Termodinamica Chimica

1. Universita’ degli Studi dell’Insubria Corsi di Laurea in Scienze Chimiche e Chimica Industriale Termodinamica Chimica Miscele e Soluzioni dario.bressanini@uninsubria.ithttp://scienze-como.uninsubria.it/bressanini

2. Soluzioni

3. Soluzioni con Solidi e Liquidi • Una soluzione è una miscela omogenea di due o più specie • Consideriamo una miscela di due componenti, in cui almeno una delle due non e’ un gas • Liquido-Liquido • Liquido-Gas • Solido-Liquido • Solido-Gas • Solido-Solido • Sapete trovare degli esempi dei casi precedenti? © Dario Bressanini

4. Soluzioni © Dario Bressanini

5. Lo zaffiro invece (meno pregiato), deve la sua colorazione blu al Ferro e al Titanio che hanno sostituito alcuni atomi di Alluminio Il Rubino è una soluzione solida di ossido di cromo in Corindone (Al2O3) La varietà detta “sangue di piccione” è una delle gemme colorate più preziose Soluzioni Solide © Dario Bressanini

6. Soluzioni Solide e Liquide • In una miscela, e’ arbitrario definire quale e’ il soluto e quale il solvente. • Tuttavia, se una componente ha una frazione molare vicina a 1, la si considera solvente • La componente a minor frazione molare è chiamata soluto • Una soluzione satura contiene la quantità massima di soluto disciolto a quella pressione e temperatura © Dario Bressanini

7. Soluzioni Sovrassature • Una soluzione può essere temporaneamente in uno stato metastabile, ed avere più soluto di quanto permesso © Dario Bressanini

8. Legge di Raoult

9. Legge di Raoult • Consideriamo una miscela con un liquido volatile e un liquido o un solido non volatile • Come varia la pressione parziale del liquido volatile al variare della frazione molare? • Indichiamo con p* la pressione di vapore del liquido puro © Dario Bressanini

10. Bloccato Legge di Raoult • Aggiungendo del soluto non volatile ad una soluzione di liquido volatile, la pressione di vapore diminuisce • Vi sono meno molecole di solvente sulla superficie. Il soluto impedisce ad alcune molecole di passare nella fase gassosa, ma non ne impedisce il ritorno alla fase liquida. © Dario Bressanini

11. Legge di Raoult • Se assumiamo che le interazioni solvente-solvente siano identiche a quelle soluto-solvente, possiamo concludere che la pressione di vapore e’ proporzionale alla frazione molare pA = xApA* © Dario Bressanini

12. Francois Raoult(1830-1901) Soluzioni Ideali pA = xApA* • Le soluzioni che seguono la legge di Raoult di chiamano SoluzioniIdeali • Le soluzioni ideali hannoDsolH =0 © Dario Bressanini

13. Soluzione di due Liquidi Volatili • Consideriamo ora due liquidi volatili. • Entrambi hanno una pressione di vapore © Dario Bressanini

14. Legge di Raoult per Liquidi Volatili • Se assumiamo che la soluzione sia ideale: • La pressione di vapore di ogni componente puo’ essere calcolata mediante la legge di Raoult • La pressione totale e’ la somma delle due pressioni parziali. pA = A pA*pB = B pB* ptot = pA + pB = A pA* + B pB* © Dario Bressanini

15. H CH3 H H C C H H C C C C C C C C H H C C H H Benzene Toluene H H Soluzione di Toluene e Benzene Benzene e Toluene sono composti volatili con una struttura simile e quindi forze intermolecolari simili. Una loro soluzione si comporta idealmente © Dario Bressanini

16. Soluzione Ideale e non Ideale ptot = A pA* + B pB* © Dario Bressanini

17. Deviazione positiva Deviazione negativa Soluzioni Non Ideali • La maggior parte delle soluzioni non sono ideali • Le interazioni tra A e B sono diverse da quelle AA e BB © Dario Bressanini

18. Legge di Henry

19. La legge di Raoult, per soluzioni non ideali, e’ una legge limite Se xA 1 pA = A pA* pB* pA* p k’H;B k’H;A xA 0 1 Legge di Henry • William Henry ha scoperto che per xA 0 pA = A KA • La pressione parziale è proporzionale alla frazione molare, ma la costante di proporzionalità non è pA* © Dario Bressanini

20. Leggi di Henry e Raoult © Dario Bressanini

21. Legge di Henry Interpretazione Molecolare © Dario Bressanini

22. Legge di Henry • La conoscenza delle costanti di Henry è importante per molte applicazioni Gas (in H2O) K/(10 Mpa) CO2 0.167 H2 7.12 N2 8.68 O2 4.40 • Il Diossido di Carbonio si scioglie molto bene in acqua © Dario Bressanini

23. Legge di Henry © Dario Bressanini

24. Legge di Henry • Ad alte pressioni l’Azoto e l’ossigeno si sciolgono nel sangue. • Tornando in superficie troppo velocemente, si può soffrire di Embolia © Dario Bressanini

25. Solubilità nel Sangue • Ad alte pressioni l’Azoto e l’ossigeno si sciolgono nel sangue. • L’ossigeno viene consumato, ma l’Azoto rimane nel sangue. • Camere Iperbariche • Sangue Artificiale

26. CO2 N2O/CO2 Legge di Henry • Molti prodotti sfruttano la grande solubilità dei gas in acqua © Dario Bressanini

27. © Dario Bressanini

28. Watson: Dottor Holmes, Perchè mi si sgasano sempre le bottiglie di Gassosa semivuote? Sherlock Holmes: Per la legge di Henry, mio caro Watson !!! Mistero © Dario Bressanini

