Concetti Chiave di Chimica: Solubilità, Stati della Materia, Gas e Loro Trasformazioni

Solubilità

Definizione di Solubilità

La solubilità di una sostanza pura in un determinato solvente e a una data temperatura è una delle sue caratteristiche fondamentali.

La solubilità di un soluto, a una data temperatura e in un dato solvente, è la quantità massima di soluto (espressa solitamente in grammi) che si può sciogliere in 100 g di solvente a quella specifica temperatura per formare una soluzione satura.

Solubilità dei Gas

Generalmente, la solubilità di un gas in un liquido diminuisce all'aumentare della temperatura della soluzione. Al contrario, la solubilità di un gas in un liquido aumenta con l'incremento della pressione parziale del gas sopra il liquido (Legge di Henry).

Soluzione Soprassatura

Una soluzione soprassatura (o sovrasatura) è una soluzione che contiene una quantità di soluto maggiore rispetto a quella che sarebbe presente in una soluzione satura alla stessa temperatura e pressione. Queste soluzioni sono instabili.

Il Petrolio

Il petrolio è un combustibile fossile liquido, di colore variabile dal nerastro al verdognolo, con un aspetto oleoso, che si trova impregnato in alcune rocce porose della crosta terrestre (rocce serbatoio).

Condizioni di Formazione del Petrolio

Le condizioni geologiche e ambientali che favoriscono la sua formazione includono:

• Bacini marini o lacustri con acque poco profonde, ricche di materia organica (plancton).
• Rapido seppellimento della materia organica da parte di sedimenti fini (argille, fanghi), che ne impedisce l'ossidazione.
• Ambiente anossico (assenza di ossigeno) sul fondo.
• Aumento di temperatura e pressione con la profondità di seppellimento, che trasforma la materia organica in idrocarburi nel corso di milioni di anni.

Composizione e Fasi del Petrolio

Il petrolio è una miscela complessa principalmente di idrocarburi (alcani, cicloalcani, idrocarburi aromatici), ma può contenere anche composti ossigenati, azotati e solforati.

Nei giacimenti, il petrolio può coesistere con altre fasi:

• Fase solida: asfalti e bitumi.
• Fase liquida: petrolio greggio.
• Fase gassosa: gas naturale (principalmente metano, etano, propano, butano).

Stati della Materia e Loro Caratteristiche

Stato Gassoso

Caratteristiche:

• Massa: costante.
• Volume: variabile (occupa tutto il volume disponibile).
• Forma: variabile (assume la forma del contenitore).
• Comprimibilità: elevata.
• Fluidità: le particelle possono fluire liberamente.
• Particelle: molto distanti tra loro, in moto caotico e rapido, con deboli forze di attrazione.

Stato Liquido

Caratteristiche:

• Massa: costante.
• Volume: costante (poco comprimibile).
• Forma: variabile (assume la forma del recipiente che lo contiene, ma ha una superficie definita).
• Comprimibilità: bassa.
• Fluidità: le particelle possono fluire, scivolando le une sulle altre.
• Particelle: vicine tra loro, ma libere di muoversi, con forze di attrazione più intense rispetto ai gas.

Stato Solido

Caratteristiche:

• Massa: costante.
• Volume: costante (incomprimibile).
• Forma: propria e definita.
• Comprimibilità: trascurabile.
• Fluidità: non fluisce.
• Particelle: strettamente impacchettate in posizioni fisse (reticolo cristallino per i solidi cristallini), vibrano attorno a queste posizioni; forze di attrazione molto intense.

Definizione di Gas

Un gas è una sostanza che si trova allo stato aeriforme in condizioni di temperatura e pressione ambiente, o comunque al di sopra della sua temperatura critica. Le sue molecole possiedono elevata energia cinetica.

