Transcript Cambiamenti di stato - liceo artistico "f. figari" sassari

Gli atomi e le molecole
• IN NATURA ESISTONO 92 PARTICELLE ELEMENTARI, DETTE
ATOMI , CHE COSTITUISCONO L’UNITÀ STRUTTURALE PIÙ
PICCOLA DELLA MATERIA.
• GLI ATOMI SONO COSTITUITI DA UN NUCLEO, NEL QUALE
SI TROVANO I PROTONI (PARTICELLE CARICHE
POSITIVAMENTE) E I NEUTRONI ( CHE SONO NEUTRI, CIOÈ
SENZA CARICA), ATTORNO AL QUALE IN VARIE POSIZIONI
ORBITANO GLI ELETTRONI (PARTICELLE MOLTO PIÙ PICCOLE
DELLE PRECEDENTI E CARICHE NEGATIVAMENTE). DATO CHE
IL NUMERO DELLE CARICHE NEGATIVE È UGUALE A QUELLO
DELLE CARICHE POSITIVE, GLI ATOMI RISULTANO
ELETTRICAMENTE NEUTRI.
Gli atomi e le molecole
•
LA MATERIA SI FORMA CON LA STESSA LOGICA CHE PRESIEDE AL
GIOCO DELLE COSTRUZIONI DOVE, A PARTIRE DA ALCUNE
TIPOLOGIE LIMITATE DI MATTONCINI E CON UN PO’ DI
FANTASIA, È POSSIBILE CREARE MOLTISSIMI OGGETTI.
•
ALLO STESSO MODO COMBINANDOSI FRA LORO, GLI ATOMI
DANNO LUOGO ALLE MOLECOLE DI TUTTE LE SOSTANZE PRESENTI
IN NATURA.
IL LAVORO NECESSARIO PER SEPARARE DUE MOLECOLE PUÒ
ESSERE MAGGIORE O MINORE A SECONDA DELL’ENERGIA, DETTA
ENERGIA DI LEGAME, CHE LE TIENE INSIEME.
L’ENERGIA DI LEGAME ESPRIME IL LAVORO CHE UNA FORZA
DEVE COMPIERE PER SOTTRARRE UNA MOLECOLA ALL’ATTRAZIONE
DELLA MOLECOLA VICINA.
L'ATOMO NELLA FILOSOFIA GRECA V SECOLO A.C.
I
FILOSOFI
GRECI
LEUCIPPO,
DEMOCRITO
ED
EPICURO
RIBADISCONO CHE IL NASCERE NON É CHE UN "AGGREGARSI
DI COSE CHE SONO", E IL MORIRE UN "DISGREGARSI”.
ATTRIBUENDO ALLE PARTICELLE ULTIME DELLA MATERIA
TERMINE ATOMO (DAL GRECO ÀTOMOS:NON-DIVISIBILE)
NON
PERCETTIBILE
CON
I
SENSI,
MA
SOLO
CON
L'INTELLIGENZA.
L'ATOMO
VIENE
PENSATO
COME
"PIENO“,
SI
SUPPONE
NECESSARIAMENTE IL VUOTO, SENZA VUOTO GLI ATOMI
NON POTREBBERO DIFFERENZIARSI E NEMMENO MUOVERSI.
LE TRASFORMAZIONI DELLE SOSTANZE VENGONO SPIEGATE
IPOTIZZANDO
MOVIMENTO.
CHE
GLI
ATOMI
SONO
IN
CONTINUO
L'ATOMO NEL MEDIOEVO E RINASCIMENTO
DOMINATA DALLE IDEE DI ARISTOTELE, LA MATERIA
COMPOSTA
IN
PROPORZIONI
VARIABILI
DA
E’
QUATTRO
ELEMENTI FONDAMENTALI E DI QUATTRO QUALITA’.
ELEMENTI
QUALITA’
TERRA
SECCA-FREDDA
ARIA
UMIDA-CALDA
ACQUA
FREDDA–UMIDA
FUOCO
CALDO-SECCO
SEGUE UN LUNGO PERIODO, CHE SI ESTENDE FINO AL XVI
SECOLO, E DURANTE IL QUALE, IN APPLICAZIONE DELLA
TEORIA
DI
ARISTOTELE
PIÚ
O
MENO
RIMANEGGIATA,
CONTINUA LA VANA RICERCA DELLA "PIETRA FILOSOFALE" ;
É IL PERIODO DELL'ALCHIMIA.
