CHIMICA CHIMICA. Processi e modelli di. Progetto Genesis. Processi e modelli di CHIMICA. Giovanni Ricci Giovanni Casavecchia Alessandra Matteucci

Transcript

1 Processi e modelli di CHIMICA B per il secondo biennio dei nuovi licei Il Libro digitale per LIM e PC/MAC 30 animazioni sui fenomeni scientifici 0 presentazioni multimediali esercitazioni interattive per tutte le unità glossari e sintesi audio in inglese Il sito aggiornamenti tematici e multimediali ISBN Chimica B ISBN Chimica e Biologia C ISBN B Altre opzioni di acquisto Chimica A+B + Libro digitale dell intero corso Chimica volume unico + Libro digitale Guida per l insegnante ISBN ISBN ISBN ia ch I ec LL av i as cc DE. C eu O -3 G tt M A a E IC 5 ci. M I M B 75 ic A SS HI e 8- I E C um -4 TIN.R l I G C O D Vo 88 OS 8 AG E D PR BN IS Processi e modelli di Chimica Volume B 97 Questo volume, sprovvisto del talloncino a lato, è da considerarsi copia di SAGGIO-CAMPIONE GRATUITO, fuori commercio (vendita e altri atti di disposizione vietati: art. 7, c., L. 633/94). Fuori campo applicazione I.V.A. (D.P.R. 6/0/7, n. 633, art., 3 co, lett. d.) Processi e modelli di CHIMICA per il secondo biennio dei nuovi licei CHIMICA Libro digitale dei 3 volumi Giovanni Ricci Giovanni Casavecchia Alessandra Matteucci Processi e modelli di La composizione del Corso: Chimica A + Progetto Genesis Il libro Un testo che prosegue l offerta Genesis per una formazione scientifica completa in stretta coerenza con le caratteristiche e gli obiettivi delle scienze naturali nei nuovi licei, con l integrazione tra Biologia e Chimica al quinto anno. Queste le caratteristiche principali: ampio uso delle visualizzazioni per l integrazione testo/immagini applicazione del metodo scientifico attraverso strategie di indagine scientifica diversificate in base alle differenti attitudini degli studenti cura della terminologia e del linguaggio scientifici, anche in lingua inglese particolare attenzione ai temi della salute e dell ambiente e agli approfondimenti interdisciplinari G. Ricci G. Casavecchia A. Matteucci Progetto Genesis Progetto Genesis Chimica_B 3/0/ 6:07 Pagina Prezzo di vendita al pubblico 4,00 (defiscalizzato 3,46). GLI STATI FISICI. LE REAZIONI: ENERGIA, VELOCITÀ ED EQUILIBRIO B

2 Progetto Genesis Giovanni Ricci Giovanni Casavecchia Alessandra Matteucci Processi e modelli di CHIMICA per il secondo biennio dei nuovi liceib. GLI STATI FISICI. LE REAZIONI: ENERGIA, VELOCITÀ ED EQUILIBRIO

3 internet: Redattore responsabile: Tecnico responsabile: Revisione scientifica: Redazione e ricerca iconografica: Traduzioni inglesi: Illustrazioni: Progetto grafico e copertina: Realizzazione editoriale e tecnica: Art Director: Alessio Delfrati Chiara Giuliani Giovanni Casavecchia (Capoverso srl, Torino) Fabio Beninati; Capoverso srl, Torino Michelle Nebiolo (Capoverso srl, Torino) Capoverso srl, Torino Veronica Paganin Capoverso srl, Torino Nadia Maestri Si ringraziano per il contributo prestato nella realizzazione delle rubriche operative la prof.ssa Loredana Troschel, la prof.ssa Patrizia Pilegi e il prof. Ippolito Roncalli (Aree operative di fine unità) e la prof.ssa Caterina Iannello (Strategie d'indagine scientifica). Si ringraziano la prof.ssa Grazia Rocchi, preside del liceo Enrico Fermi di Cecina, la prof.ssa Patrizia Pilegi e l assistente tecnico Danilo Fiore per la preziosa collaborazione prestata nella realizzazione delle fotografie degli esperimenti di laboratorio. Proprietà letteraria riservata 0 De Agostini Scuola SpA Novara ª edizione: gennaio 0 Printed in Italy Immagine in copertina: Lavoro in laboratorio, istockphoto Ricerca iconografica per la copertina: Cristina Colombo Le fotografie di questo volume sono state fornite da: Corbis, De Agostini Picture Library, istockphoto, Photos. L Editore dichiara la propria disponibilità a regolarizzare eventuali omissioni o errori di attribuzione. Nel rispetto del DL 74/9 sulla trasparenza nella pubblicità, le immagini escludono ogni e qualsiasi possibile intenzione o effetto promozionale verso i lettori. Tutti i diritti riservati. Nessuna parte del materiale protetto da questo copyright potrà essere riprodotta in alcuna forma senza l autorizzazione scritta dell Editore. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 5% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge aprile 94 n Le fotocopie effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, Corso di Porta Romana, 08 0 Milano autorizzazioni@clearedi.org e sito web Eventuali segnalazioni di errori, refusi, richieste di chiarimento/funzionamento dei supporti multimediali o spiegazioni sulle scelte operate dagli autori e dalla Casa Editrice possono essere inviate all indirizzo di posta elettronica scrivi@scuola.com Stampa: Deaprinting Novara Ristampa Anno

