Corso di Chimica: materia, gas e forze intermolecolari per Ingegneria Biomedica

Corso di Chimica per Ingegneria Biomedica

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE CORSO DI CHIMICA Laura triennale in Ingegneria Biomedica Giulia Serrano DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Stati di Aggregazione della Materia

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE La Materia che ci circonda: Stati di Aggregazione della Materia Le sostanze pure o le loro miscele si presentano, a seconda delle condizioni di pressione e temperatura, in tre stati fisici: Gas Liquido Solido

• SOLIDO
• LIQUIDO
• GASSOSO

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Transizioni di Fase

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE La Materia che ci circonda: Stati di Aggregazione della Materia

• Una fase è una porzione definita di materia con proprietà chimiche e fisiche omogenee (uniformi).
• I passaggi fra stati diversi della materia sono detti transizioni di fase o cambiamenti di stato e sono dei cambiamenti fisici. Gas

• SOLIDO 8 Liquido Solido
• LIQUIDO
• GASSOSO

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Competizione Energetica negli Stati di Aggregazione

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE La Materia che ci circonda: Stati di Aggregazione della Materia

• Qualunque sostanza, se non subisce una trasformazione chimica, passa in presenza di variazioni di pressione e/o temperatura da uno stato fisico di aggregazione ad un altro in maniera reversibile.
• I tre stati di aggregazione derivano, in prima approssimazione, dalla competizione tra l' energia cinetica delle particelle che costituiscono la sostanza e l'energia di interazione tra le particelle stesse.

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Lo Stato Solido

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Lo Stato Solido

• Nello stato solido, l'energia di interazione prevale sull'energia cinetica. Solido
• Le interazioni tra le particelle sono così intense da vincolare le particelle stesse tra di loro. Se si prova a spostarne una, le altre la seguono e quindi si provoca uno spostamento fisico di tutto il solido.
• Come conseguenza di queste interazioni, i solidi hanno una forma ed un volume proprio.
• Il volume dipende dalla temperatura e dalla pressione.
• Al variare di pressione e temperatura si osservano piccole variazioni del volume di un solido.

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Lo Stato Liquido

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Lo Stato Liquido

• Nello stato liquido l'energia di interazione è comparabile con l'energia cinetica delle particelle.
• Le interazioni tra le particelle sono capaci di vincolare parzialmente le particelle tra di loro. L'energia cinetica delle particelle è capace comunque di provocarne un movimento continuo.
• Come conseguenza di queste interazioni, i liquidi non hanno una forma propria ed assumono quella del recipiente che li contiene. Hanno altresì un volume proprio.
• Le distanze tra le particelle sono comparabili a quelle osservate nella fase solida.
• Al variare della pressione si osservano piccole variazioni del volume. Al variare della temperatura le dimensioni si modificano in maniera più marcata rispetto allo stato solido. Liquido 3

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Lo Stato Gassoso

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Lo Stato Gassoso

• Allo stato gassoso, la materia non ha né un proprio volume né una propria forma.
• Questo comportamento dipende dal fatto che l'energia cinetica supera l'energia di interazione tra le molecole. L'energia di interazione è molto debole, al punto da rendere il comportamento dei gas quasi indipendente dalla diversità chimica dei gas stessi. Gas Si possono definire delle leggi generali con le quali possiamo trattare TUTTI i gas !

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Riassunto degli Stati della Materia

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Riassumendo .. Solido Liquido Gas T T P Molecole (o atomi) impaccati molto strettamente e (quasi) non possono muoversi a causa delle elevate forze di interazioni INTERMOLECOLARI che li «stabilizzano» in una struttura che può essere ordinata (cristallo) o disordinata (vetro) Le molecole (o gli atomi) interagiscono tra loro ma possono muoversi e scorrere gli uni sugli altri in quanto le forze di interazione INTERMOLECOLARI sono meno intense che nel solido. Le molecole (e gli atomi) [quasi] non interagiscono tra loro e tendono ad occupare tutto lo spazio disponibile, le forze di interazione INTERMOLECOLARI sono trascurabili [o molto deboli] Energia cinetica Forze intermolecolari Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Proprietà di Forma e Volume

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Riassumendo .. Solido Liquido Gas T T P Forma e volume propri Forma del recipiente in cui è contenuto, ma volume proprio Forma e volume del recipiente in cui è contenuto Lo stato liquido e lo stato solido «non» sono comprimibili Lo stato gassoso è comprimibile Gas e liquidi sono dei FLUIDI Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Fluidi e Pressione