L’ATOMO DAL 1600 AL 1850
SI PRESUME ESISTENZA DI PIU’ ELEMENTI IL CHIMICO ANTOINE
LAVOISIER INDIVIDUA UN NUMERO ABBASTANZA NUTRITO DI
ELEMENTI.
JOHN DALTON, INSEGNANTE ELEMENTARE,
NEL
TEMPO
SCIENZE
LIBERO
NATURALI
SI
DEDICAVA
RITENEVA
CHE
ALLE
GLI
ATOMI FOSSERO DOTATI DI GANCI CHE LI
TENEVANO UNITI, ATTRIBUIVA A CIASCUN
ATOMO OLTRE CHE UNA RAPPRESENTAZIONE
SIMBOLICA
ANCHE
UN
PESO.
NEL
1850
PUBBLICO’ UNA TABELLA CHE IN SEGUITO
VENNE ESTESA E MIGLIORATA.
L'ATOMO DAL 1850 AL 1900
NEL
1897
IL
FRANCESE
JOHN
JOSEPH THOMSON ERA RIUSCITO
AD IDENTIFICARE
L’ELETTRONE
ED ESPOSE IL PRIMO MODELLO
ATOMICO:
IPOTIZZO’
CHE
L’ATOMO
AVESSE
UNA
STRUTTURA OMOGENEA, CON LA
MASSA E LA CARICA POSITIVA
DISTRIBUITE
UNIFORMEMENTE
IN TUTTO L’ATOMO ED INSERITI
ALL’INTERNO GLI ELETTRONI.
L'ATOMO DAL 1900 AI GIORNI NOSTRI
NEL 1911 IL NEOZELANDESE E.
RUTHERFORD
PROPONE
UN
MODELLO ATOMICO PLANETARIO:
MASSA
E
CARICA
SONO
CONCENTRATE
PARTE
MOLTO
DELL'ATOMO,
POSITIVA
IN
UNA
PICCOLA
MENTRE
GLI
ELETTRONI SONO DISTRIBUITI
TUTT'INTORNO
E
OCCUPANO
TUTTO IL RESTO DELL'ATOMO.
n
p
NEL 1913 IL DANESE N. BOHR
ESPONE UN NUOVO MODELLO
ATOMICO, SECONDO IL QUALE GLI
ELETTRONI POSSONO MUOVERSI,
SENZA IRRAGIARE, SU ORBITE
CIRCOLARI STAZIONARIE.
IL SUO MODELLO É
SUCCESSIVAMENTE PERFEZIONATO
DAL TEDESCO A. SOMMERFELD, CHE
IPOTIZZÓ LA FORMA ELITTICA
DELLE ORBITE PERMESSE.
DURANTE GLI ANNI ‘20 GRAZIE
AL CONTRIBUTO DI
L.V. DE BROGLIE, N.BOHR, W.
PAULI,
W. HEISEMBERG,
E. SCHROEDINGER
LA STRUTTURA DELL'ATOMO
VIENE INTERPRETATA SECONDO
IL MODELLO, TUTT'OGGI
ACCETTATO COSTITUITA DA:
PROTONI (DOTATI DI CARICA
POSITIVA),
NEUTRONI (ELETTRICAMENTE
NEUTRI) ED ELETTRONI
(DOTATI DI CARICA NEGATIVA).
L.V. DE BROGLIE
N.BOHR
W. PAULI
W. HEISEMBERG
E. SCHROEDINGER
Gli aspetti macroscopico, microscopico e particellare
della materia
LA MATERIA È TUTTO CIÒ CHE POSSIEDE UNA MASSA E
OCCUPA UN VOLUME, CIOÈ UNA PORZIONE DI SPAZIO
UN CAMPIONE
MACROSCOPICO
DI MATERIA PUÒ
ESSERE VISTO A
OCCHIO NUDO
UN CAMPIONE
MICROSCOPICO DI
MATERIA PUÒ
ESSERE VISTO CON
IL MICROSCOPIO
OTTICO
UNA O PIÙ
PARTICELLE DI
MATERIA NON SI
POSSONO VEDERE
NEMMENO CON I
PIÙ POTENTI
MICROSCOPI
Gli stati della materia
•A LIVELLO MACROSCOPICO LE SOSTANZE POSSONO
ASSUMERE TRE STATI : SOLIDO, LIQUIDO E AERIFORME.