Definizione di Vapore

Il vapore è la forma aeriforme di una sostanza che, in condizioni di temperatura e pressione standard (o ambiente), si trova normalmente allo stato liquido o solido. Si ottiene per evaporazione o ebollizione (da un liquido) o per sublimazione (da un solido). Esempi includono il vapore acqueo e i vapori di iodio.

Atmosfera e Pressione Atmosferica

Atmosfera

L'atmosfera è l'involucro gassoso che circonda un corpo celeste, come la Terra. L'atmosfera terrestre è una miscela di gas, principalmente azoto (circa 78%) e ossigeno (circa 21%), con tracce di altri gas come argon, anidride carbonica e vapore acqueo.

Pressione Atmosferica

La pressione atmosferica è la pressione esercitata dall'atmosfera di un pianeta sulla sua superficie e su tutti i corpi immersi in essa. È dovuta al peso della colonna d'aria sovrastante. Al livello del mare, la pressione atmosferica media è di circa 101325 Pascal (Pa), o 1 atmosfera (atm).

Dilatazione Termica (Espansione)

La dilatazione termica (o espansione termica) è il fenomeno fisico per cui si verifica un aumento del volume di un corpo (solido, liquido o gassoso) quando la sua temperatura aumenta. Questo è dovuto all'aumento dell'agitazione termica delle particelle che costituiscono il corpo.

Leggi dei Gas Ideali

Legge di Boyle (o Legge di Boyle-Mariotte)

A temperatura costante (trasformazione isoterma), il volume (V) occupato da una determinata massa di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione (P).

Formula: P₁V₁ = P₂V₂

(dove P₁ e V₁ sono la pressione e il volume iniziali, e P₂ e V₂ sono la pressione e il volume finali)

Prima Legge di Gay-Lussac (o Legge di Charles)

A pressione costante (trasformazione isobara), il volume (V) di una determinata massa di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta (T, espressa in Kelvin).

Formula: V₁/T₁ = V₂/T₂

(dove V₁ e T₁ sono il volume e la temperatura assoluta iniziali, e V₂ e T₂ sono il volume e la temperatura assoluta finali)

Seconda Legge di Gay-Lussac (o Legge di Amontons)

A volume costante (trasformazione isocora), la pressione (P) di una determinata massa di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta (T, espressa in Kelvin).

Formula: P₁/T₁ = P₂/T₂

(dove P₁ e T₁ sono la pressione e la temperatura assoluta iniziali, e P₂ e T₂ sono la pressione e la temperatura assoluta finali)

Legge Combinata dei Gas

La legge combinata dei gas mette in relazione pressione (P), volume (V) e temperatura assoluta (T) di una quantità fissa di gas quando queste grandezze variano contemporaneamente. Deriva dalla combinazione delle leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac.

Formula: (P₁V₁)/T₁ = (P₂V₂)/T₂

(per una massa costante di gas)

Modelli e Teorie Cinetiche

Modello Scientifico

Un modello scientifico è una rappresentazione concettuale, matematica o fisica, semplificata di un sistema o di un fenomeno della realtà. Serve a descriverlo, spiegarlo, fare previsioni e facilitarne la comprensione e lo studio.

Modello Cinetico dei Gas

Il modello cinetico dei gas descrive il comportamento dei gas basandosi sui seguenti postulati riguardanti le particelle (atomi o molecole) che li compongono:

• I gas sono costituiti da un gran numero di particelle piccolissime, puntiformi rispetto alle distanze interparticellari, in moto costante, rapido e caotico.
• Le collisioni tra le particelle e tra le particelle e le pareti del contenitore sono perfettamente elastiche (l'energia cinetica totale si conserva).
• Le forze di attrazione o repulsione tra le particelle sono trascurabili, eccetto durante le collisioni.
• La temperatura assoluta di un gas è una misura dell'energia cinetica media delle sue particelle.