4 parte B Gli stati fisici Indice UNITÀ B I gas: teoria e comportamento B 3 I gas ideali e la teoria cinetica dei gas. La scoperta dei gas π. Un modello valido per tutti i gas: il gas perfetto π 3. La teoria cinetica dei gas Le leggi dei gas. Le variabili di stato π. La legge di Boyle π 3. La legge di Charles π 4. La legge di Gay-Lussac L equazione di stato e le miscele dei gas. L equazione di stato dei gas perfetti π. I gas nelle reazioni chimiche π 3. La legge di Dalton delle pressioni parziali B4 B6 B3 Legenda degli strumenti multimediali I seguenti simboli indicano la presenza di un attività multimediale all interno del libro digitale: Video Animazione Esercizi autocorrettivi Sintesi audio SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio B8 B8 B8 B9 B0 B0 B B B3 B5 UNITÀ B I liquidi e i solidi B6 Le proprietà dei liquidi. Struttura e proprietà generali dei liquidi π. Alcune proprietà intensive dei liquidi Le proprietà e la classificazione dei solidi. Struttura e proprietà generali dei solidi π. La classificazione dei solidi cristallini π 3. Gli allotropi del carbonio π 4. Reticoli cristallini, celle elementari e sistemi cristallini B8 B3 SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi B38 B38 III

5 The chapter in review Le mappe dell unità B38 B39 AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio B40 B40 B4 B4 B43 B45 UNITÀ B3 Le soluzioni e le loro proprietà B Le soluzioni e la solubilità. Riassumiamo le nostre conoscenze sulle soluzioni π. Le soluzioni sature e la solubilità π 3. I fattori che influenzano la solubilità π 4. Perché si formano le soluzioni La concentrazione delle soluzioni. Le concentrazioni percentuali π. La molarità π 3. La molalità π 4. La frazione molare La stechiometria delle reazioni in soluzione. La molarità e i calcoli stechiometrici π. Le titolazioni π 3. Gli equivalenti e la massa equivalente π 4. La normalità Le proprietà colligative e i colloidi. Proprietà colligative: conta solo la concentrazione π. L abbassamento della tensione di vapore π 3. L innalzamento del punto di ebollizione e l abbassamento del punto di congelamento π 4. La pressione osmotica π 5. Le proprietà colligative e gli elettroliti π 6. Le soluzioni colloidali B48 B54 B58 B6 SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità B70 B70 B70 B7 AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio B7 B7 B73 B74 B75 B77 FINE PARTE B STRATEGIE D INDAGINE SCIENTIFICA B78 La fucina delle idee Professore per un giorno! Test di ammissione ai corsi di laurea a numero chiuso B78 B8 B8 IV

6 parte C Le reazioni Indice UNITÀ C La spontaneità e la velocità delle reazioni C 3 Le reazioni chimiche e l energia. Le reazioni chimiche π. L energia a livello molecolare π 3. Il calore di reazione π 4. Reazioni esotermiche ed endotermiche Le reazioni spontanee e l energia libera. La termodinamica π. Il primo principio della termodinamica π 3. Le reazioni spontanee e l energia π 4. L entropia e il secondo principio della termodinamica π 5. L energia libera La velocità di reazione. Il tempo e le reazioni π. Come si misura la velocità delle reazioni π 3. L equazione cinetica π 4. L ordine di reazione π 5. Fattori che influenzano la velocità delle reazioni π 6. La teoria degli urti π 7. La teoria del complesso attivato π 8. La velocità di reazione e i catalizzatori C4 C7 C6 Legenda degli strumenti multimediali I seguenti simboli indicano la presenza di un attività multimediale all interno del libro digitale: Video Animazione Esercizi autocorrettivi Sintesi audio SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio C4 C4 C4 C5 C6 C6 C7 C8 C9 C3 UNITÀ C L equilibrio chimico C3 La reversibilità e l equilibrio chimico. La reversibilità delle reazioni chimiche π. L equilibrio chimico e l energia libera π 3. La strada verso lo stato di equilibrio π 4. Le reazioni irreversibili La legge di azione di massa. La costante di equilibrio π. Gli equilibri in fase gassosa e nelle reazioni eterogenee π 3. Calcoli con le costanti di equilibrio C34 C37 V

