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2 L E L E G G I D E I G A S P A R T E I Variabili di stato Equazioni di stato Legge di Boyle Pressione, temperatura, scale termometriche Leggi di Charles/Gay-Lussac Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

3 L e l e g g i d e i g a s Legge di Boyle Leggi di Charles/Gay /Gay-Lussac Equazione di stato dei gas ideali Legge di Avogadro

4 V a r i a b i l i d i s t a t o Le grandezze macroscopiche che caratterizzano un sistema gassoso sono: volume, pressione, temperatura, detti anche parametri di stato. Per completare la descrizione delle condizioni di detto stato può essere utile introdurre una quarta variabile che descrive la quantità di materia n che rappresenta il numero di moli.

5 Equazione di stato Si tratta di una relazione matematica tra il volume di una certa quantità di sostanza (solida, liquida o gassosa) e i valori della pressione e della temperatura. Si può scrivere simbolicamente come: V=V (T, p, n). Il problema che ci apprestiamo adesso a risolvere è quello della determinazione e della espressione di un equazione di stato per i gas.

6 A l c u n i d a t i g e n e r a l i In condizioni normali, alla pressione di 1 atm e alla temperatura di 25 C i seguenti elementi e composti si trovano allo stato gassoso Gas diatomici: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2. Gruppo VIIIA : gas nobili Composti molecolari: CO,, CO 2, CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, NO 2, NH 3, H 2 S, HCN,, SO 2.

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8 P r e s s i o n e L L e p a r t i c e l l e d i m a t e r i a c h e u r t a n o s u d i u n a s u p e r f i c i e e s e r c i t a n o u n a f o r z a s u t a l e s u p e r f ic i e Q Q u e s t a f o r z a è d e f i n i t a P r e s s i o n e.

9 P r e s s i o n e L unità di misura della pressione nel SI è il Pascal (Pa) Pressione = Forza/Superficie Forza = massa x accelerazione. L unità di misura della forza è il newton (N). N = 1kg x m/s 2. L unità di misura della superficie è il m 2. Pa = N/m 2 = kg/s 2 m.

10 P r a t i c a m e n t e Il Pascal (Pa) non è di uso comune. L unità di uso più comune è l atmosfera (atm): a 0 C e al livello del mare, la pressione dell atmosfera terrestre è definita come un atmosfera. STP = Standard Temperature (0 C) and Pressure (1atm) Conversione 1 atm= 760 torr = Pa Chang P.158

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13 The torr = 1mm Hg

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15 L E G G E D I B O Y L E A temperatura costante, il volume di una massa di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione. pv=k m,t p 1 V 1 =p 2 V 2 Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

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17 I S O T E R M E Nelle indagini sperimentali risulta molto conveniente una tecnica per determinare la relazione tra una serie di parametri... Se uniamo i diversi punti ottenuti sperimentalmente otteniamo una curva piana che può fornirci la relazione matematica tra le due variabili...

18 I S O T E R M E La figura mostra che la curva ottenuta in questo caso è un iperbole xy=cost ovvero PV=K che rappresenta la legge di Boyle. Se si ripete l esperimento a diverse temperature si ottiene una serie di iperboli ciascuna caratteristica di un valore particolare della temperatura chiamate ISOTERME P pv=k T=273 K T=150 K La temperatura è costante lungo ogni curva V Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

19 T E M P E R A T U R A E S C A L E T E R M O M E T R I C H E la comune esperienza fornisce un concetto qualitativo della temperatura le percezioni di caldo e di freddo sono infatti innate in tutti gli esseri viventi Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

20 P r e m e s s o c h e il calore è una forma di energia mentre la temperatura è una grandezza fisica (scalare) che rappresenta lo stato termico di un corpo, Stabiliamo una scala quantitativa della temperatura. 1) Bisogna scegliere una grandezza variabile con la temperatura (grandezza termometrica). 2) La grandezza termometrica più comune è la lunghezza della colonna di mercurio che si prolunga in un tubo capillare collegato ad un bulbo chiuso. Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

21 S C A L A C E L S I U S 100 C La distanza tra questi due segni viene divisa da 99 tacche equidistanti 0 C Temperatura di equilibrio tra l acqua e il suo vapore saturo alla pressione di 1 atm. Temperatura di equilibrio tra il ghiaccio e l acqua satura d aria alla pressione di 1 atm. Hg Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

22 S C A L A F A H R E N H E I T 212 F Temperatura di equilibrio tra l acqua e il suo vapore saturo alla pressione di 1 atm. La distanza tra questi due segni viene divisa da 179 tacche equidistanti 32 F Temperatura di equilibrio tra il ghiaccio e l acqua satura d aria alla pressione di 1 atm. Hg Conversione C/ F t= 5/9 (f-32) Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

23 ...v e r s o a l t r e s c a l e Se proviamo a sostituire al mercurio un altro liquido, ci accorgiamo che al variare della temperatura il volume, e quindi anche l altezza del tubo capillare, varia in modo diverso da liquido a liquido. A causa delle differenze intrinseche nella struttura molecolare, liquidi diversi non si espandono esattamente allo stesso modo variando la temperatura. Per i gas invece, la dipendenza del volume dalla temperatura è molto più semplice... Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

24 S C A L A K E L V I N In questa scala la temperatura è definita in maniera indipendente da ogni sostanza termometrica. Lo zero di questa scala è lo zero assoluto (T=0), cioè la temperatura alla quale il volume di un gas perfetto si annulla. V C = 0 K T Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

25 S C A L A K E L V I N La temperatura assoluta T è legata alla corrispondente temperatura centigrada dalla relazione: T=t V C = 0 K Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano T

26 L E G G I I D I I C H A R L E S // G A Y - L U S S A C Stabiliscono come varia la pressione (o il volume) di una massa di gas al variare della temperatura, mantenendo costante il volume (o la pressione). In tutti i gas, mantenendo costante la pressione, il volume aumenta linearmente con l aumentare della temperatura. V=V 0 (1+αt), p=cost (1) V è il volume di una certa quantità di gas a pressione costante, V 0 è il volume che esso occupa a 0 C della scala Celsius, α è una costante uguale per tutti i gas ed è pari a 1/273 e t è la temperatura nella scala Celsius Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

27 L E G G I I D I I C H A R L E S // G A Y - L U S S A C In tutti i gas, mantenendo costante il volume, la pressione aumenta linearmente con l aumentare della temperatura. p=p 0 (1+αt), V=cost (2) p è la pressione esercitata da una certa quantità di gas a volume costante, p 0 è la pressione esercitata a 0 C, α è una costante uguale per tutti i gas ed è pari a 1/273 e t è la temperatura nella scala Celsius Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

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29 G A S I D E A L E Se un gas soddisfa esattamente alla legge di Boyle e alle leggi di Charles/Gay-Lussac, qualunque siano le condizioni di pressione e temperatura, esso è un gas ideale (o gas perfetto). Boyle pv=k m,t Charles/ Gay-Lussac V=V 0 (1+αt), p=cost p=p 0 (1+αt), V=cost (1) (2) Dispense di Chimica Fisica per Biotecnologie Dr.ssa Rosa Terracciano

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