I GAS, I LIQUIDI E I SOLIDI - LA LEGGE DI BOYLE - EVAPORAZIONE E TENSIONE DI VAPORE

1. LE LEGGI DEI GAS

Questo perché:

le particelle dei gas sono molto distanti le une dalle altre

il volume occupato dalle particelle di un gas può essere considerato trascurabile rispetto al volume totale occupato dal gas

Queste circostanze hanno permesso di fare riferimento a un modello ipotetico di gas, detto gas ideale (o gas perfetto)

ha reso possibile descrivere con leggi semplici il comportamento della materia nello stato gassoso

LA LEGGE DI BOYLE

Boyle

fu il primo a studiare quantitativamente la comprimibilità dei gas

capacità di venire "contratti" in un volume informe in seguito all'applicazione di una pressione

nel 1660 pubblicò i risultati dei suoi esperimenti enunciando la legge di Boyle o isoterma:

RELAZIONE FRA VOLUME E TEMPERATURA: LA PRIMA LEGGE DI CHARLES E GAY-LUSSAC

Da tempo si sapeva che il volume di un gas tendeva ad aumentare all'aumentare della temperatura.

Nel 1793 si interessò a questo problema Alessandro Volta, il quale intuì che il volume dei gas aumentava linearmente rispetto all'aumentare della temperatura

Fu il fisico Charles a rilevare che il volume di gas differenti aumentava di una stessa frazione del volume occupato a 0°C

Più tardi Gay-Lussac enunciò la prima legge di Charles e Gay-Lussac o isobara:

Il valore 1/273 viene denominato coefficiente di dilatazione termica di un gas

La temperatura di -273°C rappresenta la temperatura più bassa alla quale può essere rappresentata la materia; essa non può essere sperimentalmente raggiunta e perciò viene indicata come lo zero assoluto della scala Kelvin

Poiché la temperatura del ghiaccio fondente è di 273K si può scrivere che

RELAZIONE FRA PRESSIONE E TEMPERATURA: LA SECONDA LEGGE DI CHARLES E GAY-LUSSAC

La seconda legge di Charles e Gay-Lussac o isocora dice che:

Da questa relazione si può ottenere la relazione generale:

L'EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI

Le leggi finora viste possono essere combinate in un'unica legge che è espressa dalla relazione:

PV/T = costante

A questo punto rammentiamo il principio di Avogadro secondo il quale il volume di una mole (o volume molare) di qualunque gas è costante (22/4L) a una data temperatura e pressione:

P/n = Vm = costante

La costante R è detta costante universale dei gas ideali e l'equazione precedente, per n moli, assume la formula, detta equazione di stato dei gas ideali:

PV = nRT

GAS IDEALI E GAS REALI

La maggior parte dei gas che abbiamo usato finora sono gas reali.

Per i gas reali le leggi prima enunciate valgono soltanto quando si opera a basse pressioni e a temperature elevate.

Soltanto i gas ideali si comportano secondo quanto previsto da queste leggi

gas formato da particelle prive di volume proprio, cioè puntiformi, tra le quali non si manifesta alcun tipo di interazione

modello in grado di rappresentare il comportamento di tutti i gas

I liquidi hanno proprietà intermedie fra quelle dei solidi e quelle degli aeriformi

sono incomprimibili sono fluidi

Le particelle di un liquido:

sono in continuo movimento (gas), ma hanno minor energia cinetica e una diffusione più lenta.

possono avere natura e perciò proprietà differenti

dalla fusione di alcuni tipi di cristalli (sale da cucina) si ottiene un liquido ionico, costituito da ioni negativi e positivi

atomo con eccesso di carica elettrica

dalla fusione di cristalli molecolari si ottiene un liquido molecolare, formato da molecole

dalla fusione di un metallo si ottiene un liquido metallico, che mantiene la proprietà di condurre calore ed elettricità

EVAPORAZIONE E TENSIONE DI VAPORE

CONSTATAZIONE

L'acqua evapora velocemente quando:

la si lascia all'aria aperta

la temperatura è elevata

la sua superficie di estensione è elevata

Se mettiamo la stessa quantità di acqua in un recipiente chiuso notiamo che prima il livello diminuisce, ma che poi si ferma.