7 3 La mobilità dell equilibrio chimico. Il principio di Le Châtelier π. Gli effetti della variazione di concentrazione π 3. Gli effetti della variazione di pressione π 4. Gli effetti della variazione di temperatura π 5. Gli effetti dei catalizzatori π 6. Applicazioni del principio di Le Châtelier C4 SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità C46 C46 C46 C47 AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio C48 C48 C49 C50 C5 C53 UNITÀ C3 L equilibrio chimico in soluzione acquosa C L acqua come solvente. Elettroliti e non elettroliti π. L autoionizzazione dell acqua π 3. Le soluzioni acquose neutre, acide e basiche π 4. Il ph: l esponente dell idrogeno π 5. Gli indicatori acido-base Gli acidi e le basi. La teoria di Svante Arrhenius π. La teoria di Brønsted e Lowry π 3. L acqua come reagente Acidi e basi forti e deboli. L acqua come riferimento π. Le costanti di dissociazione degli acidi e delle basi deboli π 3. Acidi e basi poliprotici π 4. La relazione tra costante acida e basica in una coppia coniugata Il ph delle soluzioni elettrolitiche. Il ph degli acidi e delle basi forti π. Il ph degli acidi e delle basi deboli π 3. Il ph dei sali nelle soluzioni acquose π 4. Le soluzioni tampone π 5. Il prodotto di solubilità: gli equilibri eterogenei Gli ioni complessi. La teoria di Lewis C56 C60 C6 C66 C7 SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità C7 C7 C7 C73 VI

8 AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio C74 C74 C75 C75 C76 C77 Indice UNITÀ C4 L elettrochimica C Le reazioni di ossidoriduzione. Le reazioni di ossidoriduzione π. Il numero di ossidazione π 3. Il bilanciamento delle reazioni redox semplici π 4. Le semireazioni π 5. L influenza del ph e il bilanciamento delle reazioni redox in ambiente acido π 6. Il bilanciamento delle reazioni redox in ambiente basico Le celle galvaniche. Le batterie e le celle galvaniche π. La pila Daniell π 3. Il potenziale dell elettrodo I potenziali di riduzione standard e la spontaneità di una reazione. La scala dei potenziali standard di riduzione π. La spontaneità di una reazione redox L elettrolisi. L elettrolisi π. La decomposizione dell acqua π 3. Le leggi di Faraday SINTESI E MAPPE DI FINE UNITÀ Le lezioni in sintesi The chapter in review Le mappe dell unità AREA OPERATIVA PER LO SVILUPPO DELLE COMPETENZE Prove d interrogazione Test e quesiti Il mio esame di Stato Problemi risolti e attività Laboratorio C80 C85 C87 C9 C96 C96 C96 C97 C98 C98 C99 C00 C0 C03 FINE PARTE C STRATEGIE D INDAGINE SCIENTIFICA C04 La fucina delle idee C04 Professore per un giorno! C07 L elaborazione dei dati scientifici C08 VII

9 Presentazione In queste prime pagine ti illustriamo com è fatto il tuo libro di Chimica. Scoprire e comprendere i processi più complessi della Chimica Nel primo biennio hai acquisito un nucleo di fondamenti scientifici e metodologici della Chimica. Questo corso ti permetterà di capire la complessità dei processi e dei fenomeni chimici, di scoprire le relazioni che si stabiliscono tra i diversi fenomeni, nonché di potenziare il metodo scientifico. Per facilitarti nel raggiungimento di questi obiettivi, il corso ti aiuterà in tre modi: π fornendoti sempre una formalizzazione semplice e logica dei fenomeni, anche quelli più articolati (partendo sempre dall osservazione per giungere in maniera deduttiva al modello); π offrendoti una serie di attività, chiamate nel testo Strategie d indagine scientifica, che vanno incontro a differenti attitudini e interessi (troverai attività per chi ama la lettura, per chi è portato per il calcolo e l elaborazione, per chi ha il pallino dell informatica, per chi ha capacità pratica ecc.); π mettendoti a disposizione strumenti multimediali di diretto supporto alla comprensione del testo (animazioni, video, esercizi interattivi ecc.). Grazie ai materiali del corso potrai costruire una solida conoscenza dei processi fondamentali della chimica, che ti permetterà di ampliare la visione critica e globale dell ambiente naturale e umano in cui vivi. COM È FATTO QUESTO LIBRO La struttura del testo è organizzata nel modo seguente: Parte Unità Lezione Le parti in cui è stato suddiviso questo libro sono due: B. Gli stati fisici C. Le reazioni VIII Libro digitale Tutto il volume è consultabile anche in formato digitale sul cd-rom allegato al corso, che propone un esperienza di lettura ipermediale, arricchita da video, animazioni e approfondimenti. Puoi inoltre esercitarti e valutare la tua preparazione per mezzo di verifiche interattive con autocorrezione, e produrre presentazioni interattive da proiettare in classe con il videoproiettore o la LIM. Le sintesi audio in inglese ti consentono di consolidare le tue competenze nel campo della comunicazione delle conoscenze scientifiche. LIBRO DIGITALE Nel libro digitale puoi accedere, con un semplice click, a interessanti video sui fenomeni chimici e a utili animazioni sui principali processi. Puoi inoltre verificare la tua preparazione con gli esercizi interattivi presenti alla fine di ogni unità.

