Lezione 6

1. Lezione 6

2. Teoria cinetica dei gas In un gas ideale tutta l’energia cinetica (Ec) media coincide con quella termica ed è funzione della sola temperatura. L'energia cinetica media di tutte le molecole è detta anche energia interna (U). Ec media di 1 molecola = = Ec media o U di una mole = = vqm = = velocità (quadratica media) della particella (m/s) m = massa molecolare assoluta (kg) (nota: m·NA = massa molare) NA = numero di Avogadro = 6,022·1023 R = costante universale dei gas = 8,314 J/(mol·K) k = costante di Boltzmann = R/Na = 1,38·10-23 J/K T = temperatura espressa in kelvin

3. CO2 25°C 1atm 50 L He 25°C 2 atm 50 L Quale ha le molecole con una energia cinetica maggiore? 2 1 Quale bombola ha le molecole che si muovono più velocemente? Quale ha più molecole? Calcolare la velocità molecolare media dell’elio a 25°C Calcolare la velocità molecolare media dell’anidride carbonica a 25°C Calcolare l’energia cinetica media di un atomo di argon a 300°C Nessuna 2 2 1363 m/s 411 m/s 2,37·10-20 J

4. Integrale approssimato della distribuzione di Maxwell-Boltzmann Ea = energia di attivazione = Ec di una molecola calcolata per una data vqm n = numero di molecole per cui Ec > Ea ntot = numero totale di molecole Il rapporto n/ntot esprime la frazione di molecole (ovvero la frazione molare) per cui Ec > Ea

5. Calcolare la percentuale di molecole che possiedono velocità superiore a 300 m/s in un campione di argon a 1000°C Calcolare la percentuale di molecole che possiedono velocità superiore a 500 m/s in un campione di azoto a 25°C Interpretare i grafici. Come si spostano le curve se uso l’argon invece dello azoto? 84,4 % 24,4 % - Aumentando la massa, il massimo si sposta verso sinistra. Aumentando la temperatura verso destra

6. Fluido Stati della materia • Storicamente si hanno: • Solido • Liquido • Aeriforme • Più recentemente: • Plasma • Supercritico • Superfluido • Colloidale • Cristalli liquidi, etc. vapore: condensabile a temperatura ambiente aeriforme gas: non condensabile a temperatura ambiente (ha una temperatura critica inferiore a quella ambientale)

7. Passaggi di stato Per una sostanza pura questo passaggio avviene a temperatura costante solidificazione solido liquido liquefazione fusione vaporizzazione sublimazione condensazione brinamento deposizione gassoso vaporizzazione Evaporazione: vaporizzazione a livello della superficie del liquido Ebollizione: vaporizzazione all’interno della massa di liquido

8. Distribuzione delle velocità e temperatura in un liquido Frazione di molecole abbastanza veloci da va vaporizzare a T1 e T2 Frazione di molecole per una data velocità Velocità minima necessaria per superare le forze intermolecolari del liquido velocità

9. Vaporizzazione ed equilibrio dinamico • Una frazione di molecole della superficie del liquido ha energia cinetica sufficiente per sfuggire all’attrazione molecolare. • Le molecole che rimangono hanno energia media minore, e quindi il liquido si raffredda. • Del calore viene assorbito dall’ambiente, e altre molecole lasciano il liquido. • Alcune delle molecole del gas colpiscono la superficie e ritornano nel liquido. • Dopo un certo tempo, il numero di molecole che lasciano il liquido nell’unità di tempo è uguale al numero di molecole che ritornano al liquido • Si è instaurato un EQUILIBRIO DINAMICO

10. Pressione (tensione) di vapore Se il recipiente è aperto, il liquido continua ad evaporare perché l’equilibrio (dinamico) non viene mai raggiunto Se il recipiente è chiuso, il liquido evapora fino al raggiungimento dell’equilibrio (dinamico). La pressione (parziale) del vapore aumenta fino al valore dettotensione di vapore. A equilibrio raggiunto il vapore è detto saturo Se si aumenta la temperatura la pressione di vapore aumenta e aumenta la volatilità. T Pvap Volatilità

11. Equazione di Clausius Clapeyron Permette di stimare la tensione di vapore per una temperatura se si conosce la tensione di vapore per un’altra temperatura e il calore di vaporizzazione (o sublimazione) R = costante universale dei gas ideali ΔHvap = calore latente di vaporizzazione (o sublimazione) molare Nota: calore di sublimazione = calore di fusione + calore evaporazione

12. Diagramma di stato a un componente Il punto critico è determinato dai valori di temperatura (critica) e pressione (critica) oltre i quali la fase liquida e gassosa diventano indistinguibili e si parla di stato supercritico e di fluido supercritico. aeriforme La pendenza delle curve di equilibrio liquido-gas e solido-gas può essere stimata dalla equazione di Clausius Clapeyron. Il punto triplo è determinato dai valori di temperatura e pressione a cui coesistono le fasi solida, liquida e aeriforme di una sostanza.

