Upload
tranphuc
View
212
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Dr. Gabriel la Giulia PulciniPh.D. Student, Development of new approaches to teaching and learningNatural and Environmental Sciences
University of Camerino, ITALY
Lo stato gassoso e le sue proprietà
2
Lo stato gassoso e le sue proprietà, definizione di
pressione ed unità di misura, esperienza di Torricelli, legge
di Boyle, legge di Charles, legge di Gay-Lussac, Legge di
Avogadro, volume molare, legge dei gas ideali, legge
combinata dei gas
3
Molti elementi e composti sono gassosi apressione e temperatura ambiente; molte reazioniproducono o consumano gas. Lo studio delle proprietàfisiche dei gas è dunque importante.
Le grandezze fisiche utili alla descrizione di un gas sono,la temperatura, il volume, la pressione, e il numero dimoli del campione.
4
Un gas ideale (o gas perfetto) è un gas che ha i seguentirequisiti:1) Le sue particelle hanno volume nullo : il volume delleparticelle del gas è trascurabile rispetto al volume del gas (equindi del recipiente che lo contiene).2) Le forze attrattive tra le particelle sono nulle per cui ogniparticella è indipendente dalle altre.3) Le collisioni tra le particelle del gas o tra le particelle del gas ele pareti del recipiente sono perfettamente elastiche (ladispersione di energia è nulla).4) L'energia cinetica media delle particelle aumentaall'aumentare della temperatura assoluta del gas.
GAS IDEALE
5
La temperatura (T) è una grandezza fisica che definisce il grado diagitazione termica delle particelle costituenti i corpi e la sua misuraviene effettuata per mezzo di strumenti detti termometri.
Una scala termometrica definisce l'unità di misura della temperatura;per determinare una scala termometrica occorre scegliere due puntidi riferimento.Due importanti
scale termometricheSono la Celsius e la Kelvin (o Assoluta).Il passaggio da una scala ad un’altraavviene grazie all’equazione:
TEMPERATURA
6
Il volume (V) è la porzione di spazio che occupa un corpo.Nel Sistema Internazionale l’unità di misura del volume(grandezza derivata) è il metro cubo (m3).
Un’unità di misura del volume, molto utilizzata soprattuttoper i liquidi, è il litro, che corrisponde al decimetro cubo(dm3).
1 L corrisponde a 1 dm3 1 mL = 1 cm3
1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 = 1000 mL
Si può calcolare il volume di un liquido se si conosce la suamassa e densità. Infatti V = m / d
VOLUME
7
La pressione (P) è definita in generale come la forzaesercitata per unità di area su una certa superficie indirezione normale ad essa. Quindi, la pressione siottiene come:
P = F/A
dove F è il modulo della componente della forzaperpendicolare alla superficie di area A
PRESSIONE
8
L'unità di misura SI della pressione è il Pascal (Pa). IlPascal è un'unità derivata:
P = F = mg = Kg m = Kg__ = Pa
A l2 m2s 2 m s 2
9
Un'altra unità di misura per la pressione è l'atmosfera(atm), definita come la pressione esercitata da unacolonna di mercurio alta 760 mm.
ESPERIENZA DI TORRICELLI
10
Tale pressione non dipende dalla sezione della colonnadi mercurio, ma è proporzionale alla sua altezza:
Ricordando che densità = d = m m = d x VV
P = F = m x g = d x V x g = d (Hg) x h (colonna Hg) x A x gA A A A
P = d x h x g
1 atm = 1.013 x 105 Pa = 760 mm Hg = 760 torr
12
LEGGE DI BOYLE
La legge di Boyle, nota come legge isoterma (T = cost),stabilisce che, ad una data temperatura e per una dataquantità di gas, il prodotto PV è costante.
La pressione del gas (la forza che le molecole del gas esercitano suun'area data) aumenta quando il volume diminuisce, diminuiscequando il volume aumenta; è quindi inversamente proporzionale alvolume.Il grafico della relazione è una linea retta
P V = KQuesto significa cheP V = P0 V0 = cost
13
LEGGE DI CHARLES
La legge di Charles, nota come stabilisce che, ad una datapressione (legge isobara) e per una data quantità di gas,la temperatura e volume del gas sono direttamenteproporzionali l’una dall’altra: in altre parole, al crescere oal diminuire della temperatura si ha un corrispondentecrescere o diminuire del volume.Il grafico della relazione è una linea retta
V = K T V = KT
V = V0 = costT T0
14
LEGGE DI GAY-LUSSAC
La legge di Gay-Lussac, (nota come legge isocora)stabilisce che, ad un dato volume e per una data quantitàdi gas, la pressione di un gas varia in modo direttamenteproporzionale alla temperatura assoluta.Il grafico della relazione è una linea retta
P= K T P = P0 = costT T0
15
LEGGE DI AVOGADRO
Volumi eguali di gas diversi, a parità di pressione etemperatura, contengono lo stesso numero di molecole.
Numero di Avogadro NA = 6.03 1023 è il numero di atomicontenuti in 1 mole di sostanza.NA costituisce il legame tra la macrofisica e la microfisicapermettendo Di calcolare le masse degli atomi in unità dimassa e non solo in termini relativi.
16
LEGGE DI AVOGADRO - VOLUME MOLARE
Volumi eguali di gas diversi, a parità di pressione etemperatura, contengono lo stesso numero di molecole.
Se si stabiliscono queste condizioni in: O °C e 1 atmosfera(condizioni standard o "c. s."), il volume di una mole di unqualunque gas sarà una costante; per un gas idealequesta costante è pari a litri 22,414, per i gas reali ilvalore si discosta di poco.L. 22,414 è detto volume molare dei gas.