29. Proprietà Colligative

30. Proprietà Colligative • Aggiungendo un soluto in un solvente, abbiamo visto come le proprietà del solvente cambiano • Si chiamano proprietà colligative quelle proprietà del solvente che dipendono solo dal numero di molecole di soluto ma non dalla loro identità • Innalzamento Ebullioscopico • Abbassamento Crioscopico • Pressione Osmotica • (Solubilità) © Dario Bressanini

31. Variazione della Pressione di Vapore © Dario Bressanini

32. T* T*+ DT Innalzamento Ebullioscopico • Se assummiamo che il soluto B non sia volatile è possibile valutare l’innalzamento del punto di ebollizione • DT = K xB • K = RT*2/DvapH Quando si deve mettere il sale nell’acqua per la pasta? © Dario Bressanini

33. T*-DT T* Abbassamento Crioscopico • Se assumiamo che il soluto B non si sciolga nel solido è possibile valutare abbassamento del punto di fusione • DT = K’ xB • K’ = RT*2/DfusH © Dario Bressanini

34. Abbassamento Crioscopico • Il soluto, rende più difficile costruire il reticolo cristallino solido, e quindi diminuisce il punto di fusione © Dario Bressanini

35. Abbassamento Crioscopico • Anticongelante nel radiatore (DietilenGlicole) • Sale sulle strade (NaCl o meglio CaCl2) per sciogliere il ghiaccio • Gelatiera casalinga © Dario Bressanini

36. Quiz • Perchè la birra calda fa schifo? © Dario Bressanini

37. Osmosi

38. 4% NaCl 10% NaCl 7 % NaCl 7% NaCl H2O H2O Equilibrio Membrana Semipermeabile Osmosi • L’Osmosi e’ il passaggio spontaneo di un solvente puro verso una soluzione, separata da una membrana semipermeabile • Una membrana semipermeabile permette il passaggio del solvente ma non del soluto • Il solvente passa dalla soluzione meno concentrata a quella piu’ concentrata © Dario Bressanini

39. Pressione Osmotica • La pressione osmotica e’ quella pressione che, aggiunta a quella atmosferica e’ necessaria per impedire il passaggio del solvente attraverso la membrana semmipermeabile • La pressione osmotica si indica con P © Dario Bressanini

40. Pressione Osmotica © Dario Bressanini

41. Pressione Osmotica PV = nsolutoRT © Dario Bressanini

42. Pressione Osmotica e Sangue • Le pareti cellulari sono membrane semipermeabili • La pressione osmotica non puo’ cambiare, altrimenti le cellule vengono danneggiate • Il flusso di acqua da un globulo rosso verso l’ambiente deve essere all’equilibrio • Una soluzione Isotonica ha la stessa pressione osmotica delle cellule del sangue 5% glucosio e 0.9% NaCl © Dario Bressanini

43. Osmosi e Globuli Rossi Soluzione IsotonicaI Globuli Rossi hanno la stessa concentrazione del liquido circostante Soluzione Ipertonicala concentrazione esterna e’ piu’ alta Raggrinzimento Soluzione Ipotonicala concentrazione esterna e’ piu’ bassa Emolisi © Dario Bressanini

44. Dialisi • Si parla di Dialisi quando il solvente e piccole molecole di soluto passano attraverso una membrana semipermeabile • Grandi molecole e particelle non passano • L’emodialisi (rene artificiale) e’ usata in medicina per rimuovere delle sostanze (ad esempio urea) in concentrazione tossiche (In chimica NON esistono sostanze tossiche, ma solo concentrazionitossiche) © Dario Bressanini

45. Arteria Vena Uretra Reni e Dialisi • I prodotti di scarto trasportati dal sangue vengono dializzati dai reni attraverso una membrana semipermeabile. Attraverso dei tubuli vengono eliminati nell’Urina • Nel rene artificiale questa operazione viene effettuata artificialmente © Dario Bressanini

46. Il Caso del Marinaio Naufrago Un marinaio naufraga su un’isola deserta senza acqua dolce da bere. Sa che i soccorsi arriveranno in 8 giorni, ma che senz’acqua puo’ sopravvivere solo per 7 giorni. Con il vento a favore tuttavia, la nave di salvataggio arriva gia’ dopo 5 giorni, ma trova il marinaio morto sulla spiaggia. Cosa e’ successo? Sperando di sopravvivere piu’ a lungo, il marinaio ebbe la pessima idea di bere acqua del mare © Dario Bressanini

47. Chimica Fisica in Cucina • Cosa consiglia la Chimica Fisica per una Macedonia perfetta? • Spargere lo Zucchero sulle fragole tagliate, e solo in seguito aggiungere il limone (antiossidante) © Dario Bressanini

48. Chimica Fisica in Cucina • E per una buona bistecca? • Il sale va aggiunto solo alla fine © Dario Bressanini

49. Solubilita’ dei Solidi • Alcuni sali hanno una entalpia di soluzione negativa e quindi diminuiscono la loro solubilita’ all’aumentare della temperatura. © Dario Bressanini

50. Solubilita’ dei Gas • La solubilita’ dei gas in acqua di solito diminuisce con la temperatura • In altri solventi puo’ anche aumentare L’acqua degli impianti industriali deve venir raffreddata prima di essere gettata nell’ambiente © Dario Bressanini