La Materia: solidi cristallini e amorfi, curve di riscaldamento

Dott. Daniele Panichelli

Fisico Medico

La Materia Capitolo 3

Gli stati fisici della materia

Sommario

1. La materia può assumere diversi stati fisici
2. I passaggi di stato sono le variazioni dello stato fisico della materia
3. Il modello particellare della materia spiega i passaggi di stato
4. Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive
5. Un modello per i liquidi: particelle legate da deboli forze attrattive

Posca, Fiorani Chimica più.verde @ Zanichelli editore 2020

Sommario

1. L'ebollizione dipende dalla pressione atmosferica e dalla tensione di vapore
2. Un modello per i solidi: particelle legate da intense forze attrattive
3. Le curve di riscaldamento e le curve di raffreddamento sono speculari tra loro
4. Le curve di riscaldamento e di raffreddamento consentono di distinguere le sostanze dai miscugli

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La materia può assumere diversi stati fisici

Gli stati fisici in cui si presenta la materia sono stato solido, stato liquido e stato aeriforme.

• I solidi hanno massa, volume e forma propri.
• I liquidi hanno massa e volume propri, ma assumono la forma del recipiente che li contiene.
• Gli aeriformi hanno massa propria, assumono la forma del recipiente che li contiene e tendono a occupare tutto lo spazio disponibile. Lo stato aeriforme si distingue in stato di gas e stato di vapore.

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La materia può assumere diversi stati fisici

Gli stati solido e liquido sono detti stati condensati, perché hanno densità molto più elevata rispetto allo stato aeriforme. I gas e i liquidi sono detti fluidi, perché non hanno forma propria e possono scorrere.

Stato condensato

Stato fluido

solido liquido aeriforme

massa propria propria propria

volume proprio proprio -60 del recipiente

forma propria del recipiente del recipiente

Esistono anche lo stato dei cristalli liquidi, intermedio tra solido e liquido, e lo stato di plasma, costituito da gas ionizzati.

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I passaggi di stato sono le variazioni dello stato fisico della materia

I fenomeni in cui la materia cambia il suo stato fisico si chiamano passaggi di stato o di fase. Ogni passaggio di stato avviene con assorbimento o liberazione di energia.

raffreddamento raffreddamento o aumento di pressione

riscaldamento riscaldamento o diminuzione di pressione

solido liquido aeriforme

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I passaggi di stato sono le variazioni dello stato fisico della materia

Generalmente fornendo calore le sostanze passano dallo stato solido a quello liquido e poi a quello gassoso. In alcuni casi, tuttavia, il riscaldamento trasforma direttamente un solido in gas o vapore: è il processo di sublimazione. Il passaggio inverso prende il nome di brinamento.

A. Una piccola quantità di iodio solido è posta su un vetrino riscaldato

B. Lo iodio solido sublima e si formano vapori violetti intorno al solido

A B

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I passaggi di stato sono le variazioni dello stato fisico della materia

I cambiamenti di fase che avvengono con assorbimento di calore sono:

• solido-liquido (fusione);
• liquido-aeriforme (vaporizzazione, distinta in evaporazione ed ebollizione);
• solido-aeriforme (sublimazione).

I cambiamenti di fase che avvengono con liberazione di calore sono:

• liquido-solido (solidificazione);
• aeriforme-liquido (condensazione e liquefazione);
• aeriforme-solido (brinamento).

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I passaggi di stato sono le variazioni dello stato fisico della materia

aeriforme condensazione e liquefazione

evaporazione ed ebollizione

sublimazione brinamento

liquido temperatura

solidificazione fusione

solido

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Il modello particellare della materia spiega i passaggi di stato

Per spiegare i passaggi di stato abbiamo bisogno di un modello della materia. Secondo il modello particellare:

• tutta la materia è costituita da particelle piccolissime;
• le particelle esercitano tra loro forze di attrazione che aumentano o diminuiscono di intensità quando le particelle si avvicinano o si allontanano l'una dall'altra;
• le forze attrattive possono diminuire d'intensità se si scalda la materia ma tendono ad aumentare d'intensità quando essa si raffredda;

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Il modello particellare della materia spiega i passaggi di stato

• le particelle sono in continuo movimento, tanto più intenso quanto più alta è la temperatura;
• tra le particelle c'è spazio vuoto, tanto maggiore quanto meno condensato è lo stato della materia;
• temperatura e calore sono manifestazioni del moto delle particelle;
• la temperatura di un corpo è un indice del valore dell'energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono.

