1

Tema 1 Estats de la matèria

2

1.2 Introducció: estats de la matèria

La matèria està formada per partícules molt petites anomenades àtoms.

Aquestes partícules es mantenen unides per forces més o menys intenses (enllaç o forces intermoleculars) i sempre estan en moviment.

Una mateixa substància en funció de les condicions de P i T la podem tenir en un dels quatre estats possibles: Sòlid Líquid Gas Plasma

3

Segons l’estat físic una mateixa substància presenta propietats diferents

Aquestes diferències en el comportament venen explicades per la Teoria Cinètica.

Postulats Teoria Cinètica: La matèria està formada per partícules Les partícules estan en moviment constant Els xocs entre partícules són perfectament

elàstics, es a dir no perden Energia.

4

En els sòlids, les partícules estan juntes i ordenades. Les partícules no varien de posició, tan sols vibren.

A. ESTAT SÒLID

5

Una substància en estat sòlid presenta les següents propietats: Forma pròpia

Volum constant (si la T és constant, efectes dilatació)

Incompressibilitat: V constant

Densitat sòlid > líquid > gascompte excepcions: pex. Aigua. El gel sura sobre el líquid.

6

• Ja coneixem pel tema Enllaç Químic que els sòlids poden tenir una estructura ordenada o no:

•A) Sòlids cristal.lins:

•Estructura interna ordenada

•Formes regulars, geomètriques: xarxes cristal.lines

•Sòlids iònics, metàl.lics o covalents atòmics (diamant, grafit, quars SiO2)

•B) Sòlids amorfs:

•Estructura interna no ordenada

•Pex vidre (forma no cristal.lina del SiO2)

7

En els líquids, les partícules estan juntes però no mantenen cap ordre. Les partícules varien de posició sense separar-se

B) ESTAT LÍQUID

8

Una substància en estat líquid presenta les següents propietats:

Forma adaptada al recipient que conté la substància.

Volum “constant” (poca variació si la T és constant)

Compressibilitat gairebé nul.la

Densitat sòlid > líquid > gascompte excepcions: pex. Aigua. El gel sura sobre el líquid.

9

Pressió hidrostàtica: Els xocs de les partícules de líquid que colpegen les parets del recipient on són

contingudes

Pressió de vapor (Pv): Evaporació: és el procès pel qual les partícules situades a la SUPERFÍCIE d’un

líquid en contacte amb una fase gasosa (pex. aire) es va transformant en gas.

Les partícules situades a la superfície tenen prou Energia cinètica per vèncer les forces d’atracció intermoleculars i passar a gas.

La pressió de vapor o tensió de vapor és la pressió exercida pel vapor d'una substància líquida en un recinte tancat.

Cada líquid presenta una determinada Pv que augmenta amb la T.

10

Hi ha molècules de líquid amb prou Ec per passar a gas.

Els xocs de les molècules en estat gasòs amb les parets del recipient és la Pv.

11

Olla a pressió -és un recipient per a cuinar, amb un tancament hermètic que reté el vapor.

-el vapor fa augmentar la pressió dintre de l'olla, la qual cosa evita que la temperatura quedi estacionada en la d'ebullició de l'aigua (100°C al nivell del mar) i pugi més, obtenin així una més gran rapidesa en la cocció dels aliments.

12

C) ESTAT GASÓS

En els gasos, les partícules estan molt separades i es mouen lliurement, xoquen entre sí i també contra les parets del recipient que les conté.

13

Canvis d’estat

Quant un sòlid s’escalfa, les seves partícules adquireixen energia. Això fa que les partícules vibrin cada vegada més de pressa fins a passar a l’estat líquid.

El canvi d’estat sòlid a líquid s’anomena fusió.

sòlid líquid

Calor

(energia)

Fusió

14

El mateix passa amb un líquid. A mesura que augmenta la vibració de les partícules, aquestes comencen a vaporitzar-se passant a l’estat gasos.

líquid

Calor

(energia)

gasEvaporació

15

Vaporització: canvi d’estat de liquid a gas- Evaporació: si només es dóna a la superfície, té

lloc a qualsevol T Ebullició: es dóna a tota la massa de líquid, té lloc

a la Tb (temperatura d’ebullició, específica de cada substància)

Solidificació: canvi d’estat de líquid a sòlid.

Condensació: canvi d’estat gasos a líquid.

Sublimació: canvi d’estat sòlid a gasós o viceversa

16

Energia que intervé en canvis d’estat

Una substància pura: La T es manté constant mentre dura el

canvi d’estat. (línies rectes)

Una mescla: La T pot variar (no donen gràfiques rectes)

veure gràfiques llibre pg 53 i seguents

17

Diferència entre Q i T

La calor (de símbol Q) és una forma d'energia que es produeix amb el moviment cinètic de les molècules o partícules d’un cos. La Q flueix entre cossos que es troben a diferent Temperatura fins que aquests arriben a l’equilibri tèrmic (a la mateixa T).

La temperatura (T) està relacionada directament amb l’energia cinètica dels àtoms, molècules (partícules) que formen un cos. Es a dir un cos amb més T indica que les seves partícules es mouen o vibren amb més rapidesa.

18

Si varia la T Q=m.ce. T

Si NO varia la T, es a dir si hi ha un canvi d’estat Q=m.

Unitats del Sistema Internacional (S.I.)Q= calor (J) Joules

m= massa (kg)

Ce= calor específica (J/(Kg.ºK)

T= temperatura (ºK)

=calor latent (J/Kg)

19

Ce= calor específica (J/(Kg.ºK)- Calor necessària per escalfar 1ºK, 1 kg de

qualsevol substància.-Es una variable tabulada i per a cada substància

té un valor determinat, que també varia segons si està en estat sòlid, líquid o gas.

=calor latent (J/Kg) -Calor necessària per que 1 kg d’una substància

determinada canvïi d’estat.- Es una variable tabulada i per a cada

substància té un valor determinat, que també varia segons si està en estat sòlid, líquid o gas És un valor tabulat

20

1.3 Lleis dels gasos Unitat 4.

Els gasos• L’estat d’un gas en un moment determinat queda

perfectament caracteritzat per: la pressió, la temperatura, la quantitat de matèria gasosa que té i el volum que ocupa.

• Es pot arribar a establir una relació entre variables d’estat d’un gas relacionant-les de dues en dues.

• Estudiarem les lleis dels gasos IDEALS

• Primer hem de conèixer quines unitats hem de fer servir.

21

unitats de mesura

La temperatura (T) :Sistema Internacional: s’expressa en kelvins (K)

Altres:graus centígrads (°C).

= +273,15TºK TºC

La quantitat de matèria:

Sistema Internacional: es mesura en mols (mol).

El volum (V): ocupat pel gas Sistema internacional: metres cúbics (m3).

Altres: litres (L), decímetres cúbics (dm3), mil.lilitres (ml)

1 m3 =1000 dm3 = 1000 l 1l =1000 ml =1000cm3

22

unitats de mesura

La pressió (P)Sistema internacional, el pascal (Pa)

Altres: atmosferes (atm)mil·límetre de mercuri (mm Hg).

1 =1,013.10atm 5 = 760 Pa mmHg

23

Els gasos ideals i els gasos reals

Un gas es comporta de manera semblant a un gas ideal si:

• És lluny de la liquació.

• La pressió no és gaire elevada.

Les forces atractives intermoleculars sempre són presents en un gas real.

En una situació ideal es pot pensar que no existeix cap mena de força atractiva entre les molècules del gas.

Un gas ideal estaria format per molècules sense volum.

Quan la pressió no és gran, les molècules estan separades i el seu volum no té cap importància; per això es comporten com un gas ideal.

24

L’escala Kelvin de temperatures

Per a un gas no poden existir temperatures inferiors a –273,15 °C.

L’anomenada escala Kelvin o absoluta és una escala temomètrica sense nombre negatius, que utilitza com a punt de referència la temperatura més freda possible (–273,15 °C).

A aquest punt li correspon una temperatura de zero kelvin (0 K), que també s’anomena zero absolut.

Com es va arribar a establir aquesta escala de T?

25

A)Llei de Charles i Gay-Lussac

Per a dos estats diferents del mateix gas, suposant que tinguin un comportament que es pugui considerar ideal, la relació entre els volums respectius (V1 i V2) i les temperatures kelvin (T1 i T2) a pressió constant, s’expressa amb la fórmula següent, segons la llei de Gay-Lussac:

Unitat 4.

Els gasos

V1 V2

T1 T2

=

volum volum

-300 -200 -100 0 100 0 100 200 300

Temperatura en ºC Temperatura en K

26

B) Llei de Boyle-MariotteUnitat 4.

Els gasos

Per a una quantitat fixa d’un gas que es pugui considerar ideal, mantinguda a temperatura constant, es compleix que la relació entre les pressions (P1 i P2) i el volums respectius (V1 i V2) de dos estats del mateix gas s’expressa:

P1V1 = P2V2

Les condicions necessàries per poder aplicar les lleis de Boyle i Mariotte i Gay-Lussac són tres:

• idealitat • quantitat invariable de gas • presència d’una variable constant (temperatura o pressió)

27

Relació entre P, V i T. Unitat 4.

Els gasos

Sempre que tractem amb dos estats d’una mateixa quantitat d’un gas que es comporta idealment, la relació entre les variables que caracteritzen els dos estats seguirà la llei general dels gasos ideals, que s’enuncia així:

P1V1 P2V2

T1 T2

estat 1 estat 2 estat 3

pressió P1 P1 P2

volum V1 V1 V2

temperatura T1 T1 T2

28

C) Llei d’AvogadroUnitat 4.

Els gasos

-Suposem que tenim dos gasos diferents en condicions idèntiques de P,V i T

-Si els dos tenen la mateixa T: les seves partícules tenen la mateixa E

-La P (xocs) depen del nombre de partícules o de l’E que tinguin aquestes

-En aquest cas: com la T es la mateixa la P només depen del nombre

partícules

-Com al mesurar la P és la mateixa conclusio: els dos gasos tenen el mateix nombre de partícules

V K. n T=

29

D) Equació d’estat dels gasos ideals.Unitat 4.

Els gasos

Combinant les lleis A, B i C arribem a l’equació d’estat dels gasos ideals

PV = n.R. T

R és la constant universal dels gasos, perquè és aplicable a tots els gasos

R = 0,082 atm L

K mol

PM = d. R. T

Aplicant que n=m (massa) / M (massa molar) podem arribar a:

PV =(m/M).R. T

Com d (densitat) = m(massa)/V (volum)

30

Unitat 4.

Els gasosE) Llei de Dalton o de les pressions parcials

pressió parcial fracció molar

És la pressió que faria un component d’una mescla gasosa a la mateixa temperatura, suposant que ocupés tot el volum del recipient.

És la fracció que representa els mols d’un dels gasos en comparació amb els mols totals de la mescla.

Utilitzant els conceptes de pressió parcial i fracció molar, podem establir diferents enunciats per a la llei de Dalton de les pressions parcials:

P = PA + PB=

En una mescla de gasos ideals, la pressió parcial d’un dels gasos és una fracció de la pressió total igual a la seva fracció molar:

PA/P = xA O l’equivalent: PA = PxA

1 = xA + xB=

31

Unitat 4.

Els gasosG) Gasos humits

Molts cops es recullen gasos sobre aigua (o sobre d’altres líquids), per la qual cosa una part del líquid s’evapora.

P total = Pgas sec + Pv=

Qui fa P aqui?

P total= p gas+ pv

32

Unitat 4.

Els gasosF) % volum= %mols

En una mescla de gasos ideals, la proporció en volum (%) es correspon al % en mols i per tant podem dirimir la fracció molar.

Pex aire: 21% oxigen , 79% nitrogen

Això significa que les fraccions molars:

x (O2) = 0,21

x (N2) = 0,79