Proprietà e Leggi dei Gas: Tempo Caldo e Pressione, Sintesi del corso di Chimica

Scarica Proprietà e Leggi dei Gas: Tempo Caldo e Pressione e più Sintesi del corso in PDF di Chimica solo su Docsity! Digital Vision Getty La bassa densità dell’aria calda, contenuta in questi palloni, permette loro di salire nell'atmosfera che è più densa.  A differenza degli stati liquido e solido, quando un corpo si trova allo stato gassoso tende a occupare tutto il volume a disposizione GAS Leggi dei gas  Leggi fisiche che descrivono il comportamento dei gas in funzione delle variabili di stato, quali volume, temperatura e pressione. Le particelle gassose hanno energia cinetica maggiore dell'energia di attrazione, perciò tendono ad occupare tutto lo spazio disponibile. La Pressione è una Forza per unità di superficie, ed è data semplicemente dal rapporto P=F/S quando F è uniformemente distribuita su S. Nei gas la pressione è legata agli urti delle particelle contro le pareti del recipiente. La pressione si valuta generalmente misurando l'altezza di una colonna di mercurio (Hg) che il gas riesce a sostenere contro la forza di gravità. Al livello del mare e a 0° C, la pressione atmosferica media fa salire la colonna di Hg a 760 mm La pressione si misura in : •Pascal (SI) •Atmosfere •mmHg o Torr 1 torr= 133,322 Pa 1 atm=101325Pa Relazione tra volume di un gas e pressione a T=costante Legge di Boyle P1V1=P2V2 ; PV = K Leggi dei gas valide per gas perfetti in cui le molecole hanno dimensioni puntiformi e non vi sono forze intermolecolari A pressione costante il volume di un gas cresce con il crescere della temperatura Legge di Charles V1/V2= T1/T2 ; V/T= K Temperatura assoluta In °K 600 K 10g 10 g s Pistone l Campione Figura 12-12 Interpretazione molecolare della Legge di Charles - il cambia- mento del volume di un gas al variare della temperatura (a pressione costante). Alla temperatura più bassa, le molecole urtano le pareti con frequenza e vigore minore. Il volume, quindi, dev'essere inferiore per mantenere la stessa pressione.  4CC) VimL) T{K) 27 200 300 sii aprire SA 3 Ghiagzia ali 54 218 327 5 ebollizione 19g 249373 SG 127267 40 = 20 227 333 50 327 400 600 10 Campione 427 467 700 d’aria Di È È 3 l'appo di mercurio mobile, (b) a massa costante d —-300-273-200 —100 0 100 200 300 40010) DC 20°C 100°C o 73 173 273 373 473 573. 673T(K) (ghiaccio) (temperatura (acqua in ambiente) chollizione) (a) (e) Figura 12-5 Esperimento che dimostra come, a pressione costante, il volume di un gas ideale aumenta aumentando la temperatura. (a) Un tappo di mercurio di peso costante, più la pressione atmosferica, mantiene una pressione costante sull’aria intrappolata. (b) Alcuni dati rappresentativi volume-temperatura registrati a pressione costante. La relazione diventa chiara quando t (°C) è convertita in T (K) addizionando 273 °C. (c) Grafico in cui il volume è riportato in funzione della temperatura nelle due differenti scale. Le rette A, B e C rappresentano la stessa massa dello stesso gas ideale a differenti pressioni. La retta A riporta i dati tabulati nella parte (b). Il grafico D mostra il comportamento di un gas che, raffreddato, condensa per formare un liquido (in questo caso a 50°C). Il volume in verità non cade a zero quando il gas liquefà, ma diventa molto più piccolo del volume in fase gas.  