13. Diagramma di stato dell’acqua Nel raro caso dell’acqua, della ghisa, delle leghe di bismuto etc. si ha che: densità solido < densità liquido In questi casi dT/dP < 0, ovvero la curva di equilibrio solido-liquido ha una pendenza negativa

14. Punto di fusione È la coppia pressione, temperatura per cui un liquido fonde, ovvero per cui coesistono le fasi solida e liquida in equilibrio termodinamico.  Solamente i solidi cristallini hanno un punto di fusione ben preciso: i solidi amorfi, come il vetro, non hanno un punto di fusione ben definito ma solo un intervallo di temperatura in cui diventano progressivamente sempre più molli fino a liquefarsi. Alla pressione di 1 atm la temperatura di fusione è detta normale. Esempio: La temperatura di fusione normale dell’acqua è 0°C.

15. Punto di ebollizione È la coppia pressione, temperatura per cui un liquido bolle. Un liquido bolle quando la sua tensione di vapore raggiunge la pressione esterna (le bolle di vapore riescono a vincere la pressione del battente, a formarsi all’interno del liquido e a salire grazie alla spinta di Archimede). È possibile far bollire un liquido aumentando la temperatura o diminuendo la pressione. Alla pressione di 1 atm la temperatura di ebollizione è detta normale. Esempio: La temperatura di ebollizione normale dell’acqua è 100°C.

16. La entalpia di vaporizzazione dell’acqua è 40,7 kJ·mol-1. Stimare le tensioni di vapore a 363 e 383 K. Le pressioni di vapore a 268 e 273 K sono rispettivamente di 2,965 e 4,560 torr. Stimare il calore di sublimazione del ghiaccio. Stimare a quanti gradi centigradi l’acqua bolle in fondo ad un lago profondo 100 m. P363 = 0,70 atm; P383 = 1,41 atm 52367 J/mol 182°C

17. Umidità relativa, rugiada e brina Quando l’aria (o un aeriforme) contiene del vapore d’acqua, si definisce: Pressione parziale %Umidità relativa = x 100 Tensione di vapore L’umidità relativa aumenta se aumenta la pressione parziale (aumenta la quantità di vapore acqueo) o se diminuisce la tensione di vapore (diminuisce la temperatura). La temperatura a cui l’aria (a pressione costante) si satura di vapore acqueo, cioè la temperatura a cui l’umidità relativa è uguale al 100%, è detto punto di rugiada. Quando la superficie terrestre si raffredda di notte scendendo al di sotto del punto di rugiada a causa dell’irraggiamento, si forma la rugiada se il punto di rugiada è superiore a 0 °C, altrimenti si forma la brina se è inferiore a 0 °C.

18. Soluzioni (miscele omogenee) Una soluzione è un sistema omogeneo costituito da almeno due componenti: il componente presente in quantità maggiore è solitamente chiamato solvente, i componenti in quantità minore sono chiamati soluti. Una soluzione è detta satura quando contiene la massima quantità di soluto che il solvente è in grado di sciogliere a quella temperatura. La solubilità è la massima quantità possibile di soluto presente in soluzione, rapportata a una data quantità di solvente. Una soluzione si differenzia da una generica dispersione perché il soluto è disperso nel solvente a livello di singole molecole o ioni, ciascuno di essi circondato da molecole di solvente (il termine tecnico che descrive questo fenomeno è solvatazione). Liquido-Liquido Liquido-Gas Solido-Liquido Solido-Gas Solido-Solido (Gas-Gas) Trovare esempi per ogni tipo di soluzione e dispersione

19. Concentrazione • È la misura della quantità di soluto rispetto alla quantità di solvente e viene misurata sia tramite unità fisiche che tramite unità chimiche. • percentuale in peso, ovvero grammi di soluto per 100 g di soluzione • percentuale in volume, ovvero ml di soluto per 100 ml di soluzione • molarità, simbolo M, ovvero moli di soluto per litro di soluzione • molalità, simbolo m, ovvero moli di soluto per 1000 g di solvente • normalità, simbolo N, ovvero equivalenti di soluto per litro di soluzione • frazione molare, simbolo , ovvero il rapporto tra le moli di soluto ed il totale delle moli della soluzione Nota [HCl] = 0,21 M si legge “concentrazione di HCl = 0,21 molare”

20. Calcolare la percentuale in peso di ammoniaca in una soluzione acquosa dove la frazione molare di NH3 è 0,210. Calcolare la molalità. Che volume (in ml) di acido nitrico diluito (densità 1,105 g/cm3) al 19% in peso contiene 2,1 g di acido nitrico? Calcolare la molarità e la molalità della soluzione. Quanti kg di acqua vanno aggiunti a 800 g di una soluzione acquosa 0,5 m di NaOH affinché divenga 0,15 molale? (approssimare il risultato ad una cifra). È possibile calcolare la molarità della soluzione di partenza? 20,1%; 14,77 m 10 ml; 3,33 M; 3,72 m 2 kg; no (manca la densità)