1. LO STATO SOLIDO HA UNA FORMA È UN VOLUME
PROPRIO (UN LINGOTTO D’ORO NON MODIFICA LE SUE
CARATTERISTICHE GEOMETRICHE).
2. LO STATO LIQUIDO HA UN VOLUME
PROPRIO MA
NON FORMA PROPRIA (L’OLIO ASSUME LA FORMA DEL
RECIPIENTE CHE LO CONTIENE, PUR OCCUPANDO SEMPRE
UN UGUALE VOLUME).
3. LO STATO AERIFORME NON HA NÉ FORMA NÉ
VOLUME PROPRI (TENDE A ESPANDERSI, OCCUPANDO TUTTO
LO SPAZIO DEL CONTENITORE, QUALUNQUE FORMA E
VOLUME ESSO ABBIA).
Gli stati della materia
Gli stati della materia: solido, liquido e gassoso
Stato solido
Forma:
costante, rigida e fissa
Volume:
costante
Movimento
delle
particelle:
vibrano attorno a delle
posizioni fisse
Stato liquido
Stato gassoso
variabile: la stessa del
contenitore
variabile: la stessa del
contenitore
costante
variabile: la stessa del
contenitore
le particelle si muovono, ma
interagiscono tra di loro
ogni particella si muove
indipendentemente
dalle altre
Gli stati della materia
Il reticolo cristallino è la struttura, che
cambia a seconda del tipo di solido,
determinata dal modo con il quale gli atomi
o le molecole prendono posizione gli uni
accanto agli altri.
CAMBIAMENTI DI STATO
• IL PASSAGGIO DA UNO STATO DELLA
MATERIA ALL’ALTRO PRENDE IL NOME DI
CAMBIAMENTO DI STATO.
• QUALUNQUE SOSTANZA PUÒ PASSARE DA
UNO STATO DI AGGREGAZIONE A UN ALTRO.
LA CONDIZIONE PERCHÉ CIÒ AVVENGA È
FORNIRLE O SOTTRARLE ENERGIA.
Cambiamenti di stato
BRINAMENTO
CONDENSAZIONE
SOLIDIFICAZIONE
aeriforme
liquido
EVAPORAZIONE
solido
FUSIONE
SUBLIMAZIONE
AERIFORME
SOLIDO
LIQUIDO
CICLO DELL’ACQUA O CICLO IDROLOGICO
SI RIFERISCE AI
CONTINUI SCAMBI DI
MASSA IDRICA TRA
L‘ATMOSFERA, LA
TERRA, LE ACQUE
SUPERFICIALI, LE
ACQUE SOTTERRANEE E
GLI ORGANISMI.
OLTRE ALL'ACCUMULO
IN VARIE ZONE (COME
GLI OCEANI CHE SONO
LE PIÙ GRANDI ZONE DI
ACCUMULO IDRICO), I
MOLTEPLICI CICLI CHE
COMPIE L'ACQUA
TERRESTRE INCLUDONO
CINQUE PRINCIPALI
PROCESSI FISICI:
CONDENSAZIONE
EVAPORAZIONE,
PRECIPITAZIONE,
INFILTRAZIONE, E
FLUSSO SOTTERRANEO.
FUSIONE E SOLIDIFICAZIONE
•SE FORNIAMO CALORE CON REGOLARITÀ A UN SOLIDO,
OSSERVIAMO CHE INIZIALMENTE LA SUA TEMPERATURA
AUMENTA. POI, PERÒ, COMINCIA UNA FASE DURANTE LA
QUALE LA TEMPERATURA SI MANTIENE INVARIATA E,
CONTEMPORANEAMENTE, SI VERIFICA IL PROCESSO DI
FUSIONE.
•LA FUSIONE È IL PASSAGGIO DI UNA SOSTANZA DALLO
STATO
SOLIDO
A
QUELLO
LIQUIDO
CHE
AVVIENE
A
TEMPERATURA COSTANTE.
•LA TEMPERATURA COSTANTE ALLA QUALE SI VERIFICA LA
FUSIONE
FUSIONE.
