I gas e loro proprietà Cap , 9-12, 15-24, 27-28, 31-33, 37-40, 52, 93-96

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1 CCS - Biologia CCS Scienze Geologiche 1 I gas e loro proprietà Cap , 9-12, 15-24, 27-28, 31-33, 37-40, 52, 93-96

2 2 Proprietà Generali dei Gas I gas possono essere espansi all infinito. I gas occupano i loro contenitori uniformemente e completamente. I gas diffondono e si miscelano rapidamente.

3 3 Proprietà dei Gas Le quattro importanti proprietà misurabili dei gas sono: volume, temperatura, pressione e massa. V = volume del gas (L) T = temperatura (K) n = quantità di sostanza (mol) P = pressione (atmosfere) 1 atm = 760 mm Hg Gas: H 2 N 2 O 2 F 2 Cl 2 He Ne Ar CO CO 2 NO 2 SO 2 CH 4

4 PRESSIONE 4 La pressione si definisce come la forza esercitata per unità di superficie Forza Pressione = = Area F A moneta su un piano F peso della moneta A area della moneta

5 Barometro e Manometro 5 Il barometro viene impiegato per la misura della pressione atmosferica. Un manometro viene impiegato per la misura della pressione di un campione di gas. L altezza della colonna misura la P atmosferica 1 atm standard = 760 mm Hg L unità SI della pressione è il PASCAL, Pa, 1 atm = kpa La Pressione viene misurata in relazione alla differenza di altezza, Δh, del mercurio nei due rami del manometro.

6 La legge di Boyle 6 per una data quantità di gas a temperatura costante, il volume del gas è inversamente proporzionale alla sua pressione P 1 V 1 = cost. = P 2 V 2 (n e T costanti)

7 Legge di Charles 7 A pressione costante, il volume di una data quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. V = k T (T in Kelvin, P = cost.) 273,15 C è lo zero assoluto (0 K), ovvero la temperatura alla quale il volume dei gas si annulla.

8 Legge di Avogadro Amedeo Avogadro 1811! 8 Il volume di un gas, a temperatura e pressione costanti, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas. V n (T, p costanti) Uguali volumi di gas alla stessa temperatura e pressione, contengono un egual numero di molecole. Il volume molare e lo stesso.

9 Legge di Boyle Legge di Charles Ipotesi di Avogadro 9 Legge dei Gas Ideali P V = n R T R (costante universale dei gas) = 0,082 L atm/k mol Può essere derivata da dati sperimentali o ricavata teoricamente (teoria cinetica dei gas).

10 Uso di PV = nrt 10 Quanto N 2 è necessario per riempire un pallone del volume di L a P = 745 mm Hg e T = 25 o C? R = L atm/k mol V = L T = 25 o C = 298 K P = 745 mm Hg (1 atm/760 mm Hg) = 0.98 atm n = PV / RT n = 1.1 x 10 3 mol (o circa 30 kg di gas)

11 Densità dei gas 11 La densità è definita come massa d = = volume m V Per un gas ideale PV=n R T dove massa n = = massa molare m M m Quindi P V = m M m R T da cui P M m = m V R T = d R T e si ottiene d = P M R T m

12 I Gas nelle reazioni 12 2 H 2 O 2 (liq) 2 H 2 O(g) + O 2 (g) 1.1 g di H 2 O 2 si decompongono in un pallone da 2.50 L. Quale è la pressione di O 2 a 25 o C? Quale quella di H 2 O? PV = nrt Strategia: Calcolare le moli (n) di H 2 O 2 dai dati forniti, e poi le moli di O 2 ed H 2 O tenendo conto del fattore stechiometrico Successivamente, calcolare P da n, R, T, e V.