N. STUI S+ FL ERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE FLUIDO: insieme di molecole che interagiscono fra loro attraverso deboli forze di coesione e con le pareti del recipiente che le contiene PRESSIONE

P = F A Variabili macroscopiche:

• Densità
• Pressione
• Temperatura rapporto tra la forza esercitata su un oggetto e l'area attraverso la quale è esercitata F A vuoto 1Pa =1 m N 2

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La Pressione

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE La Pressione

• Nel loro movimento casuale, le particelle urtano le pareti del recipiente. La risultante di questi urti è l'applicazione di una forza su di una superficie: F / S = P

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Lo Stato Gassoso e le Leggi dei Gas Ideali

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Lo stato gassoso Comportamento dei gas quasi indipendente dalla diversità chimica dei gas stessi. Leggi dei gas ideali:

• Legge di Boyle
• Legge di Gay-Lussac
• Legge di Charles

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Legge di Boyle

Pressione e Volume a Temperatura Costante

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Legge di Boyle A temperatura (T) costante: Px V = Cb

• La pressione di un gas ed il suo volume sono inversamente proporzionali
• La costante Cb non dipende dal tipo di gas Aggiungendo mercurio dentro un contenitore a forma di J (chiuso) contenente gas a T costante .... la pressione esercitata dal mercurio faceva diminuire il volume Gas intrappolato Gas intrappolato PHg PHg A B

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Effetto del Volume sulla Pressione

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Legge di Boyle A temperatura (T) costante: Px V = Cb Riducendo il volume cresce la frequenza degli urti aumentando la pressione 10 Isoterme (T costante) 273.15 K 423.15 K 8 573.15 K (surp) A 6 4 . 2 0 10 20 30 40 P (atm) Isoterme per una mole di gas ideale Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Legge di Gay-Lussac

Pressione e Temperatura a Volume Costante

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Legge di Gay-Lussac V costante, P = Po(1 + at), dove a = 1 / 273.15, t = temp in ºC Riscaldando le molecole si agitano di più (sono più veloci) si urtano di più e la pressione aumenta Aggiunta di mercurio per mantenere il volume del gas in B uguale a quello in [A] Temperatura più alta Isocore (V costante) 3.0 P (atm) 2.0 1.0 Nº 0 0 100 200 300 400 500 T (K) 0.0448 m3 0.0224 m3 0.0112 m3 Tin Kelvin ! Pressione di una mole di gas ideale in funzione della temperatura a volume costante Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Legge di Charles

Volume e Temperatura a Pressione Costante

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Legge di Charles P costante, V = V.(1 + at), con a = 1 / 273.15, t = temp in ºC Riscaldando le molecole si agitano di più (più urti) e il contenitore si espande fino a che la frequenza degli urti non si riduce per uguagliare la pressione esterna Aggiunta di mercurio per mantenere il volume del gas in [B] uguale a quello in [A] Temperatura più alta Isobare (P costante) 30 V (dm3) 20 10 0 - 0 100 200 300 400 500 T (K) 101 325 Pa 202 650 Pa 405 300 Pa Volume di una mole di gas ideale in funzione della temperatura a pressione costante Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Zero Assoluto e Scala Kelvin

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Zero Assoluto Nelle leggi di Charles e Gay Lussac Ve P sono zero per t = - 273,15 C, indipendentemente dal tipo di gas, ed al di sotto del quale non è possibile scendere. => SCALA ASSOLUTA: KELVIN Celsius Kelvin Farenheit 1 100°℃ ........ 373.16 K .............. 212 F T.fusione 0°℃ 273.16 K 32 F zero assoluto ............ -273.16℃ OK -459.7 ºF ............ Pressione di gas m = Poa Po -273,15 0 Temperatura in °℃ T.ebollizione I T(C) = T(K) - 273,15 T(K) = T(C) + 273,15 T(ºF) = (T(K) × 1,8) - 459,67 Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Principio di Avogadro e Equazione di Stato

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Leggi del gas ideale: Principio di Avogadro Volumi uguali di gas differenti, nelle stesse condizioni di pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di molecole PV=nRT EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI (O PERFETTI) Ovvero il volume di un gas ad una data temperatura e pressione è proporzionale alla quantità di gas espressa in moli. Lezione 04 - Materia, gas, forze deboliCorso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Costante dei Gas Ideali

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Leggi del gas ideale PV=nRT EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI (O PERFETTI) R = 8.314 J K-1mol-1 (SI) dove la P espressa in Pascal R = 0.08205784 / atm K-1mol-1 quando la P è espressa in Atmosfere. Conversione: 1 Atm = 101325 Pa Costante dei gas ideali Lezione 04 - Materia, gas, forze deboli