SPIEGAZIONE

Le particelle di un liquido non hanno tutte la stessa energia cinetica.

Alcune delle particelle situate vicino alla superficie libera del liquido e che hanno energia cinetica più elevata riescono a vincere la forza di coesione passando allo stato di vapore

In un recipiente aperto a poco a poco tutta l'acqua diventa vapore

In un recipiente chiuso aumenta anche la possibilità che alcune particelle si condensino

ad un certo punto si arriva alla condizione che il numero di particelle che diventano vapore nell'unità di tempo (velocità di evaporazione) è uguale al numero di particelle che ridiventano liquide nell'unità di tempo (velocità di condensazione)

si raggiunge lo stato di equilibrio dinamico

In questa situazione il vapore è saturo, ad indicare che il numero di particelle presenti nella fase aeriforme è il numero massimo compatibile con la temperatura del momento

La pressione costante che le particelle allo stato di vapore esercitano sulla superficie del liquido è detta tensione di vapore del liquido

grandezza che :

ha un valore caratteristico per ogni liquido puro

viene misurata con una canna barometrica

dipende da due fattori:

massa molecolare del liquido. Le molecole più pesanti si muovono più lentamente delle molecole più leggere

hanno minor tensione di vapore

forze intermolecolari che determinano la coesione del liquido stesso. Liquidi caratterizzati da forze intermolecolari elevate richiedono una notevole quantità di energia

la loro tensione di vapore è elevata

EBOLLIZIONE

Durante il processo di ebollizione:

Il liquido bolle quando la tensione di vapore raggiunge il valore della pressione atmosferica.

L'evaporazione ha luogo in tutta la massa del liquido

La temperatura di ebollizione:

è una caratteristica di ogni liquido e il suo valore è tanto più elevato quanto minore è la tensione di vapore del liquido

"normale" di un liquido (punto di ebollizione normale) viene definita coma la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido è esattamente uguale alla pressione normale di 1 atm

varia al variare della pressione

CALORE DI VAPORIZZAZIONE

Quando un liquido entra in ebollizione la sua temperatura rimane costante

Il calore necessario per trasformare il liquido in vapore, alla temperatura di ebollizione, prende il nome di calore di vaporizzazione e si misura in kilocalorie/mole

Quando il vapore si condensa esso cede una quantità di calore, detto calore di condensazione.

I liquidi che bollono a temperatura più alta hanno un calore di vaporizzazione più elevato.

Si definisce soluzione una miscela omogenea in cui un componente presente in quantità più abbondante, detto solvente, contiene disciolto un soluto

Normalmente quando si parla di soluzione si intendono sistemi nello stato di aggregazione liquido, costituiti da un solvente liquido che contiene disciolti:

un solido = soluzione di solido in liquido (sale disciolto nell'acqua)

un liquido = soluzione di liquido in liquido (vino, in cui è disciolto alcool etilico nell'acqua). Un'importanza fondamentale hanno le soluzioni acquose, in cui il solvente è l'acqua.

un gas = soluzione di gas in liquido (bibita gassata)

Le soluzioni somigliano alle sostanze pure perché:

sono perfettamente omogenee

non è possibile separarle nei loro diversi costituenti con mezzi meccanici

Si distinguono dalle sostanze pure perché le loro proprietà variano con continuità in relazione alla quantità relativa dei loro componenti

LA COMPOSIZIONE DELLE SOLUZIONI

La composizione quantitativa di una soluzione viene espressa da una grandezza, detta concentrazione

indica la quantità di soluto presente in una certa quantità di soluzione oppure di solvente

Una soluzione non può contenere una qualsiasi quantità di soluto; esiste un limite alla possibilità di un soluto di sciogliersi in un solvente: se viene superato questo limite il soluto non si scioglie più: la soluzione è satura.

La solubilità di una sostanza in un certo solvente a determinate condizioni di temperatura:

è definita come la quantità di quella sostanza che si discioglie in un determinato volume di solvente per dare una soluzione satura.

dipende dalla natura del soluto

aumenta con la temperatura

Soluzione diluita = la concentrazione di soluto è assai inferiore rispetto al limite di saturazione

Soluzione concentrata = la quantità di soluto è di poco inferiore rispetto al limite di saturazione

MODI PER ESPRIMERE LA CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE