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Reazioni chimiche · Gas e soluzioni

I gas ideali

Una bombola da sub di 12,3 L caricata a 200 atm, un estintore a CO₂, una mongolfiera che sale perché l'aria calda al suo interno è meno densa di quella esterna: tre situazioni diverse, ma si risolvono con la stessa equazione. Hai già incontrato le leggi di Boyle e di Gay-Lussac una alla volta; qui le riunisci in un unico strumento, che collega pressione e volume alla quantità di sostanza, in moli.

L'equazione di stato dei gas ideali

Lo stato di un gas è descritto da quattro variabili: la pressione $p$, il volume $V$, la temperatura $T$ e la quantità di sostanza $n$. Nel Sistema Internazionale si misurano in pascal (Pa), metri cubi (m³), kelvin (K) e moli (mol).

L'equazione contiene le leggi che conosci. Se $n$ e $T$ sono costanti, $pV$ è costante (legge di Boyle: nel grafico $p$–$V$ è un'iperbole equilatera). Se $n$ e $p$ sono costanti, $V$ è proporzionale a $T$ (prima legge di Gay-Lussac: nel grafico $V$–$T$ una retta passante per l'origine). Se $n$ e $V$ sono costanti, $p$ è proporzionale a $T$ (seconda legge di Gay-Lussac).

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In un laboratorio si studia il comportamento di un gas racchiuso in un cilindro con pistone. Lo stato del gas è descritto da quattro variabili: pressione, volume,…

In un laboratorio si studia il comportamento di un gas racchiuso in un cilindro con pistone. Lo stato del gas è descritto da quattro variabili: pressione, volume, temperatura e quantità di sostanza. Lo schema mostra il gas racchiuso nel cilindro con le sue quattro variabili.

p n V T
  1. a) Spiega con parole tue che cosa indica ciascuna di queste variabili.
  2. b) Indica l'unità di ciascuna nel Sistema Internazionale.
  3. c) Applicando l'equazione di stato dei gas ideali, $p\cdot V=n\cdot R\cdot T$, con $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$, in quali unità conviene esprimere la pressione, il volume, la temperatura e la quantità di sostanza?
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Un recipiente rigido del laboratorio contiene un gas a $2\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$, e occupa un volume di $24,6\ \text{L}$. Dato:…

Un recipiente rigido del laboratorio contiene un gas a $2\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$, e occupa un volume di $24,6\ \text{L}$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Esprimi la temperatura in kelvin.
  2. b) Applica l'equazione di stato dei gas ideali, $p\cdot V=n\cdot R\cdot T$, e calcola quante moli di gas ci sono nel recipiente.
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Un cilindro con pistone contiene $2\ \text{mol}$ di azoto a $300\ \text{K}$, sottoposti a una pressione di $4\ \text{atm}$. Dato:…

Un cilindro con pistone contiene $2\ \text{mol}$ di azoto a $300\ \text{K}$, sottoposti a una pressione di $4\ \text{atm}$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Scrivi l'equazione di stato dei gas ideali e ricava il volume.
  2. b) Calcola il volume occupato dal gas.
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Condizioni normali e volume molare

Misura in laboratorio il volume di $1\ \text{mol}$ di elio ($4\ \text{g}$), di azoto ($28\ \text{g}$) e di anidride carbonica ($44\ \text{g}$) a $0\ ^\circ\text{C}$ e $1\ \text{atm}$: ottieni sempre $22{,}4\ \text{L}$. Perché gas con molecole così diverse per massa e dimensioni occupano lo stesso spazio?

Il motivo è il principio di Avogadro: volumi uguali di gas diversi, alla stessa pressione e temperatura, contengono lo stesso numero di particelle. Nel gas le particelle sono molto distanti tra loro, quindi il loro volume proprio conta pochissimo: lo spazio occupato dipende dal numero di particelle, non dalla loro massa. Nota che il disegno è solo schematico e non in scala: ogni recipiente contiene 1 mol, cioè circa $6{,}022\cdot10^{23}$ molecole, e ne sono disegnate solo poche.

