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Antonello Santini » 8.Gas, Liquidi, Solidi

Gli stati fisici

La materia si presenta ai nostri sensi in tre stati fisici: gassoso, liquido e solido. Lo stato fisico (solido, liquido o gassoso), a temperatura ambiente, dipende principalmente dalle forze di coesione tra le particelle che sono di tipo elettrostatico e dipendono fortemente dalla Temperatura.

Gli stati fisici

Le sostanze nello stato di gas sono caratterizzate da una grande mobilità: le particelle che li compongono si muovono liberamente in tutto il volume.
Nei liquidi, le particelle pur libere di muoversi sono soggette a forze di attrazione elettrostatica reciproca, e spesso anche a interazioni abbastanza forti (legami) intermolecolari.
I solidi, infine, sono, fra tutti, i corpi più stabili. Gli atomi sono disposti in maniera ordinata e per effetto di interazioni elettrostatiche forti (legami) non sono liberi di muoversi.

Lo stato Gassoso

Una sostanza allo stato gassoso è, in genere, formata da molecole che:

sono attratte tra loro da forze molto deboli;
tendono ad occupare tutto il volume a disposizione e quindi ad assumere la forma del recipiente;
sono in continuo movimento casuale; la loro velocità ed energia aumentano al crescere della temperatura;
hanno dimensioni molto piccole rispetto alla distanza media che le separa: sono facilmente comprimibili con conseguente diminuzione del volume.

Gas, Liquidi, Solidi

Le leggi dei Gas

Legge di Boyle o della isoterma

Mantenendo costante la temperatura, il volume di una determinata quantità di gas diminuisce al crescere della pressione e aumenta al suo diminuire; ciò significa che il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione. In forma matematica la legge è indicata nella figura a lato.

Dove p è la pressione, V il volume e K una costante che dipende solo dalla temperatura e dal numero di moli (o di molecole) di gas. Un gas che segue la legge di Boyle viene chiamato ideale.

Una trasformazione che avviene a temperatura costante si dice isoterma.

Le leggi dei Gas

Legge di Charles o dell’isobara: a pressione costante, il volume di una determinata quantità di gas varia in modo direttamente proporzionale con la temperatura T, espressa in gradi Kelvin, cioè V aumenta al crescere di T e diminuisce al suo diminuire:

V = K₁T ovvero V/T = K₁ dove K₁ = costante

Una trasformazione a pressione costante è detta isobara.

In b) e c) si ha una variazione di volume ΔV proporzionale all'aumento di temperatura in °C

Le leggi dei Gas

Legge di Gay-Lussac o dell’isocora: a volume costante, la pressione di una determinata quantità di gas varia in modo direttamente proporzionale alla temperatura assoluta, cioè cresce al crescere di T e diminuisce al suo diminuire:

p = K₂T ovvero p/T = K₂ dove K₂ = costante

Una trasformazione a volume costante è detta isocora.

Gas, Liquidi, Solidi

Le tre leggi precedentemente enunciate:

Legge Boyle o della isoterma PV = k (T costante)
Legge di Charles o dell’isobara V/T = k (P costante)
Legge di Gay-Lussac o dell’isocora P/T = k (V costante)

possono essere riunite in una rappresentazione generale:

Equazione di stato dei gas ideali

espressa in un’unica relazione: (PV)/T = K

La costante di questa equazione viene indicata con la lettera R, riferendosi ad n moli, l’espressione diventa:

(PV)/T = nR ossia PV = nRT

dove:

n è il numero di moli di gas
R la costante universale dei gas, assume il valore R = 0,082 (atm·litri)/(moli·°k)

Le leggi dei Gas

Principio di Avogadro

Nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione, volumi uguali (circa 22,414l detto volume molare) di gas diversi, contengono ugual numero di molecole (1 mole contiene N molecole = 6,023·10²³). Perciò il volume di un gas può essere usato come misura della quantità, poiché è proporzionale al numero di moli di gas.

Una mole (=N molecole) occupa a c.n. un volume di 22,414 l

Legge di Dalton o legge delle pressioni parziali

Lo stato Liquido

Tensione superficiale: grandezza fisica che misura la forza di coesione che agisce sulle particelle alla superficie di un liquido perché agiscono forze simmetriche in tutte le direzioni sulle particelle interne e forze laterali e dirette verso l’interno sulle particelle superficiali. La tensione superficiale è responsabile del fenomeno della capillarità, dovuta all’interazione tra una soluzione e le pareti del contenitore.
La viscosità, resistenza allo scorrimento, da non confondere con la densità di un liquido, è espressa in g cm^-3.

Lo stato Liquido

Tensione di vapore: A qualsiasi temperatura le particelle superficiali hanno energia necessaria ad evaporare.
Se il contenitore è aperto le molecole che evaporano si allontanano e diminuisce la quantità di liquido, se il contenitore è chiuso le molecole evaporate occupano lo spazio disponibile e alcune urtando la superficie ritornano allo stato liquido.
Col tempo la velocità di condensazione eguaglia quella di evaporazione raggiungendo così un equilibrio dinamico: i processi si svolgono alla stessa velocità, il vapore è saturo e la pressione del vapore è detta tensione di vapore.

Lo stato Liquido

La tensione di vapore è direttamente proporzionale alla temperatura. Quando la tensione di vapore eguaglia la pressione esterna si ha l’ebollizione. L’ebollizione avviene a temperatura esterna di 1atm, se la pressione è più bassa (es. alta montagna) avviene a temperatura più bassa, se la pressione è più alta (es. pentola a pressione, autoclave) a temperatura più alta.

Lo stato Solido

I solidi sono costituiti da particelle organizzate in strutture chiamate Reticolo Cristallino, disposizione regolare delle particelle che si ripete nelle tre direzioni dello spazio, formato da celle elementari o unitarie costituite da un numero fisso di particelle.
Il fisico e mineralogista francese A. Bravais (1811-1863) ha dimostrato che i reticoli cristalli possibili sono 14, corrispondenti ad altrettante celle elementari raggruppabili in sette sistemi cristallografici a loro volta riuniti in tre gruppi. A seconda del tipo di legame si hanno solidi ionici, molecolari, metallici e covalenti.