13 Soluzione 13 P di O 2 = 0,016 atm Essendo il rapporto stechiometrico H 2 O 2 /H 2 O pari a 1 le moli di H 2 O saranno pari a 0,032 mol, e la P di H 2 O = atm

14 Volume Molare 14 Il volume molare è il volume occupato da una mole di gas. Per un gas ideale in condizioni standard (STP) (273,15 K, 1 atm) il volume molare vale 22,414 L PV = nrt 1 atm x V M = 1 mol x 0,082 (L atm/mol K) x 273,1 K V M = 22,414 L Gas ideale Argon Biossido di carbonio Azoto Ossigeno Idrogeno 22.43

15 Miscele di gas 15 Ciascun gas in una miscela, contribuisce con la sua pressione parziale alla pressione totale come se agisse indipendentemente da tutti gli altri La legge delle pressioni parziali (o di Dalton) stabilisce che la pressione totale di una miscela di gas è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli componenti la miscela: P TOT = P A + P B + P C +

16 16 Le singole pressioni parziali seguono la legge dei gas ideali P = RT RT PA + PB +... = na + nb +... = (n A + n B + V V...) RT V P = n RT V

17 17 Frazione molare Data la miscela omogenea A + B + C + " chiamiamo frazione molare della specie A il rapporto:" " "X A = moli di A / moli A + moli B + moli C +!! o della specie B! "X B = moli di B / moli A + moli B + moli C + " " La somma di tutte le frazioni molari dei componenti di una miscela è pari a 1 " " " "X A + X B + X C + = 1"

18 Nota la pressione totale e la composizione di una miscela di gas le pressioni parziali sono 18 P = X P P = A A B X B P... da cui X PA PB A = X B = X C = P P P C P

19 Legge di Dalton delle Pressioni Parziali 19 2 H 2 O 2 (liq) 2 H 2 O(g) + O 2 (g) atm atm Qual è la pressione totale nel pallone? P totale nella miscela gassosa = P A + P B +... Perciò, P totale = P(H 2 O) + P(O 2 ) = atm

20 COMPOSIZIONE DELL ARIA SECCA 20 N 2 O 2 Ar CO 2 Ne He Kr H 2 Xe O 3 Vol % 78,09 % 20,95 % 0,93 % 0,03 % 0,0018 % 0,0005 % 0,0001 % 0,00005 % 0, % 0, % 563 mmhg 149 mmhg 0,3 mmhg

21 Deviazioni dalla Legge dei Gas Ideali 21 Le molecole reali possiedono un volume proprio ed esercitano reciproche attrazioni Gas ideale La molecola blu NON interagendo con le altre urta la parete con notevole forza. Le forze di attrazione che esistono tra la molecola blu e quelle rosse rallentano il moto delle molecole; la molecola blu urta la parete con minore forza; la pressione è minore. Gas reale 2009 Brooks/Cole - Cengage

22 Deviazioni dalla Legge dei Gas Ideali 22 L EQUAZIONE di VAN DER WAALS tiene conto del volume delle molecole, e delle forze intermolecolari. P misurata V misurato = V(ideale) ( n 2 a ) P V 2 V - nb nrt 2009 Brooks/Cole - Cengage Correzione per le forze intermolecolari Per Cl 2 gassoso a = 6.49, b = Correzione per il volume Per 4.0 mol Cl 2 in un serbatoio di 4.0 L a o C. P (ideale) = nrt/v = 30.6 atm P (van der Waals) = 26.0 atm

23 23 DIFFUSIONE ed EFFUSIONE dei GAS Bromo(l) DIFFUSIONE: mescolamento di due o più gas dovuto ai movimenti molecolari 2009 Brooks/Cole - Cengage

24 EFFUSIONE: movimento di un gas attraverso una fessura per effetto di una differenza di pressione. 24 Viene espressa come una velocità: mol/tempo ed è proporzionale alla T ed inversamente alla Massa molare del gas 2009 Brooks/Cole - Cengage

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26 22 pg Quanti grammi di He sono necessari per riempire un pallone di 5 litri alla pressione di 1,1 atm e alla temperatura di 25 C. Equazione dello stato gassoso: PV = nrt inseriamo i dati forniti dall esercizio 5 L x 1,1 atm = n x 0,082 x 298,1 K Da cui n = 0,22 mol Poiché n = ghe / MHe ghe = 0,22 mol x 4,0 g/mol = 0,88 g 2009 Brooks/Cole - Cengage