Tre recipienti cubici uguali da 22,4 L in condizioni normali, con 1 mole di elio (4 g), di ossigeno O₂ (32 g) e di anidride carbonica CO₂ (44 g): stesso numero di molecole e stesso volume, ma masse molto diverse. In CN (0 °C e 1 atm) 1 mol di un gas occupa 22,4 L V = 22,4 L V = 22,4 L V = 22,4 L 1 mol di He 1 mol di O₂ 1 mol di CO₂ m = 4 g m = 32 g m = 44 g stesso numero di molecole (Avogadro) → stesso volume
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In un esperimento si racchiude esattamente $1\ \text{mol}$ di un gas ideale in un recipiente di $22,4\ \text{L}$ mantenuto a $273\ \text{K}$. Dato:…

In un esperimento si racchiude esattamente $1\ \text{mol}$ di un gas ideale in un recipiente di $22,4\ \text{L}$ mantenuto a $273\ \text{K}$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Calcola la pressione del gas, in atmosfere.
  2. b) A quale valore noto si avvicina il risultato? Come si chiamano queste condizioni di pressione e temperatura?
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Un piccolo pallone meteorologico contiene $2\ \text{mol}$ di elio. In un momento dell'ascesa, i sensori segnano una pressione di $2\ \text{atm}$ e un volume di…

Un piccolo pallone meteorologico contiene $2\ \text{mol}$ di elio. In un momento dell'ascesa, i sensori segnano una pressione di $2\ \text{atm}$ e un volume di $24,6\ \text{L}$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Calcola la temperatura dell'elio in kelvin.
  2. b) Esprimila in gradi Celsius.
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In chimica si prendono come riferimento le cosiddette condizioni normali di pressione e temperatura. a) Quali valori di pressione e temperatura definiscono le condizioni…

In chimica si prendono come riferimento le cosiddette condizioni normali di pressione e temperatura.

  1. a) Quali valori di pressione e temperatura definiscono le condizioni normali? Esprimi la temperatura anche in kelvin.
  2. b) Utilizza l'equazione di stato dei gas ideali, $p\cdot V=n\cdot R\cdot T$ con $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$, per calcolare il volume occupato da $1\ \text{mol}$ di un qualsiasi gas ideale in condizioni normali.
  3. c) Come si chiama questo volume di riferimento?
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In un laboratorio si pesano $32\ \text{g}$ di ossigeno, $\text{O}2$. Dati: massa molare del $\text{O}2$, $32\ \text{g/mol}$; volume molare in condizioni normali,…

In un laboratorio si pesano $32\ \text{g}$ di ossigeno, $\text{O}_2$. Dati: massa molare del $\text{O}_2$, $32\ \text{g/mol}$; volume molare in condizioni normali, $22,4\ \text{L/mol}$.

  1. a) A quante moli di ossigeno corrispondono?
  2. b) Quale volume occuperebbe quel gas in condizioni normali?
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La densità di un gas

Un palloncino gonfiato con l'elio sale fino al soffitto; se lo gonfi con anidride carbonica di una cartuccia, cade subito a terra, anche se pressione e temperatura sono le stesse. Come decide la massa delle molecole se un gas galleggia o affonda nell'aria?

Stesso gas con lo stesso numero di particelle: a temperatura alta occupa un recipiente più grande ed è meno denso; a temperatura bassa occupa un recipiente più piccolo ed è più denso. Volume maggiore T alta: meno denso Volume minore T bassa: più denso Stesso numero di particelle (5) nei due recipienti

Con il modello particellare si capisce anche perché i gas sono così poco densi rispetto ai liquidi: le particelle sono molto lontane tra loro e in un litro ce ne sono pochissime (la massa per litro è circa 1000 volte minore di quella dell'acqua).

Si può calcolare la massa molare di un gas sconosciuto dalla sua densità: la massa di $22{,}4\ \text{L}$ in condizioni normali è $M = \rho \cdot 22{,}4$. Così si identifica un gas, per esempio un gas nobile di un'insegna luminosa.

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Una bottiglia da $5\ \text{L}$ contiene $10\ \text{g}$ di azoto gassoso. La figura confronta quella bottiglia con lo stesso volume di acqua secondo il modello…

Una bottiglia da $5\ \text{L}$ contiene $10\ \text{g}$ di azoto gassoso. La figura confronta quella bottiglia con lo stesso volume di acqua secondo il modello particellare.

N₂ gas 5 L · 10 g d = ? g/L acqua 5 L d = 1000 g/L
  1. a) Calcola la densità del gas in $\text{g/L}$ (la massa divisa per il volume).
  2. b) La densità dell'acqua è $1000\ \text{g/L}$: quante volte è più densa l'acqua rispetto a quel gas?
  3. c) Spiega, con il modello particellare, perché i gas hanno densità così piccole rispetto ai liquidi.
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Il $\text{CO}2$ è più denso dell'aria, il che spiega perché possa accumularsi sul fondo di pozzi e cantine poco ventilate. Dati: massa molare del $\text{CO}2$,…

Il $\text{CO}_2$ è più denso dell'aria, il che spiega perché possa accumularsi sul fondo di pozzi e cantine poco ventilate. Dati: massa molare del $\text{CO}_2$, $44\ \text{g/mol}$; $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$; densità dell'aria in condizioni normali, $1,29\ \text{g/L}$.

