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Liquido in chimica: definizione e caratteristiche fisiche

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISTENZA ATTRITO.jpgCon “liquido” in chimica si indica uno degli stati della materia, insieme a “solido” ed aeriforme (gas). Generalmente, una sostanza allo stato liquido è meno densa che allo stato solido, cioè un materiale allo stato solido tende ad “andare a fondo” se immerso nello stesso materiale allo stato liquido. Una importante eccezione a quest’ultima affermazione è costituita dall’acqua che è più densa allo stato liquido che allo stato solido, motivo per cui il ghiaccio galleggia sull’acqua.

Le proprietà principali di un materiale allo stato liquido sono:

Fluidità

Un liquido è un fluido che, in assenza di forze esterne tra cui quella di gravità, ha una forma sferica. I liquidi, a causa della limitata forza di coesione fra le molecole, sono scorrevoli, cioè fluidi. Si dice quindi che “non hanno forma propria”. Non tutti i liquidi sono egualmente fluidi, così si dice che l’etere è più fluido dell’acqua o anche che l’acqua è più viscosa dell’etere.

Elasticità

i liquidi sono molto elastici, cioè si deformano facilmente sotto l’azione di una forza e riprendono immediatamente la forma primitiva appena cessa l’azione della forza deformatrice.

Incomprimibilità

un liquido è un fluido il cui volume è costante a temperatura e pressione costanti; la comprimibilità dei liquidi è in genere molto bassa, e trascurabile se confrontata a quella dei gas, quindi i liquidi sono considerati incomprimibili.
Anche se hanno un coefficiente di comprimibilità che varia in funzione della natura del liquido stesso, alcuni di questi liquidi come l’acqua sono stati testati a pressioni fino a 10.000 bar dando variazioni molto piccole, invece altri come gli idrocarburi hanno sensibili variazioni con pressioni di 100 bar.

Comportamento di atomi e molecole nei liquidi

Le molecole o atomi che costituiscono il liquido interagiscono fra loro, sebbene non fortemente come nel solido. Non sono fra loro in posizioni fisse ma “scorrono” gli uni sugli altri, sebbene si ipotizzi l’esistenza di cluster o gabbie relativamente stabili, in liquidi dai forti legami intermolecolari come l’acqua.

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Differenza tra miscela omogenea ed eterogenea

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISIn chimica si definisce “miscela” un insieme di sostanze diverse mescolate tra loro. A differenza dei composti, che si possono definire come sostanze elettricamente neutre costituite da due o più elementi diversi i cui atomi vi figurano in proporzioni definite, le miscele hanno una composizione variabile. Ad esempio, in un campione del composto acqua vi saranno sempre due atomi di H per ogni O, mentre lo zucchero e la sabbia si possono mescolare in qualsiasi proporzione. Allo stesso modo, mentre le proprietà dei composti sono diverse da quelle dei componenti, quelle delle miscele sono affini alle proprietà dei costituenti. Non di meno, mentre non è possibile separare i componenti di un composto con mezzi fisici, i costituenti di una miscela si possono separare con l’ausilio di tecniche fisiche.

Una miscela può essere eterogenea od omogenea:

  • miscela eterogenea: è un tipo particolare di miscela in cui è possibile riconoscerne i vari componenti con un microscopio ottico, o anche ad occhio nudo. È il caso di molte rocce o del latte o dell’olio immerso nell’acqua, ad esempio;
  • miscele omogenee o soluzioni: sono un tipo particolare di miscela in cui le molecole o gli ioni sono così intimamente mescolati tra loro tanto che la composizione risulta uniforme ovunque, per piccolo che possa essere il campione esaminato.

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Differenza tra soluzione e miscuglio in chimica con esempi

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISTENZA ATTRITO.jpgSi definisce “soluzione” in chimica una miscela omogenea in cui una o più sostanze sono contenute in una fase liquida o solida o gassosa; una soluzione contiene particelle diverse mescolate e distribuite in modo uniforme nello spazio disponibile in modo che ogni volume di soluzione abbia la medesima composizione degli altri. La misura della quantità di soluto rispetto alla quantità di soluzione è detta concentrazione e viene misurata sia tramite unità fisiche che tramite unità chimiche.

In una soluzione viene denominato solvente la sostanza presente in quantità maggiore e soluto (o soluti) la sostanza (o le sostanze) presente in minor quantità.

  • Le soluzioni gassose (gas in gas) vengono normalmente dette miscele gassose.
  • Le soluzioni solide (solido in solido) sono dette leghe.
  • Le soluzioni liquide in cui un soluto si scioglie in un liquido (soluto in acqua) vengono dette soluzioni acquose.

Una soluzione consiste quindi in una miscela di due o più componenti che formano una dispersione molecolare omogenea in una sola fase fisica. Ricordiamo che la “fase” in chimica indica una porzione di materia che, ad occhio nudo o al microscopio ottico, presenta in ogni suo punto le medesime proprietà fisiche e chimiche.

In chimica si definisce “miscuglio” un insieme di componenti chimici che si combinano tra di loro con rapporti costanti per mantenere particolari proprietà fisiche e chimiche. Un miscuglio può essere:

  • omogeneo (o fisico) se i suoi componenti non sono più distinguibili all’osservazione diretta e si presenta in un’unica fase;
  • eterogeneo (o meccanico) se è costituito da due o più fasi e i suoi componenti sono facilmente distinguibili.

Se ad esempio versate olio dentro un bicchiere d’acqua, vedi perfettamente che sia acqua che olio saranno distinti: questo è un tipico miscuglio eterogeneo costituito da due fasi, una fase è l’acqua e l’altra fase è l’olio.

Se invece osservate un bicchiere di vino, o di caffè, le parti che compongono la miscela sono perfettamente omogenee, ciò viene detto miscuglio omogeneo e viene chiamato comunemente soluzione. La soluzione è – più precisamente – un miscuglio omogeneo in cui una fase (il solvente) è in netta prevalenza sull’altra fase (il soluto). In altre parole: una soluzione è un tipo particolare di miscuglio omogeneo.

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Differenza tra densità relativa ed assoluta

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA MIELE OLIO VINO RESISTENZA ATTRITO MOVIMENTO MATERIALE ESPERIMENTO.jpgLa densità assoluta – o più semplicemente “densità” – di un materiale è il rapporto tra la sua massa ed il suo volume (cioè massa diviso volume); l’unità di misura della densità è il kg/m³. Il materiale in esame può essere sia un liquido che un solido o un gas.

Con “densità relativa” si intende invece il rapporto tra la densità del corpo preso in esame e quella di un corpo preso come riferimento, per data temperatura e pressione. Il corpo usato come riferimento è di solito l’acqua pura (distillata o deionizzata) a temperatura di 4 °C e pressione di 1 bar. 

Proprio per evitare errori la “densità” (cioè il rapporto tra la sua massa ed il suo volume) prende il nome di “densità assoluta”, in modo da distinguerla dalla densità relativa. Bisogna fare attenzione a non confondere il concetto di densità (che è la misura di una massa diviso un volume) con quello di densità relativa (che è invece una grandezza adimensionale).

Come si determina la densità relativa?

La densità relativa può essere determinata in vari modi. I corpi solidi che hanno densità maggiore di quella dell’acqua vengono pesati dapprima in aria e quindi in acqua in condizioni di completa immersione. La densità relativa si ottiene dividendo il peso in aria per la diminuzione di peso del corpo immerso (vedi principio di Archimede). Per determinare la densità relativa dei fluidi si utilizzano invece strumenti appositi detti densimetri. Nel caso siano necessarie misure molto accurate, si procede determinando la massa di un volume noto di liquido o di gas in condizioni controllate di temperatura.

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Differenza tra fluido e liquido

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISTENZA ATTRITOCon “fluido” in chimica si definisce un materiale (generalmente costituito da una sostanza o da una miscela di più sostanze) che si deforma illimitatamente (fluisce) se sottoposto a uno sforzo di taglio, indipendentemente dall’entità di quest’ultimo. Il fluido è un particolare stato della materia che comprende

  • i liquidi;
  • gli aeriformi (i gas);
  • il plasma;
  • alcuni solidi plastici.

Con “liquido” in chimica si indica uno degli stati della materia, insieme a “solido” ed aeriforme (gas). Le sue proprietà principali sono: fluidità, elasticità ed incomprimibilità. Generalmente, una sostanza allo stato liquido è meno densa che allo stato solido, ma un’importante eccezione è costituita dall’acqua.

Da quanto detto appare chiaro che i liquidi fanno parte della grande famiglia dei fluidi: tutti i liquidi sono fluidi, ma non tutti i fluidi sono dei liquidi.
Consideriamo ad esempio un tipo particolare fluido: un gas. Il gas è un fluido, tuttavia non è un liquido, bensì è allo stato aeriforme. Immesso in un dato contenitore, il gas lo occupa tutto mentre invece, un altro particolare fluido, un liquido, ne occupa solo una parte, perché i liquidi mantengono il loro volume, i gas invece no.
Sinteticamente si può concludere dicendo che i liquidi sono quei particolari fluidi che mantengono il loro volume.

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Cos’è la densità in chimica? Densità di acqua ed aria a varie temperature

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA MIELE OLIO VINO RESISTENZA ATTRITO MOVIMENTO MATERIALE ESPERIMENTOLa densità di un materiale è il rapporto tra la sua massa ed il suo volume (cioè massa diviso volume); l’unità di misura della densità è il kg/m³. Nell’uso comune si utilizza talvolta il kg/litro (kg/dm³), che corrisponde esattamente al g/cm³.

Il materiale in esame può essere sia un liquido che un solido o un gas. La densità nella tavola periodica degli elementi tende a crescere nei gruppi dall’alto verso il basso (fanno eccezione berillio e magnesio), mentre nei periodi cresce da sinistra a destra fino a boro-alluminio-rame-rutenio-iridio, per poi decrescere.

I corpi con densità maggiore vanno a fondo se immersi in fluidi con densità minore; invece i corpi con densità minore galleggiano su fluidi che hanno densità maggiore, ciò è valido solo se l’esperimento viene effettuato sotto effetto della gravità, mentre ciò non è vero in assenza di gravità, ad esempio nello spazio. Questa proprietà è alla base del celebre Principio di Archimede:

«ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido (liquido o gas) riceve una spinta verticale dal basso verso l’alto, uguale per intensità al peso del volume del fluido spostato».

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Densità dell’acqua a varie temperature

Nella tabella seguente è indicata la densità dell’acqua in grammi per centimetro cubo a varie temperature (in °C). I valori sotto 0 °C si riferiscono allo stato di acqua sottoraffreddata.

Temperatura (°C) Densità (g/cm3) Volume specifico (cm3/g)
100 0,9584 1,0434
80 0,9718 1,0290
60 0,9832 1,0171
40 0,9922 1,00786
30 0,9956502 1,00437
25 0,9970479 1,00296
22 0,9977735 1,00223
20 0,9982071 1,001796
15 0,9991026 1,000898
10 0,9997026 1,000297
4 0,9999720 1,0000280
0 0,9998395 1,00016
−10 0,998117 1,001886
−20 0,993547 1,006495
−30 0,983854 1,01641

Densità dell’aria a varie temperature

Nella tabella seguente è indicata la densità dell’aria in chilogrammi per metro cubo a varie temperature (in °C)

Temperatura in °C Densità in kg/m3 (a 1 atm)
–10 1,342
–5 1,316
0 1,293
5 1,269
10 1,247
15 1,225
20 1,204
25 1,184
30 1,165

Altri usi del termine “densità”

Il termine “densità” può essere applicato anche ad altre grandezze che hanno una distribuzione spaziale. Per esempio il rapporto tra il numero di elettroni in un dato volume e il volume stesso è detto densità di elettroni. Più in generale, considerando un insieme qualunque di oggetti, si parla di densità di numero. Il rapporto tra la carica totale distribuita in un volume e il volume medesimo viene comunemente indicato come densità di carica; l’energia luminosa per unità di volume è definita come densità di energia luminosa. Quindi in generale la massa volumica di una grandezza è espressa mediante il rapporto tra la quantità della grandezza contenuta in un volume assegnato e il valore di quest’ultimo.
In senso ancora più ampio il concetto è stato esteso anche ad altri ambiti quali la geografia: la densità di popolazione misura la popolazione di un territorio per unità di superficie.
Nel caso in cui una grandezza sia distribuita su una superficie si può parlare infine di densità superficiale di tale grandezza riferendosi al rapporto tra la grandezza stessa e l’area della superficie su cui è distribuita. Per esempio nel caso della carica elettrica si parla di densità superficiale di carica. Nel caso di una corrente elettrica attraverso un conduttore di sezione S si chiama densità di corrente il rapporto tra la corrente e la sezione S attraversata.

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Differenza tra fluido newtoniano e non newtoniano con esempi

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISTENZA ATTRITOCon “liquido” in chimica si indica uno degli stati della materia, insieme a “solido” ed aeriforme (gas). Le sue proprietà principali sono: fluidità, elasticità ed incomprimibilità. Generalmente, una sostanza allo stato liquido è meno densa che allo stato solido, ma un’importante eccezione è costituita dall’acqua.

Comunemente si usa distinguere i fluidi dai solidi per il fatto che questi ultimi hanno una forma propria, mentre i fluidi assumono la forma del recipiente che li contiene. Nei solidi gli sforzi che si generano in conseguenza di una deformazione sono funzione della deformazione stessa, mentre nei fluidi gli sforzi sono proporzionali alla velocità di deformazione. Il comportamento fluido è caratterizzato dalla viscosità mentre quello solido dal modulo di elasticità (o di Young).

A livello molecolare questo significa che due particelle di fluido inizialmente contigue possono essere allontanate indefinitamente tra loro da una forza anche piccola e costante; cessata la causa deformante, le particelle non tendono a riavvicinarsi (ritorno elastico): ciò è dovuto alla diversa entità delle forze intermolecolari che agiscono all’interno di un solido e di un liquido. Tale distinzione netta è in realtà un’approssimazione: la verità è che in tutti i materiali reali gli sforzi sono funzione sia della deformazione che della velocità di deformazione. Il netto prevalere di un comportamento rispetto all’altro determina l’appartenenza all’una o all’altra categoria. Esistono anche materiali per i quali entrambi i comportamenti coesistono e non è possibile trascurarne né l’uno né l’altro; si parla in questo caso di fluidi (o solidi) viscoelastici.

Fluidi newtoniani e non-newtoniani

In meccanica dei fluidi, a seconda di come lo sforzo dipende dal tasso di deformazione dei fluidi, essi possono essere classificati come:

  • fluidi newtoniani: per i quali gli sforzi sono direttamente proporzionali alla velocità di deformazione (la velocità di flusso aumenta proporzionalmente alla forza applicata). Matematicamente questi fluidi presentano un legame di proporzionalità diretta tra il tensore degli sforzi viscosi e il tensore delle velocità di deformazione. La costante di proporzionalità è detta viscosità;
  • fluidi non-newtoniani: dove lo sforzo non è direttamente proporzionale alla velocità di deformazione (sottoposto a forze di taglio, evidenzia un flusso di scorrimento che può essere: plastico, pseudoplastico, dilatante). Un fluido non newtoniano ha la caratteristica di variare la sua viscosità a seconda delle forze che interagiscono con esso. Se ad esempio gli viene applicata una pressione esso assume temporaneamente le proprietà di un corpo semi-solido. Nei fluidi non-newtoniani pseudoplastici la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di deformazione; nei fluidi non-newtoniani dilatanti: la viscosità aumenta  all’aumentare della velocità di deformazione.

Semplificando: se la velocità di deformazione dipende in maniera lineare dallo sforzo di taglio applicato, il fluido è detto “newtoniano”; invece se la velocità di deformazione del fluido dipende in maniera non lineare dallo sforzo di taglio applicato, il fluido viene detto “non newtoniano”.

Inoltre:

  • se la viscosità decresce all’aumentare della durata dello sforzo o, in altre parole, se diminuisce nel tempo lo sforzo necessario a mantenere costante la velocità di deformazione, si dice che il fluido è tissotropico;
  • se la viscosità cresce all’aumentare della durata dello sforzo, il fluido si dice reopectico o anti-tissotropico;
  • se la viscosità decresce all’aumentare della velocità di deformazione si dice che il fluido è assottigliante al taglio o pseudoplastico;
  • se la viscosità cresce all’aumentare della velocità di deformazione si dice che il fluido è ispessente al taglio o dilatante;
  • se lo sforzo è indipendente dalla velocità di deformazione, il materiale mostra deformazione plastica.