Legge di Avogadro: " Volumi uguali di gas nelle stesse condizioni di temperatura e di volume, contengono un ugual numero di molecole “ Una mole di qualunque gas, alle medesime condizioni di temperatura e di pressione, occupa lo stesso volume. A c.n. questo volume è pari a 22,4 l/mole La condizioni normali (c.n.) corrispondono a 1 atm e 0°C (273°K) L'equazione di stato dei gas perfetti descrive bene il comportamento dei gas reali per pressioni non troppo elevate e per temperature non troppo vicine alla temperatura di liquefazione del gas. In questi casi, una migliore descrizione del comportamento del gas è dato dall'equazione di stato di Van der Waals La legge di Van der Waals è una equazione di stato che estende la legge dei gas perfetti (1) PV= nRT con l'introduzione di due valori a e b (costanti di Van der Waals) che dipendono dalla sostanza in esame. La legge generale dei gas si applica correttamente solo al gas ideale o perfetto, costituito di particelle tutte uguali, con la stessa massa e con volume nullo (puntiformi) e non interagenti: è un modello che è stato costruito per razionalizzare il comportamento dei gas.   Un gas reale è invece caratterizzato da particelle con un volume definito; se si vuole perciò applicare la legge dei gas a gas reali è necessario introdurre delle correzioni. Di un gas reale, per esempio, si può esaminare il fattore di comprimibilità Z Teoria cinetica dei gas Ecin= ½ m v2 v= velocità media delle molecole Per i gas perfetti: PV = 1/3 N m v2 N= numero di molecole v2 = velocità quadratica media Per una mole di gas: PV = 1/3 NA m v2  PV = 2/3 NA (½ m v2)  PV = 2/3 NA Ecin PV = RT  RT = 2/3 NA Ecin  Ecin= 3/2 RT/NA  Ecin= 3/2 kT (per una molecola) (k= costante di Boltzmann= R/NA= 1.38 10-23 J K-1) Ecin mol= 3/2 RT (per una mole) L’energia cinetica di un gas ideale dipende solo dalla T assoluta ed è indipendente da P, V e dalla natura del gas A T=0 °K il moto di traslazione molecolare cessa Maxwell valutò statisticamente la distribuzione delle velocità nelle particelle di gas con la funzione di distribuzione di velocità che esprime la frazione di molecole DN/N che possiedono una certa velocità. A T più alte la velocità media è + bassa e aumenta la frazione di molecole con velocità che si avvicinano alla massima velocità più probabile v v media Distribuzione delle velocità molecolari (Maxwell) MISCELE di GAS Se il sistema è costituito da una miscela di due o più gas che occupano lo stesso volume V, identificando ogni singola specie gassosa con i simboli A, B, ..i... e considerando che tutti si comportino come gas ideali, ognuno di essi seguirà la legge generale. Pressione parziale del gas i :  pressione che il gas i eserciterebbe se occupasse da solo tutto il volume disponibile, dato che, considerando gas ideali, le particelle sono indistinguibili tra loro. Dati due gas A e B Legge di Dalton P = PA+PB Per i gas in miscela P= ∑Pi = ∑ni RT/V= Pi/P= ni/ ∑ni =i Pi= iP la pressione parziale di un gas i è data dal prodotto della sua frazione molare i per la pressione totale. Unione î Pio = Pa + Pg Miscela Gas A A4B Gas B Figura 12-6 Un'illustrazione della Legge di Dalton. Quando due gas A e B sono mescolati nello stesso recipiente alla stessa temperatura, esercitano una pressione totale uguale alla somma delle loro pressioni parziali.  Digital Vision Getty La bassa densità dell’aria calda, contenuta in questi palloni, permette loro di salire nell'atmosfera che è più densa.  A differenza degli stati liquido e solido, quando un corpo si trova allo stato gassoso tende a occupare tutto il volume a disposizione GAS Leggi dei gas  Leggi fisiche che descrivono il comportamento dei gas in funzione delle variabili di stato, quali volume, temperatura e pressione. Le particelle gassose hanno energia cinetica maggiore dell'energia di attrazione, perciò tendono ad occupare tutto lo spazio disponibile. La Pressione è una Forza per unità di superficie, ed è data semplicemente dal rapporto P=F/S quando F è uniformemente distribuita su S. Nei gas la pressione è legata agli urti delle particelle contro le pareti del recipiente. La pressione si valuta generalmente misurando l'altezza di una colonna di mercurio (Hg) che il gas riesce