  1. a) Calcola la massa di $1\ \text{mol}$ di $\text{CO}_2$ e il volume che occupa in condizioni normali ($1\ \text{atm}$ e $273\ \text{K}$).
  2. b) Calcola la densità del $\text{CO}_2$ in condizioni normali, con un decimale.
  3. c) Confrontala con quella dell'aria e spiega perché il $\text{CO}_2$ si accumula nelle zone basse.
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In un laboratorio si riceve una bombola con un gas sconosciuto. Misurandone la massa e il volume si ottiene una densità di $1,43\ \text{g/L}$ in condizioni normali.…

In un laboratorio si riceve una bombola con un gas sconosciuto. Misurandone la massa e il volume si ottiene una densità di $1,43\ \text{g/L}$ in condizioni normali. Dato: volume molare in condizioni normali, $22,4\ \text{L/mol}$.

  1. a) Calcola la massa di $22,4\ \text{L}$ del gas, cioè la sua massa molare.
  2. b) Di quale gas può trattarsi: $\text{H}_2$ ($2\ \text{g/mol}$), $\text{O}_2$ ($32\ \text{g/mol}$) o $\text{CO}_2$ ($44\ \text{g/mol}$)? Giustifica la risposta.
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Il gas nelle situazioni reali

Confronto tra l'aria di una bombola da sub da 12,3 litri a 200 atmosfere e il volume di 2460 litri che occupa espandendosi a 1 atmosfera, circa 200 volte maggiore. 12,3 L 200 atm si espande a 1 atm stessa T = 300 K 2460 L a pressione atmosferica ≈ 200 volte più volume

Anche la mongolfiera si spiega con l'equazione. È aperta in basso, quindi la pressione interna è sempre quella atmosferica. Se scaldi l'aria all'interno, la densità $\rho = pM/(RT)$ diminuisce: una parte dell'aria esce dall'apertura, la massa contenuta si riduce e la mongolfiera sale, come un oggetto che galleggia in un liquido più denso di lui.

Un altro caso è il recipiente rigido, per esempio l'autoclave: se $n$ e $V$ sono costanti, $p/T = nR/V$ è costante, cioè la pressione è proporzionale alla temperatura in kelvin (seconda legge di Gay-Lussac). Se invece cambia $n$ a $V$ e $T$ costanti, la pressione è proporzionale alle moli.

Se un gas passa da un recipiente a un altro collegato, la quantità di sostanza totale $n$ resta costante e a temperatura fissa il gas occupa tutto il volume disponibile, cioè la somma dei volumi dei recipienti: $p_{finale} = \dfrac{nRT}{V_{tot}}$.

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Un estintore da $\text{CO}2$ ha un serbatoio da $24,6\ \text{L}$ e immagazzina il gas a $10\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Dati: massa molare del $\text{CO}2$,…

Un estintore da $\text{CO}_2$ ha un serbatoio da $24,6\ \text{L}$ e immagazzina il gas a $10\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Dati: massa molare del $\text{CO}_2$, $44\ \text{g/mol}$; $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Esprimi la temperatura in kelvin.
  2. b) Calcola le moli di $\text{CO}_2$ contenute nell'estintore.
  3. c) Quale massa di $\text{CO}_2$ c'è al suo interno?
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Una bombola da sub di $12,3\ \text{L}$ viene caricata con aria a $200\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.…

Una bombola da sub di $12,3\ \text{L}$ viene caricata con aria a $200\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$. Il grafico pressione-volume mostra l'aria compressa nella bombola e la sua espansione a temperatura costante fino alla pressione della superficie.

V (L) p (atm) 12,3 L 200 atm bombola V = ? 1 atm superficie
  1. a) Esprimi la temperatura in kelvin e calcola quante moli di aria contiene la bombola.
  2. b) Calcola quale volume occuperebbe tutta quell'aria alla pressione della superficie, $1\ \text{atm}$, e alla stessa temperatura.
  3. c) Un subacqueo consuma circa $60\ \text{L}$ di aria al minuto misurati in superficie: stima, in minuti, la durata teorica della bombola.
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Una mongolfiera è aperta in basso, per cui la pressione dell'aria interna è sempre quella atmosferica, $1\ \text{atm}$. L'aria esterna è a $27\ \celsius$ e il bruciatore…

