La materia può presentarsi in tre stati fisici diversi:
Stato liquido: In questo stato le forze di coesione tra le molecole sono superiori all’energia cinetica delle molecole.
Diversamente dai solidi nel liquido sono consentiti i movimenti reciproci tra le molecole senza che avvengano però allontanamenti definitivi tra le molecole come nei gas.
Le molecole degli strati superficiali del liquido possono trasformarsi in vapore, acquistando energia cinetica sufficiente per vincere le forze di coesione.
Se però le molecole di vapore perdono energia cinetica, ritornano allo stato liquido.
Pertanto, fornendo calore aumenta la volatilità; se invece si sottrae calore la volatilità diminuisce.
Sottraendo ulteriormente calore i movimenti delle molecole si riducono (minore energia cinetica) e le forze di coesione prevalgono (trasformazione in solido).
I passaggi di stato sono trasformazioni tra stati fisici differenti della materia
Fusione: trasformazione solido → liquido
Evaporazione: trasformazione liquido → vapore
Ebollizione: trasformazione liquido → vapore
Sublimazione: trasformazione diretta solido → vapore
Congelamento: trasformazione liquido → solido
Condensazione: trasformazione vapore → liquido
Liquefazione: trasformazione gas → liquido
Quando si lascia un liquido volatile in un recipiente all’aperto, il livello del liquido si abbassa per l’evaporazione e dopo un certo tempo tutto il liquido sarà evaporato (sistema che non raggiunge l’equilibrio).
Se però il recipiente viene messo al chiuso, dopo un iniziale abbassamento, il livello del liquido resterà costante.
In questo caso il sistema isolato raggiunge l’equilibrio e la velocità con cui le molecole di liquido evaporano risulta uguale a quella con cui le molecole di vapore condensano ed in tali condizioni si definisce la tensione di vapore.
Tensione di vapore: è la pressione esercitata dal vapore in equilibrio dinamico con il proprio liquido.
Ogni liquido possiede una propria tensione di vapore, che dipende dall’intensità delle interazioni intermolecolari.
Volatilità elevata = tensione di vapore elevata
A esempio, l’acqua è meno volatile dell’alcool e quindi ha una minore tensione di vapore perché i legami ad idrogeno intermolecolari sono più intensi.
La temperatura ha un effetto notevole sulla tensione di vapore di un liquido.
In particolare la tensione di vapore aumenta in maniera esponenziale con l’incremento di temperatura.
La temperatura a cui la tensione di vapore uguaglia la pressione esterna rappresenta la temperatura di ebollizione del liquido in quelle condizioni di pressione.
Una soluzione è un sistema omogeneo (monofasico) formato da due o più componenti.Un sistema è una porzione di materia ben definita contenente unao più sostanze. Unsistema può essere:
Una fase è una porzione di sistema omogeneo, in cui la materia si presenta con la stessa composizione chimica e lo stesso stato di aggregazione.
Per valutarel’omogeneità di una soluzione si considera una piccola porzione di sistema monofasico (in genere un cubetto di lato 10-7– 10-6 cm).Se nel cubetto i singoli componenti della soluzione non sono distinguibili, si ha una soluzione perché il sistema è omogeneo;in ogni cubetto c’è la stessa proporzione tra i vari componenti.
Si possono avere soluzioni nei tre stati fisici e cioè:
A fianco sono riportati alcuni esempi comuni di sostanze che formano o che non formano soluzioni.
Nelle soluzioni liquide si usano i termini di solvente e soluto/i
Solvente: il componente in eccesso.
Il solvente fa diminuire le forze di coesione tra le particelle e solvata le particelle disciolte mediante interazioni idrofiliche (esempio: solvente acqua) o idrofobiche (esempio: solvente benzene).
Soluto: il componente in minor quantità.
In una soluzione ci possono essere più soluti , ma sempre un unico solvente . Il soluto viene portato in soluzione (solubilizzato) dal solvente.
L’ acqua forma soluzioni liquide con solidi, liquidi e gas.
L’ acqua possiede elevato potere solvente nei riguardi di sostanze ioniche e polari .
Le elevati proprietà solventi dell’acqua sono dovute al fatto che essa:
Solubilità: è la quantità di soluto disciolta in una quantità prefissata di solvente (ad una data temperatura).
Soluzione satura: contiene disciolta la massima quantità di soluto (ad una data temperatura).
Per allestire una soluzione satura si aggiunge soluto finché, dopo aver atteso l’equilibrio, si osserva la presenza di soluto indisciolto (da eliminare per filtrazione).
La solubilità di un soluto è influenzata da:
La solubilità di solidi e liquidi in genere aumenta con la temperatura perché la solubilizzazione è quasi sempre un processo endotermico (durante la sua preparazione la soluzione si raffredda).
In qualche caso però ( Li2SO4 ) la solubilità decresce con l’aumento di temperatura, perché il processo è esotermico.
Invece la solubilità dei gas in genere decresce con la temperatura.
Esempi:
Solubilità di CO2 (a P = 1 atm): 1,7 ml/ml di H2O (a 0°C )
…0,9 ml/ml di H2O (a 20°C )
Solubilità di O2(a P = 1 atm): 0,05 ml/ml di H2O (a 0°C )
0,03 ml/ml di H2O (a 20°C )
Ci sono deviazioni da questo comportamento, se ad esempio i gas reagiscono con l’acqua.
La solubilità dei gas è positivamente influenzata dalla pressione , come spiegato dalla legge di Henry.
Legge di Henry : a temperatura costante la quantità di gas disciolta in un liquido è direttamante proporzionale alla sua pressione sulla soluzione.
La legge è valida per soluzioni diluite di gas poco solubili e che non reagiscono con il solvente (O2, N2, …).
La Legge di Henry spiega perché i sommozzatori possono incappare nell’embolia gassosa.
Il rapido ritorno alla pressione atmosferica del sommozzatore rende meno solubili nel sangue i gas respirati dall’aria delle bombole (azoto).
Si formano quindi bolle d’aria nel sangue (embolia gassosa) che ostruiscono il flusso sanguigno nei vasi.
Esistono vari modi per esprimere la concentrazione di una soluzione; tra essi il più utilizzato è quello della molarità, come a fianco riportato.
Il significato di molarità risulta chiaro con questo esempio:
Una soluzione 0,2 M contiene disciolti 0,2 moli di soluto in 1 litro di soluzione
Se si considerano 100 ml della stessa soluzione, vi saranno disciolti 0,02 moli di soluto
Molto usate per i calcoli stechiometrici sono le formule inverse della molarità riportate a fianco.
Altri modi per esprimere la concentrazione di una soluzione sono riportati a fianco.
Il significato di molalità risulta chiaro con questo esempio:
Una soluzione 1,5 m contiene disciolti 1,5 moli di soluto in 1 kg di solvente
La molalità (m) è un rapporto tra masse e quindi non è influenzata dalla temperatura (invece M varia con T).
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