A COLPO D'OCCHIO

PARTICELLE DELLA MATERIA

FORZE ATTRATTIVE

1 SEPARATE DA SPAZIO VUOTO

DIMINUISCONO SE T AUMENTA

ENERGIA CINETICA

I AUMENTA SE T AUMENTA

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Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

La materia è allo stato gassoso se le sue particelle sono legate da debolissime forze attrattive. I gas:

• possono diffondere con facilità, ovvero si espandono occupando tutto lo spazio disponibile

Le particelle di un gas si muovono liberamente e in tutte le direzioni.

-

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Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

• sono comprimibili, perché tra le particelle esistono ampi spazi vuoti che diminuiscono esercitando una pressione

La siringa è chiusa all'estremità e contiene una certa quantità di aria.

Schiacciando lo stantuffo, le particelle di gas si avvicinano e il volume occupato diminuisce.

ml-100 =- 100 06 90 80 70 09 09 50 50 40 40 30 30 20 10 10 A B

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80 70 20

Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

I gas assumono la forma e occupano il volume del recipiente che li contiene.

A COLPO D'OCCHIO

GAS

FORMA DEL RECIPIENTE

VOLUME DEL RECIPIENTE

Hanno valori di densità bassi, di molto inferiori a quelli dei solidi e dei liquidi.

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Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

La pressione è data dal rapporto tra la forza che agisce perpendicolarmente a una superficie e l'area della superficie stessa:

F p = S

A. La pressione di un gas si misura con i manometri. B. La pressione atmosferica è la pressione che i gas che formano l'aria esercitano sulla superficie della Terra. Si misura con i barometri.

3 2 4 -1 5 6 bar RAIN 7 blocono 1234661830 FAIR 3 6 4 5 5 6 ST 2128 3198 Y DRY ORMY VERY A B

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CHANGE

Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

La pressione di un gas contenuto in un recipiente è il risultato delle collisioni che le particelle esercitano contro le pareti del recipiente.

La pressione esercitata da un gas in un dato volume è direttamente proporzionale al numero di particelle presenti nell'unità di volume.

In un recipiente di volume costante, se il numero di particelle raddoppia, raddoppia anche la pressione.

1 bar 2 bar bar bar

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Un modello per i gas: particelle legate da debolissime forze attrattive

L'unità di misura della pressione nel SI è il pascal (Pa). Il pascal equivale alla pressione esercitata dalla forza di un newton (N) sulla superficie di un metro quadrato (m2):

1 Pa = 1 N/m2

Poiché il pascal è un'unità di misura molto piccola, si usa abitualmente un suo multiplo, il kilopascal (kPa). Spesso si utilizza il bar, che non appartiene al SI, o il millibar (mbar).

1 bar = 105 Pa

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Un modello per i liquidi: particelle legate da deboli forze attrattive

Una sostanza è allo stato liquido se le sue particelle sono legate da deboli forze attrattive. I liquidi:

• sono praticamente incomprimibili perché tra le particelle gli spazi vuoti sono piccolissimi;
• tendono a diffondere gli uni negli altri (se sono miscibili) fino a raggiungere una distribuzione uniforme.

1 A B C

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Un modello per i liquidi: particelle legate da deboli forze attrattive

I liquidi hanno volume proprio, ma non forma propria e assumono la forma del recipiente che li contiene. Il modello particellare spiega come mai un liquido in un recipiente aperto evapora completamente. Le particelle sono legate da forze di coesione, ma in superficie non sono vincolate verso la superficie stessa e vapore con sufficiente energia cinetica possono passare allo stato di vapore.

liquido

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Un modello per i liquidi: particelle legate da deboli forze attrattive

Alcuni liquidi sono volatili, cioè evaporano più facilmente perché le particelle sono legate da forze meno intense. La velocità di evaporazione dipende anche da:

• temperatura
• ventilazione
• estensione della superficie

A B

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Un modello per i liquidi: particelle legate da deboli forze attrattive

L'evaporazione è tanto maggiore quanto più è estesa la superficie del liquido.

Sulla superficie del liquido, le particelle con energia cinetica maggiore evaporano, quelle con energia cinetica minore condensano.

A B

Durante l'evaporazione alcune particelle possono perdere energia a causa degli urti con altre particelle e tornare alla fase liquida. Evaporazione e condensazione sono quindi processi inversi.

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L'ebollizione dipende dalla pressione atmosferica e dalla tensione di vapore

Si chiama tensione di vapore la pressione che, a una data temperatura, il vapore esercita sulla superficie del liquido sottostante. I valori della tensione di vapore sono diversi da liquido a liquido. La tensione di vapore è una misura della tendenza di un liquido a evaporare. La tensione di vapore dipende dalla temperatura: i suoi valori aumentano all'aumentare della temperatura.

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