Esempi di fluidi newtoniani

Esempi tipici di fluidi newtoniani sono l’acqua e l’olio (sia alimentare che minerale per motori).

Esempi di fluidi non newtoniani

Un esempio di fluido non newtoniano dilatante, può essere realizzato miscelando acqua e amido di mais (detto anche “maizena”) o fecola di patate. L’applicazione di una forza – per esempio stendendo la superficie con un dito o capovolgendo rapidamente il contenitore in cui è posto – induce il fluido a comportarsi come un solido più che come un liquido. Questa è la proprietà di “ispessimento al taglio” (shear thickening) del fluido non newtoniano. Applicando forze più deboli, come il lento inserimento di un cucchiaio nel fluido, lo manterrà nel suo stato liquido. Una persona che si muova velocemente e che applichi una forza sufficiente con i piedi, può letteralmente camminare sopra un tale liquido. Dal punto di vista pratico, una sostanza definibile come fluido pseudoplastico viene richiesta quando, ad esempio, si devono eseguire processi di verniciatura o serigrafia (esempio: la vernice è fluida finché viene applicata con il pennello o a spruzzo ma diventa molto più viscosa e “non cola” quando la sollecitazione cessa). Fluidi come le vernici sono detti pseudoplastici (in inglese shear-thinning, cioè che si assottigliano al taglio). Altri esempi comuni di fluidi non newtoniani sono rappresentati dal sangue, dall’asfalto, dal dentifricio e, più in generale, dai fluidi polimerici. Tipicamente quindi sono liquidi in sospensione a portare tale caratteristica. Ciò è dovuto alla sparizione dei moti browniani allorquando la sospensione diventa più densa nell’elemento solido rispetto all’elemento liquido, ossia al confine tra liquido in sospensione e solido impregnato, e quindi pur mantenendo all’apparenza la forma liquida è a tutti gli effetti fisicamente un solido.

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Differenza tra soluzione e dispersione in chimica con esempi

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MEDICINA ONLINE LABORATORIO CHIMICA FISICA SANGUE ANALISI FECI URINA GLICEMIA AZOTEMIA DENSITA CHEMISTRY LAB VISCOSITA LIQUIDO GAS SOLIDO FLUIDO ACQUA PESO SPECIFICO SCUOLA RICERCA RESISSi definisce “soluzione” in chimica una miscela omogenea in cui una o più sostanze sono contenute in una fase liquida o solida o gassosa; una soluzione contiene particelle diverse mescolate e distribuite in modo uniforme nello spazio disponibile in modo che ogni volume di soluzione abbia la medesima composizione degli altri. La misura della quantità di soluto rispetto alla quantità di soluzione è detta concentrazione e viene misurata sia tramite unità fisiche che tramite unità chimiche. In una soluzione viene denominato solvente la sostanza presente in quantità maggiore e soluto (o soluti) la sostanza (o le sostanze) presente in minor quantità. Una soluzione consiste quindi in una miscela di due o più componenti che formano una dispersione molecolare omogenea in una sola fase fisica. Ricordiamo che la “fase” in chimica indica una porzione di materia che, ad occhio nudo o al microscopio ottico, presenta in ogni suo punto le medesime proprietà fisiche e chimiche.

In chimica si definisce con “dispersione” un sistema stabile o instabile costituito da più fasi (di solito due) in cui la prevalente è detta “fase disperdente” e le altre sono dette “fasi disperse”. Caratteristica delle dispersioni è che le varie fasi sono eterogenee e che le fasi disperse hanno dimensioni superiori alle grandezze colloidali (diametro > 1 μm).

In una soluzione i soluti sono quindi disciolti nel solvente nello stesso stato fisico. Una soluzione, dunque, è un sistema omogeneo. Una dispersione, invece, è un sistema eterogeneo, in cui i “soluti” sono appunto “dispersi” nel “solvente”. Un esempio di dispersione è il fumo infatti consiste in una dispersione di un solido in un aeriforme, oppure la nebbia (dispersione di un liquido in un aeriforme).

Una soluzione consiste in una miscela di due o più componenti che formano una dispersione molecolare omogenea in una sola fase fisica.

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