Questo modello spiega diverse proprietà macroscopiche dei gas:

• Aumento della temperatura al riscaldamento: Fornendo calore a un gas, l'energia cinetica media delle sue particelle aumenta, e quindi la sua temperatura sale. Le particelle si muovono più velocemente.
• Esercizio della pressione: La pressione esercitata da un gas è il risultato degli urti continui e numerosi delle sue particelle contro le pareti del contenitore.
• Tendenza a occupare tutto il volume disponibile (espansibilità): A causa del loro moto caotico e delle deboli forze interparticellari, le particelle di gas si diffondono fino a riempire uniformemente qualsiasi volume accessibile. La distanza tra le particelle è variabile e aumenta durante l'espansione.
• Comprimibilità: I gas sono facilmente comprimibili perché c'è molto spazio vuoto tra le particelle.

Teoria Cinetica della Materia

La teoria cinetica della materia è un modello più generale che si applica a tutti gli stati di aggregazione della materia (solido, liquido, gassoso) e si basa sui seguenti principi fondamentali:

• Struttura particellare della materia: Tutta la materia è composta da particelle estremamente piccole (atomi, molecole o ioni), invisibili a occhio nudo.
• Movimento costante delle particelle: Queste particelle sono in continuo movimento (agitazione termica). L'intensità di questo movimento aumenta con l'aumentare della temperatura.
  • Nei solidi, le particelle vibrano attorno a posizioni fisse.
  • Nei liquidi, le particelle si muovono più liberamente, scivolando le une sulle altre.
  • Nei gas, le particelle si muovono rapidamente e in modo caotico in tutte le direzioni.
• Forze interparticellari: Tra le particelle esistono forze di attrazione (forze di coesione) e di repulsione. L'intensità di queste forze determina lo stato di aggregazione della materia.

Cambiamenti di Stato

Curve di Riscaldamento e Raffreddamento (Grafici dei Cambiamenti di Stato)

Una curva di riscaldamento (o di raffreddamento) è la rappresentazione grafica della variazione della temperatura di una sostanza pura in funzione del tempo, mentre le si fornisce (o sottrae) calore a velocità costante. Durante un cambiamento di stato, la temperatura rimane costante (sosta termica) fino a che tutta la sostanza ha cambiato fase.

Punto di Fusione

Il punto di fusione di una sostanza pura è la temperatura specifica alla quale essa passa dallo stato solido allo stato liquido (processo di fusione). È anche la temperatura alla quale avviene il processo inverso, la solidificazione (da liquido a solido). Questo valore dipende dalla pressione (anche se per i solidi e i liquidi l'effetto della pressione è spesso piccolo).

Punto di Ebollizione

Il punto di ebollizione di una sostanza pura è la temperatura specifica alla quale essa passa dallo stato liquido allo stato aeriforme (processo di ebollizione), caratterizzato dalla formazione di bolle di vapore all'interno di tutta la massa del liquido. È anche la temperatura alla quale avviene il processo inverso, la condensazione (da aeriforme a liquido). Il punto di ebollizione dipende fortemente dalla pressione esterna (aumenta all'aumentare della pressione).

Nomenclatura dei Cambiamenti di Stato

• Da solido a liquido: Fusione
• Da liquido a solido: Solidificazione
• Da liquido ad aeriforme (gas/vapore): Vaporizzazione (che include Ebollizione ed Evaporazione)
• Da aeriforme (gas/vapore) a liquido: Condensazione (per i vapori) o Liquefazione (per i gas, spesso sotto pressione e/o a basse temperature)
• Da solido ad aeriforme (gas/vapore): Sublimazione
• Da aeriforme (gas/vapore) a solido: Brinamento (o Deposizione, o Sublimazione inversa)

Evaporazione

L'evaporazione è un tipo di vaporizzazione che avviene spontaneamente a qualsiasi temperatura alla quale il liquido esiste e interessa unicamente la superficie libera del liquido. È un processo più lento dell'ebollizione e non richiede il raggiungimento del punto di ebollizione.