27 36 pg Si consideri la reazione 4 KO 2 (s) + 2 CO 2 (g) --> 2 K 2 CO 3 (s) + 3 O 2 (g) Quale massa di superossido di potassio è necessaria per reagire con 8,9 L di CO 2 a 22 C e 767 mmhg? 1 atm = 760 mmhg 2009 Brooks/Cole - Cengage

28 36 pg 548 Si consideri la reazione 4 KO 2 (s) + 2 CO 2 (g) --> 2 K 2 CO 3 (s) + 3 O 2 (g) 28 Quale massa di superossido di potassio è necessaria per reagire con 8,9 L di CO 2 a 22 C e 767 mmhg? i dati forniti permettono di determinare le moli di anidride carbonicaad inizio reazione e che reagiscono; dalla PV = nrt si ha: (767 / 760) atm x 8,9 L = n x 0,082 x (22 C + 273,1) K n = 0,371 mol Poiché il rapporto stechiometrico KO 2 /CO 2 è di 2:1, le moli di superossido di potassio necessarie saranno pari a 0,371 mol x 2 = 0,74 I grammi di superossido di potassio sono 0,74 mol x MKO 2 g/ mol 2009 Brooks/Cole - Cengage

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30 Considerazioni: 30 La temperatura non cambia durante il processo di miscelazione dei gas. Calcoliamo le moli nei due palloni: He (145/760) atm x 3 L = n x 0,082 x T Da cui n = 6,98 / T Ar (355/760) atm x 2 L = n x 0,082 x T Da cui n = 11,39 / T Dopo l apertura della valvola il sistema avrà un V = 5 L. PHe x 5 L = (6,98 /T) x 0,082 x T; PHe = 0,114 atm ovvero 87 mmhg PAr x 5 L = (11,39 /T) x 0,082 x T; PAr = 0,186 atm o 141 mmhg 2009 Brooks/Cole - Cengage Ptot = = 228 mmhg

31 102 pg 553 Si consideri la reazione: 2 NaClO 2 (s) + Cl 2 (g) --> 2 NaCl (s) + 2 ClO 2 (g) 31 Si fanno reagire 15,6 g di NaClO 2 con cloro gassoso, che ha una pressione di 1050 mm Hg in un contenitore di 1,45 L a 22 C. Quanti grammi di ClO 2 si possono preparare. Calcoliamo le moli di NaClO 2 : 15,6 g / 90,44 g/mol = 0,172 Calcoliamo le moli di cloro: ncl 2 = (1050/760)atm x 1,45L / 0,082 x 295 K = 0,0828 Il cloro è il reagente limitante, le moli di ClO 2 che si formano saranno pari a 0,0828 x 2, pari a 11,2 grammi 2009 Brooks/Cole - Cengage

32 I gas e la respirazione 32 La RESPIRAZIONE ha la funzione di assumere ossigeno dall ambiente esterno necessario per la combustione dei carboidrati ed eliminare l anidride carbonica che si forma dalla combustione stessa. L ossigeno viene veicolato dall emoglobina contenuta nei globuli rossi del sangue, l anidride carbonica veicolata nel plasma e in piccola quantità dalla stessa emoglobina 2009 Brooks/Cole - Cengage

33 PANORAMICA POLMONE CUORE 33 ALVEOLI 2009 Brooks/Cole - Cengage

34 DIFFUSIONE SCHEMA DELL ALVEOLO Brooks/Cole - Cengage

35 DIFFUSIONE ALVEOLARE 35 E regolata dalla relazione: Q = quantità di gas diffuso Δp Q = K q --- t K = costante caratteristica per ogni gas q = superficie di contatto Δp = differenza di pressione t = tempo di contatto d = spessore della membrana d 2009 Brooks/Cole - Cengage

36 DIFFUSIONE - SCAMBIO GASSOSO ALVEOLARE 36 inspirata 2009 Brooks/Cole - Cengage