P m funzione di T ma indipendente dalla natura del gas. Inoltre, PV lim m 0 = cost = P T R PV m = RT per n moli di gas: R: COSTANTE UNIVERSALE DEI GAS R = atm l mol -1 K -1 = J mol -1 K -1 = cal mol -1 K -1 PV = nrt Equazione di stato per i gas ideali P atm V l n mol T K T(K)=T( C) R atm l mol -1 K -1 10

11 Legge di Boyle Data una certa quantità di gas (n costante) a temperatura costante: Volume piccolo, pressione alta PV = costante Pressione, P Volume grande pressione bassa Volume, V (litri) 11

12 1 a legge di Gay-Lussac (Charles) A pressione costante, per una data quantità di gas (n costante) : Alta temperatura, volume grande V = cost T Volume, V Bassa temperatura, volume piccolo Temperatura, T 12

13 2 a legge di Gay-Lussac (Charles) Per una data quantità di gas (n costante) a volume costante: Alta temperatura, alta pressione P = cost T Pressione, P Bassa temperatura, bassa pressione Temperatura, T 13

14 Volume molare Volume molare Volume (l) occupato da 1 mole di gas in determinate condizioni di T e P V m (l mol -1 ) V (l) n (mol) = V m (l mol -1 ) 14

15 Legge di Avogadro Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di T e P contengono lo stesso numero di molecole, quindi a temperatura e pressione costante, il volume occupato da un gas è direttamente proporzionale alla sua quantità (in moli). V n (a T e P cost) V m (l mol -1 ) = cost (a T e P cost) Definendo come condizioni normali (STP - Standard Temperature and Pressure ) T = O C = 273,15 K P = 1 atm Il volume occupato da una mole di qualsiasi gas in condizioni normali diventa V m = 22,414 l/mol Gas ideale Argon Anidride carbonica Azoto Ossigeno Idrogeno

16 Le miscele di gas L equazione di stato dei gas perfetti è valida oltre che per i gas puri anche per i gas in miscela poiché: i gas si miscelano in modo omogeneo ogni gas presente in una miscela si comporta come se fosse l unico gas presente (se non intervengono reazioni chimiche) ? 1 mol Ar, T = 273 K, 0.5 mol He, T = 273 K, 1 mol Ar mol He, T = 273 K, La pressione parziale (Pi) di un gas componente di una miscela è la pressione che il gas eserciterebbe se occupasse da solo l intero volume occupato dalla miscela alla stessa T. 16

17 Le miscele di gas ideali Legge di Dalton o dell additività delle pressioni: la pressione totale esercitata da una miscela di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti RT RT PA = na PB = nb PI = V V n I RT V Ptot = PA + PB + PC +... PI = ( na + nb + nc + P tot = n tot RT V... n I ) RT V 17

18 Le miscele di gas ideali Si possono esprimere le pressioni parziali in funzione della frazione molare del gas: X A n = n A tot = n A na + n B +... n I RT P = n P = A A tot V n tot RT V P A = P tot n n A tot P = A n n A tot P tot P A = X A P tot 18

19 GAS REALI In realtà le molecole non sono masse puntiformi ma possiedono un volume proprio; inoltre esistono delle interazioni tra le molecole. Il V occupato da un gas reale è > del V occupato dal gas ideale, a causa dei volumi individuali delle molecole. La pressione esercitata da un gas reale sulle pareti di un recipiente è minore, di una quantità P, di quella che eserciterebbe un gas ideale alla stessa T e per uno stesso V, a causa delle attrazioni intermolecolari. 19

20 Equazioni di stato per i gas reali I gas REALI seguono l EQUAZIONE DI STATO solo a BASSA P e ALTA T Per descrivere più accuratamente il comportamento dei gas reali bisogna correggere l equazione di stato dei gas ideali. Esistono equazioni approssimate che mantengono la semplicità formale dell eq. di stato per i gas ideali. Tra queste: Eq. di Van der Waals Presupposti teorici: Le interazioni intermolecolari determinano una riduzione dell efficacia degli urti con le pareti. Le molecole non possono essere considerate puntiformi, ma hanno una dimensione finita. 20

21 Equazioni di stato per i gas reali Eq. di Van der Waals Possiamo ancora esprimere l eq. di stato (per 1 mole) come: (pressione volume molare = RT) sostituendo a P (P + P) a V m (V m - V) nel gas esistono forze intermolecolari: la pressione va addizionata ad un termine che è proporzionale al quadrato della densità del gas. P = a / V 2 m V = b le molecole di gas hanno una dimensione finita: allo spazio libero in cui le molecole possono muoversi va sottratto un termine che tiene conto dell ingombro delle molecole. (P + P) (V m - V) = RT (a : costante diversa da gas a gas) (b : covolume) (P + a / V m 2 ) (V m - b) = RT per n moli 2 n P + a )( V nb) = V ( 2 nrt 21

22 Gas Liquido 1) T Se si abbassa la temperatura diminuisce l energia cinetica delle molecole fino a che non prevalgono le forze di attrazioni intermolecolare e si ha la trasformazione del gas nel liquido. 2) P A temperatura costante, se si aumenta la pressione le molecole interagiscono sempre più favorendo la liquefazione. P P 2 P 3 V V 2 V 3 Tuttavia per ogni gas esiste una temperatura, detta temperatura critica (T C ), al di sopra della quale il gas non può essere trasformato in liquido neppure sottoponendolo a pressioni elevatissime. Al di sotto della temperatura critica il GAS si chiama VAPORE. 22

23 La liquefazione dei gas e la temperatura critica Diagramma di Andrews T = cost liquido Punto critico P P c Gas C Miscela liquido vapore B vapore A Isoterma critica V 23

24 ES 1. Calcolare il volume occupato da 9.00 g di vapor d acqua a 150 C e a 2.0 atm di pressione. [8.7 l] ES 2. Un serbatoio del volume di 300 l viene riempito di metano. Alla temperatura di 20 C, la pressione esercitata dal gas è pari a 4 atm. Se durante la giornata, la temperatura del serbatoio aumenta di 12 C, quale sarà la pressione esercitata dal gas? [4.16 atm] 24