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Gli stati di aggregazione della materia. Solido Liquido Gas. Stato solido. Solidi covalenti (es. C) Solidi ionici (es. NaCl) Solidi molecolari (es. I 2 , ghiaccio) Metalli. Stato solido. Modello a sfere rigide Le sfere si dispongono in modo da dare luogo a diversi impaccamenti
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Gli stati di aggregazione della materia • Solido • Liquido • Gas
Stato solido • Solidi covalenti (es. C) • Solidi ionici (es. NaCl) • Solidi molecolari (es. I2, ghiaccio) • Metalli
Stato solido • Modello a sfere rigide • Le sfere si dispongono in modo da dare luogo a diversi impaccamenti • Strutture compatte: le sfere sono sistemate in modo da rendere minimi gli spazi vuoti • Le strutture compatte sono due: esagonale compatta e cubica compatta
C B B A C C B Strutture compatte • Nello strato successivo le sfere tenderanno a disporsi in corrispondenza degli spazi vuoti tra le sfere del primo strato. • Esistono 6 spazi vuoti, indicati con le lettere B e C. • In uno strato compatto ogni sfera (es. A) e’ a contatto con altre 6 Indipendentemente dal fatto che le sfere occupino spazi B o C, la sfera A sara’ in contatto con altre tre sfere del piano adiacente. In totale la sfera A e’ in contatto con 12 sfere, 6 del suo strato, 3 in quello superiore e tre in quello inferiore.
Strutture compatte STRUTTURA ESAGONALE COMPATTA: • Secondo strato in corrispondenza dei vuoti B • Terzo strato nella posizione del primo • Sequenza di tipo ABABAB per strati successivi • Numero di coordinazione 12 • STRUTTURA CUBICA COMPATTA • (o CUBICA A FACCE CENTRATE): • Secondo strato in corrispondenza dei vuoti B • Terzo strato in corrispondenza dei vuoti C • Sequenza di tipo ABCABC per strati successivi • Numero di coordinazione 12
Alcune sostanze presentano strutture diverse da quelle compatte • STRUTTURA CUBICA SEMPLICE: • Una particella ai vertici di ciascun vertice del cubo • Numero di coordinazione 6 STRUTTURA CUBICA A CORPO CENTRATO: • Struttura cubica con l’aggiunta di una sferetta al centro di ogni cubo • Numero di coordinazione 8 • STRUTTURA TETRAEDRICA: • Ogni particella e’ circondata da altre 4 disposte ai vertici di un tetraedro • Numero di coordinazione 4
Posizione dei siti interstiziali ottaedrici (sinistra) e quelli tetraedrici (destra) relativi ad una cella cubica a facce centrate Struttura cubica a facce centrate
Stato liquido • Un liquido è caratterizzato da una struttura dinamica, continuamente soggetta a modifiche. • I liquidi sono quindi caratterizzati da un ordine a corto raggio, che si contrappone all’ordine a lungo raggio dei cristalli.
Modello strutturale dei liquidi • Si può considerare un liquido come un sistema in cui zone di ordine si alternano a zone di disordine. • Le particelle circondate da altre particelle hanno un comportamento tipico dello stato solido (Ecin oscillatoria). • Le particelle confinanti con cavità hanno un comportamento tipico dei gas (Ecin traslazionale). • Per la presenza di cavità, la distanza media tra particelle in un liquido è maggiore che in un solido e quindi l’energia potenziale è maggiore (minore in valore assoluto).
PV=nRT equazione di stato del gas perfetto Lo stato gassoso (P + a n2/V2)(V-nb) = nRT equazione di van der Waals per i gas reali La pressione P in un gas reale è inferiore a quella di un gas ideale: P =nRT/(V-nb) - a n2/V2 Se aumentano le forze di attrazione tra le molecole di gas, diminuisce la pressione totale. a è una misura delle forze attrattive; è diverso da gas a gas Il gas perfetto Il volume realmente a disposizione delle particelle si ottiene sottraendo al volume del recipiente quello occupato dalle molecole b è una costante tipica di ogni gas
Lo stato vetroso • Situazione intemedia fra lo stato solido e quello liquido. Si può descrivere come un liquido caratterizzato da altissima viscosità.
Le soluzioni • Sistema omogeneo costituito da almeno due componenti • Il componente maggioritario è solitamente chiamato solvente • I componenti in quantità minore sono chiamati soluti
Le soluzioni • Nei nostri esempi i solventi saranno sempre liquidi, mentre i soluti potranno essere, allo stato puro, solidi, liquidi o gassosi.
La concentrazione Per caratterizzare una soluzione occorre specificare, oltre alla natura dei componenti, anche le loro quantità relative. La concentrazione può essere espressa in vari modi: • Molarità (CM o M) = moli di soluto/ 1 dm3 di soluzione • Molalità (Cm o m) = moli di soluto / 1 kg di solvente • Frazione molare x1= n1/(n1+n2) • Massa percentuale = le parti di soluto (in massa) presenti in 100 parti di soluzione • Percentuale in volume = parti di soluto (in volume) presenti in 100 parti di soluzione
Esempi di calcolo 1. Calcolare quanti grammi di NaOH sono necessari per preparare 1.00 dm3 di una soluzione 0.100 M di NaOH. 0.100 mol dm-3 x 1.00 dm3 = 0.100 mol di NaOH 0.100 mol x 40.0 g mol-1 = 4.00 g
Esempi di calcolo 2. La densita’ di una soluzione di H2SO4 al 96.4% e’ 1.835 g cm-3. Calcolare il volume della soluzione che contiene discolta 1.0 mol dell’acido. 1 dm3 di soluzione ha massa pari a : 1000 cm3 x 1.835g cm-3 = 1835 g H2SO4 costituisce solo il 96.4% di questa massa: 1835 g x 0.964 = 1769 g di H2SO4 1769 g / 98.08 g mol-1 = 18.0 mol di H2SO4 18.0 mol : 1 dm3 = 1.0 mol : x x = 5.55 x 10-2 dm3
Esempi di calcolo • Calcolare la massa di nitrato di potassio che deve essere aggiunta a 250 g di acqua per preparare una soluzione 0.200 m di KNO3. 0.200 m significa che ci sono 0.200 mol in 1 kg di solvente Quindi ci occorrono: 0.200 mol /1 kg x 0.250 kg = 0.050 mol di KNO3 0.050 mol x 101.1 g/mol = 5.06 g KNO3
Diluizione Aggiunta di solvente ad una soluzione in modo da portare la concentrazione di soluto da un valore iniziale Mi ad un valore finale Mf (< Mi). La concentrazione cambia a causa della variazione di volume (che passa da Vi a Vf, mentre le moli totali di soluto rimangono costanti: Mi Vi = Mf Vf Es. Se si vuole diluire 10 volte una soluzione (cioè Mf=Mi/10) il volume Vf sarà: Vf = Mi Vi /Mf cioè Vf = 10Vi
Il processo di solubilizzazione Attacco di un cristallo di NaCl da parte dell’acqua Ioni Na+ e Cl- idrati L’attrazione elettrostatica fra ioni idrati è ridotta (80).
La dipendenza della solubilità dal solvente Un solvente che dà luogo a legami a H solubilizza sostanze che danno luogo a legami ad H. Solventi con forti interazioni di London dissolvono molecole non polari. Un solvente polare solubilizza molecole polari I simili sciolgono i simili