Una mongolfiera è aperta in basso, per cui la pressione dell'aria interna è sempre quella atmosferica, $1\ \text{atm}$. L'aria esterna è a $27\ \celsius$ e il bruciatore riscalda l'aria interna fino a $127\ \celsius$. Dati: massa molare media dell'aria, $29\ \text{g/mol}$; $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$. Lo schema rappresenta la mongolfiera e l'aria interna ed esterna.

p = 1 atm (interno ed esterno) 127 °C d = ? 27 °C d = ?
  1. a) Esprimi entrambe le temperature in kelvin e calcola la densità dell'aria esterna.
  2. b) Calcola la densità dell'aria calda all'interno.
  3. c) Confronta la massa di $1000\ \text{L}$ ($1\ \text{m}^3$) di aria all'interno e all'esterno e usa questa differenza per spiegare perché il pallone sale.
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Due recipienti rigidi, da $10\ \text{L}$ e $30\ \text{L}$, sono collegati da un rubinetto chiuso. Il primo contiene ossigeno a $4\ \text{atm}$ e $300\ \text{K}$; il…

Due recipienti rigidi, da $10\ \text{L}$ e $30\ \text{L}$, sono collegati da un rubinetto chiuso. Il primo contiene ossigeno a $4\ \text{atm}$ e $300\ \text{K}$; il secondo è vuoto. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$. Lo schema mostra l'apparato con il rubinetto ancora chiuso.

10 L O₂ · 4 atm · 300 K rubinetto chiuso vuoto 30 L
  1. a) Calcola le moli di ossigeno racchiuse.
  2. b) Si apre il rubinetto e il gas si distribuisce in tutto il volume disponibile, senza che la temperatura cambi. Calcola la pressione finale.
  3. c) Spiega con il modello cinetico perché la pressione diminuisce se non è uscita nemmeno una particella dal sistema.
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Miscele e pressioni parziali

Quando raccogli un gas facendolo gorgogliare in un cilindro graduato capovolto sull'acqua, la pressione misurata è maggiore del previsto perché dentro c'è anche vapore acqueo. Come si separa la parte di pressione dovuta al gas che ci interessa?

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Un palloncino contiene $0,25\ \text{mol}$ di elio a $27\ \celsius$ e il barometro segna una pressione esterna di $380\ \text{mmHg}$. Dati:…

Un palloncino contiene $0,25\ \text{mol}$ di elio a $27\ \celsius$ e il barometro segna una pressione esterna di $380\ \text{mmHg}$. Dati: $1\ \text{atm}=760\ \text{mmHg}$; $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Esprimi la temperatura in kelvin e la pressione in atmosfere.
  2. b) Calcola il volume del palloncino.
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La caldaia di una fabbrica contiene $4\ \text{mol}$ di vapore acqueo in un volume di $16,4\ \text{L}$ a una pressione di $10\ \text{atm}$. Dato:…

La caldaia di una fabbrica contiene $4\ \text{mol}$ di vapore acqueo in un volume di $16,4\ \text{L}$ a una pressione di $10\ \text{atm}$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Calcola la temperatura del vapore in kelvin.
  2. b) Esprimila in gradi Celsius.
  3. c) Spiega perché è indispensabile usare i kelvin e non i gradi Celsius nell'equazione di stato dei gas ideali: che cosa accadrebbe al risultato se usassi la temperatura in $\celsius$?
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Un'autoclave da laboratorio, della capacità di $20\ \text{L}$, contiene aria a $1\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Viene chiusa ermeticamente e riscaldata fino a…

Un'autoclave da laboratorio, della capacità di $20\ \text{L}$, contiene aria a $1\ \text{atm}$ e $27\ \celsius$. Viene chiusa ermeticamente e riscaldata fino a $127\ \celsius$. Dato: $R=0,082\ \text{atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$.

  1. a) Calcola le moli di aria presenti all'interno.
  2. b) Il volume cambia appena con il riscaldamento: calcola la pressione finale supponendo le stesse moli e lo stesso volume, a $127\ \celsius$.
  3. c) Verifica che la pressione è stata moltiplicata per lo stesso fattore della temperatura in kelvin e scrivi questa relazione di proporzionalità.
  4. d) Spiega, con il modello cinetico, perché la pressione aumenta riscaldando e perché è pericoloso aprire l'autoclave a caldo.
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Torniamo all'inizio: nell'estintore il $\text{CO}_2$ è compresso; aprendo la valvola si espande fino a $1\ \text{atm}$ occupando un volume centinaia di volte maggiore e, essendo più denso dell'aria ($\approx 1{,}97\ \text{g/L}$ contro $1{,}29\ \text{g/L}$), soffoca la fiamma spostando l'ossigeno.

In sintesi

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