a sostenere contro la forza di gravità. Al livello del mare e a 0° C, la pressione atmosferica media fa salire la colonna di Hg a 760 mm La pressione si misura in : •Pascal (SI) •Atmosfere •mmHg o Torr 1 torr= 133,322 Pa 1 atm=101325Pa Relazione tra volume di un gas e pressione a T=costante Legge di Boyle P1V1=P2V2 ; PV = K Leggi dei gas valide per gas perfetti in cui le molecole hanno dimensioni puntiformi e non vi sono forze intermolecolari A pressione costante il volume di un gas cresce con il crescere della temperatura Legge di Charles V1/V2= T1/T2 ; V/T= K Temperatura assoluta In °K 600 K 10g 10 g s Pistone l Campione Figura 12-12 Interpretazione molecolare della Legge di Charles - il cambia- mento del volume di un gas al variare della temperatura (a pressione costante). Alla temperatura più bassa, le molecole urtano le pareti con frequenza e vigore minore. Il volume, quindi, dev'essere inferiore per mantenere la stessa pressione.  4CC) VimL) T{K) 27 200 300 sii aprire SA 3 Ghiagzia ali 54 218 327 5 ebollizione 19g 249373 SG 127267 40 = 20 227 333 50 327 400 600 10 Campione 427 467 700 d’aria Di È È 3 l'appo di mercurio mobile, (b) a massa costante d —-300-273-200 —100 0 100 200 300 40010) DC 20°C 100°C o 73 173 273 373 473 573. 673T(K) (ghiaccio) (temperatura (acqua in ambiente) chollizione) (a) (e) Figura 12-5 Esperimento che dimostra come, a pressione costante, il volume di un gas ideale aumenta aumentando la temperatura. (a) Un tappo di mercurio di peso costante, più la pressione atmosferica, mantiene una pressione costante sull’aria intrappolata. (b) Alcuni dati rappresentativi volume-temperatura registrati a pressione costante. La relazione diventa chiara quando t (°C) è convertita in T (K) addizionando 273 °C. (c) Grafico in cui il volume è riportato in funzione della temperatura nelle due differenti scale. Le rette A, B e C rappresentano la stessa massa dello stesso gas ideale a differenti pressioni. La retta A riporta i dati tabulati nella parte (b). Il grafico D mostra il comportamento di un gas che, raffreddato, condensa per formare un liquido (in questo caso a 50°C). Il volume in verità non cade a zero quando il gas liquefà, ma diventa molto più piccolo del volume in fase gas.  Legge di Avogadro: " Volumi uguali di gas nelle stesse condizioni di temperatura e di volume, contengono un ugual numero di molecole “ Una mole di qualunque gas, alle medesime condizioni di temperatura e di pressione, occupa lo stesso volume. A c.n. questo volume è pari a 22,4 l/mole La condizioni normali (c.n.) corrispondono a 1 atm e 0°C (273°K) L'equazione di stato dei gas perfetti descrive bene il comportamento dei gas reali per pressioni non troppo elevate e per temperature non troppo vicine alla temperatura di liquefazione del gas. In questi casi, una migliore descrizione del comportamento del gas è dato dall'equazione di stato di Van der Waals La legge di Van der Waals è una equazione di stato che estende la legge dei gas perfetti (1) PV= nRT con l'introduzione di due valori a e b (costanti di Van der Waals) che dipendono dalla sostanza in esame. La legge generale dei gas si applica correttamente solo al gas ideale o perfetto, costituito di particelle tutte uguali, con la stessa massa e con volume nullo (puntiformi) e non interagenti: è un modello che è stato costruito per razionalizzare il comportamento dei gas.   