VIENE
INDICATA
COME
TEMPERATURA
DI
FUSIONE E SOLIDIFICAZIONE
temperatura
FU SI ON E
temperatura
di fusione
compresenza di
solido e liquido
sostanza
CHE COSA ACCADE
STATO
allo stato
SOLIDO
liquido
O
PUNTO DI VISTA
MICRO-SCOPICO
temperature
(°C)
PUNTO DI VISTA
MACROSCOPICO
sostanza
STATO
LIQUIDO
solido
allo stato
tempo
A CAUSA DEL
CALORE FORNITO
AUMENTA
L’ENERGIA
CINETICA MEDIA
DELLE MOLECOLE
A CAUSA DEL
CALORE FORNITO
SI
INDEBOLISCONO I
LEGAMI
MOLECOLARI
A CAUSA DEL
CALORE FORNITO
AUMENTA
L’ENERGIA
CINETICA MEDIA
DELLE MOLECOLE
LA TEMPERATURA
LA TEMPERATURA
RESTA COSTANTE
LA TEMPERATURA
AUMENTA
AUMENTA
LA CURVA DI FUSIONE DELL’ACQUA
(CURVA DI RISCALDAMENTO DI UN SOLIDO)
Temperatura (°C)
ghiaccio
Tf (0°C a P=1 atm)
acqua
ghiaccio + acqua
GHIACCIO + ACQUA
SOSTA TERMICA
tempo di riscaldamento (min)
FUSIONE
LA QUANTITÀ DI CALORE NECESSARIA PER TRASFORMARE L’UNITÀ
DI MASSA DI UNA SOSTANZA DALLO STATO SOLIDO A QUELLO
LIQUIDO, UNA VOLTA CHE SI TROVA ALLA TEMPERATURA DI
FUSIONE (COST.), SI CHIAMA CALORE LATENTE DI FUSIONE ( Cf).
DEFINIAMO IL CALORE LATENTE DI FUSIONE COME IL RAPPORTO
FRA CALORE ASSORBITO Q DALLA SOSTANZA E LA SUA MASSA m:
CAL
ASS
CALORE
LATEN
DI
FUSI

MAS
DEL
SO
Cf 
Q
m
A PARTIRE DALLA FORMULA SI DETERMINA L’UNITÀ DI MISURA:
calore
(
misurat
in
joule)
Q
J
C



f
m
massa
(misura
in
Kg)
Kg
temperatura
ANDAMENTO DELLA
TEMPERATURA IN
FUNZIONE DEL
TEMPO DURANTE LA
SOLIDIFICAZIONE
SOLIDIFICAZIONE
temperatura
di fusione
compresenza
di solido e
sostanza allo
liquido
stato liquido
Che cosa accade
O
PUNTO DI
VISTA MICROSCOPICO
temperature
(°C)
PUNTO DI
VISTA
MACROSCOPICO
sostanza allo
stato solido
tempo
A CAUSA DELLA
DIMINUZIONE
DI CALORE
L’ENERGIA
CINETICA
MEDIA DELLE
MOLECOLE
DIMINUISCE
A CAUSA DELLA
DIMINUZIONE DI
CALORE SI
INDEBOLISCONO
I LEGAMI
MOLECOLARI
A CAUSA DELLA
DIMINUZIONE
DI CALORE
L’ENERGIA
CINETICA
MEDIA DELLE
MOLECOLE
DIMINUISCE
LA
TEMPERATURA
DIMINUISCE
LA TEMPERATURA
RIMANE
COSTANTE
LA
TEMPERATURA
DIMINUISCE
CURVA DI RAFFREDDAMENTO DELL’ACQUA
IL GRAFICO DELLA SOLIDIFICAZIONE
INVERSO RISPETTO ALLA FUSIONE
HA
UN
ANDAMENTO
Temperatura (°C)
SOSTA TERMICA
T=0°C
liquido + solido
tempo di raffreddamento (min)
Fig. 3
GRAFICO TEMPERATURA -TEMPO PER UNA SOSTANZA AMORFA:
SOSTANZE CHE PUR AVENDO LA CONSISTENZA DEI SOLIDI, NON
HANNO STRUTTURA CRISTALLINA. ESEMPIO VETRO, PLASTICA E
CERA.
temperatura
liquida
fonde
solida
O
t1
t2
tempo
PRIMA DELL’ISTANTE T1 LA SOSTANZA È SOLIDA, TRA T1 E T2 LA
SOSTANZA RAMMOLLISCE E FONDE; DOPO T2 LA SOSTANZA È
LIQUIDA.
OSSERVAZIONE LA TEMPERATURA AUMENTA DURANTE TUTTO IL
PROCESSO