17
Per i gas ideali le quattro grandezze (temperatura, pressione,volume e numero di moli) non sono indipendenti, maesiste una relazione che le lega. Tale relazione prende il nome diequazione di stato. Ne segue che, per descrivere lo statotermodinamico di una gas è sufficiente specificare tre sole di esse.Si trova che per i GAS IDEALI è valida la seguente legge:
P V = n R T
Dove n è il numero di moli di gas e R è la costante dei gas pari a :
R = 0,082 L atm = 8,314 J_____mol K mol K
LEGGE DEI GAS DI STATOLEGGE DEI GAS DI STATO
18
EQUAZIONE COMBINATA DEI GASSe un gas passa da una pressione p1 , un volume V1 , unatemperatura T1 a una pressione p2 , un volume V2 e unatemperatura T2 senza variazione di numero di moli si ottiene laseguente relazione :
p1V1/ T1= p2V2/T2
DENSITA’ DEI GASLa densità di un gas, tenendo conto delle equazioni precedentipuò essere espressa dalla seguente relazione :
d = PM x P / RT essendo PM il peso molecolare del gas.
LEGGE COMBINATA DEI GAS DENSITA’
19
Consideriamo una miscela di gas che non reagiscono tra loro : lapressione parziale di un gas è quella che ciascun gas avrebbe seoccupasse da solo l’intero volume occupato dalla miscela alla stessatemperatura. Risulta che la pressione totale del sistema è data dallasomma delle pressioni parziali di ciascun gas presente nel sistema :
p T= p1 +p2 +… + pnConsideriamo un sistema gassoso costituito da due gas: siano essi A eB. Se la pressione parziale del gas A è pAe la pressione parziale delgas B è pB considerando nA il numero di moli di A e nB il numero dimoli di B sussiste la seguente relazione:
pA/pT = nA/nT
Essendo pT = pressione totale pari = pA + pB enT = numero di moli totali = nA + nB.
LEGGE DEI GAS DI STATOLEGGE DI DALTON SULLE PRESSIONE PARZIALI
20
Le singole pressioni parziali seguono la legge dei gas ideali:
pA V = nA RT e quindi pA = nA R T P = n T RT V V
Se P = pressione totale pari = pA + pB = (nA + nb) TR/V
Se XA = nA_____ = nA_____ XB = nB_____ = nB_
nA + nb n T nA + nB n T
pA = nA P pA = nA = XA pA = XA P n T P n
21
ProblemaQuanti grammi di O2 ci sono in una bombola di 50,0L a 21°C se la pressione è 15,7 atm?P= 15,7 atmV= 50,0 LT= 21+273 = 294 Kg = ?
massa O2 = 32,5 mol 32,0 g/mol = 1,04 103 g
32,5 molRT 0,0821 L atm/(K mol) 294 K
15,7 atm 50,0 Ln
PV
22
Problema
Una soluzione acquosa contenente 22.6 g di NaCl vienefatta reagire con una soluzione acquosa contenente51.6 g di H2SO4. Calcolare la quantità in grammi e ilvolume in litri (a c.n.) di HCl ottenuto [8,67 litri, 14,1 g]
23
2NaCl + H2SO4 Na2SO4 + 2HCl(g)0,387 0,387PM NaCl = 58,4 g/molePM H2SO4 = 98 g/molePM HCl = 36,5 g/moleCalcolo moli stechiometriche di NaCl:2 : 1 = x : 0,527 x = 1,054 moli stechiometriche di NaCl.Poiché ve ne sono 0,387 NaCl è in difetto e quindi sarà il reattivolimitante.In alternativa - calcolo moli stechiometriche di H2SO4 :2 : 1 = 0,387 : xx = 0,193 moli stechiometriche di H2SO4 .Poiché ve ne sono 0,527 H2SO4 è in eccesso, quindi NaCl è indifetto e viene confermato che NaCl è il reattivo limitanteIl calcolo delle moli di HCl formate dovrà pertanto essere riferitoa NaCl: 2 : 2 = 0,387 : x x = 0,387 moli di HCl
24
Dato che a c.n. (273 K e 1 atm) 1 mole di qualsiasi gas occupa unvolume di 22,414 litri (volume molare) allora:1 : 22,414 = 0,387 : x
x = 22,414·0,387 = 8,67 litri di HCl a c.n.
g = moli PM =0,387 36,5= 14,1 g di HCl
25
GAS REALI
Per un gas ideale:
PV= nRT = 1nRTPV
Definiamo comprimibilità di un gas:
nRTPV = Z
Quando Z=1, si dice che il gas ha un comportamento ideale (gasideale)
Quando Z = 1, si dice che il gas non ha un comportamento ideale(gas reale)
27
Problema: Qual è la pressione esercitata da 1,0 moli di SO2 a 0°C in un volume di 22,41 L? Per SO2 a=6,71 L2atm/mol b=0,0564 L/mol
Se l’SO2 fosse un gas ideale la sua pressione sarebbe
P=nRT/V=1,0 atm
Usando l’equazione di Van der Waals si ha:
1,003 atm - 0,013 atm 0,99 atm
Piccola deviazione dal valore per il gas ideale (0,99 contro 1,00) Le
deviazioni aumentano all’aumentare della pressione.
(22,41)2
22 2
22,41-1,0 mol 0,0564L/mol
1,00 mol0,0821 Latm/K mol 273 K - (1,0 mol)6,71 L atm/molP