Un gas reale è invece caratterizzato da particelle con un volume definito; se si vuole perciò applicare la legge dei gas a gas reali è necessario introdurre delle correzioni. Di un gas reale, per esempio, si può esaminare il fattore di comprimibilità Z Teoria cinetica dei gas Ecin= ½ m v2 v= velocità media delle molecole Per i gas perfetti: PV = 1/3 N m v2 N= numero di molecole v2 = velocità quadratica media Per una mole di gas: PV = 1/3 NA m v2  PV = 2/3 NA (½ m v2)  PV = 2/3 NA Ecin PV = RT  RT = 2/3 NA Ecin  Ecin= 3/2 RT/NA  Ecin= 3/2 kT (per una molecola) (k= costante di Boltzmann= R/NA= 1.38 10-23 J K-1) Ecin mol= 3/2 RT (per una mole) L’energia cinetica di un gas ideale dipende solo dalla T assoluta ed è indipendente da P, V e dalla natura del gas A T=0 °K il moto di traslazione molecolare cessa Maxwell valutò statisticamente la distribuzione delle velocità nelle particelle di gas con la funzione di distribuzione di velocità che esprime la frazione di molecole DN/N che possiedono una certa velocità. A T più alte la velocità media è + bassa e aumenta la frazione di molecole con velocità che si avvicinano alla massima velocità più probabile v v media Distribuzione delle velocità molecolari (Maxwell) MISCELE di GAS Se il sistema è costituito da una miscela di due o più gas che occupano lo stesso volume V, identificando ogni singola specie gassosa con i simboli A, B, ..i... e considerando che tutti si comportino come gas ideali, ognuno di essi seguirà la legge generale. Pressione parziale del gas i :  pressione che il gas i eserciterebbe se occupasse da solo tutto il volume disponibile, dato che, considerando gas ideali, le particelle sono indistinguibili tra loro. Dati due gas A e B Legge di Dalton P = PA+PB Per i gas in miscela P= ∑Pi = ∑ni RT/V= Pi/P= ni/ ∑ni =i Pi= iP la pressione parziale di un gas i è data dal prodotto della sua frazione molare i per la pressione totale. Unione î Pio = Pa + Pg Miscela Gas A A4B Gas B Figura 12-6 Un'illustrazione della Legge di Dalton. Quando due gas A e B sono mescolati nello stesso recipiente alla stessa temperatura, esercitano una pressione totale uguale alla somma delle loro pressioni parziali.  Densità dei gas Dall’equazione di stato dei gas perfetti PV =mRT/PM Si può ricavare la densità di un gas di peso molecolare PM d (g/l) = m/V= PM.P/RT Che è direttamente proporzionale a P e PM e inversamente alla T Densità relativa di 2 gas a e b da/b= da/db= PMa/PMb Gas reali se sottoposti ad una adeguata pressione e portati ad una T abbastanza bassa, condensano, diventando prima liquidi, poi solidi. passaggio alla fase liquida di un gas reale Portando in un diagramma P/V (diagramma di Andrews), i dati relativi si ottengono curve diverse a seconda delle varie T. Il modello cinetico molecolare di un gas C è detto punto critico ed è identificato da una coppia di valori di P e di V: PC= pressione critica VC= volume critico Jacques Jangoux /Peter Armi Le foreste tropicali sono importanti per il mantenimento del bilanciamento di CO, e O, nell'atmosfera terrestre. In anni recenti un'area più grande della Francia delle foreste del Sud America (le più ampie al mondo) è stata distrutta o da inondazioni causate da dighe idroelettriche oppure dalla deforestazione per scopi agricoli od allevamenti. Que- ; Sta distruzione prosegue sottraendo alla foresta 20,000 chilometri quadrati di territorio all'anno. Se si proseguirà su questa via, in pochi anni la maggior parte delle foreste del mondo saranno seriamente ridotte o addirittura scompari- ranno. La domanda fondamentale - “quali sono le conseguenze a lungo termine derivanti dalla distruzione delle foreste tropicali?" rimane, comunque, ancora senza risposta. Figura 12-7 Apparato per la pre- parazione di idrogeno da zinco ed acido solforico. Zn(s) + 2H*(aqg) — Zn?+(ag) + H(g) L'idrogeno è raccolto per sposta- mento dell'acqua. msg anne P pren  Per non far reagire Na metallico violentemente con l’umidità presente, si aggiunge KNO3 che produce altro azoto reagendo con Na KNO3 +NaK2O + Na2O+ N2 gli ossidi metallici basici ottenuti reagiscono a loro volta con biossido di silicio dando un prodotto vetroso K2O + Na2O+ SiO2  vetro