10 Ogni lezione è divisa in paragrafi. Nelle lezioni sono presenti box lessicali (LessicoChimico), che forniscono l etimologia dei principali termini scientifici nonché la traduzione in lingua inglese. È frequente la presenza del testo-immagine, un tipo di figura nella quale la spiegazione è fornita direttamente sul modello o sulla fotografia del processo che viene illustrato. Ogni lezione si chiude con un Area operativa, che permette una prima verifica della comprensione dei concetti (Domande chiave) e della capacità di applicarli a contenuti diversi (Ragiona), e alla risoluzione dei problemi (Risolvi i problemi). In molte lezioni sono presenti box di approfondimento (ChimicaPlus), spesso focalizzati su problemi collegati alla salute e all ambiente. IX

11 La prima pagina (Le lezioni in sintesi) permette di rivedere rapidamente il percorso dell unità attraverso un riassunto delle lezioni. L per lo sviluppo delle competenze collocata alla fine di ogni unità si articola in diverse rubriche. Le prime tre sono formulate per consolidare le conoscenze disciplinari. Esse contengono: sintesi, mappe e prove d interrogazione. La seconda pagina (Le mappe dell unità) permette di riconoscere e stabilire connessioni tra i concetti attraverso mappe da completare in italiano e in inglese. In questa pagina si trovano anche un breve estratto dell unità in lingua inglese (The chapter in review) e i termini chiave in versione bilingue (Termini chiave Key Terms). Con i percorsi di domande della terza pagina (Prove d interrogazione) puoi esercitarti nell esposizione in forma orale, preparandoti così all interrogazione. X

12 Le pagine successive dell per lo sviluppo delle competenze offrono una serie di esercizi a risposta chiusa o aperta, di varia tipologia e difficoltà e si concludono con un laboratorio. Nella quarta e nella quinta pagina un set completo di Test e quesiti permette di applicare e verificare le conoscenze e il linguaggio scientifico acquisiti. La quinta pagina offre anche esercizi in lingua inglese (In English) e attività per esercitarsi nei diversi tipi di prove previsti dall esame di maturità (Il mio esame di Stato). Le ultime pagine sono dedicate alla risoluzione di problemi, di cui vengono esposti i passaggi ragionati (Problemi risolti), o di cui viene proposta la traccia da svolgere (Attività). Nell ultima pagina viene messa alla prova la tua capacità di organizzare ed eseguire attività sperimentali (Laboratorio). XI

13 L area operativa di fine parte è stata pensata appositamente per rafforzare, attraverso attività diversificate, le tue competenze nei campi della ricerca e della comunicazione scientifica. Ti propone pertanto una serie di Strategie d indagine scientifica (La fucina delle idee, Professore per un giorno! / Be a teacher!, L elaborazione dei dati scientifici). Nella Fucina delle idee vengono presentati brani originali di letteratura scientifica e non, che ti consentono di riflettere e discutere con i compagni su temi scientifici particolarmente attuali. Alla fine di ogni parte è inoltre presente una raccolta di esercizi tratti dai Test di ammissione ai corsi di laurea a numero chiuso di varie facoltà scientifiche, che ti permetterà di allenarti se volessi scegliere una di queste facoltà dopo il liceo. Professore per un giorno! ti permette di sviluppare la tua capacità di esposizione orale relativamente ad argomenti scientifici, attraverso l uso di strumenti informatici. Con Be a teacher! puoi esercitarti anche in lingua inglese. XII

14 Gli stati fisici BPARTE UNITÀ B I gas: teoria e comportamento UNITÀ B I liquidi e i solidi UNITÀ B3 Le soluzioni e le loro proprietà

15 UNITÀ B I gas: teoria e comportamento Osserva I gas entrano nella storia della scienza in tempi relativamente recenti: fino all inizio della seconda metà del XVIII secolo l unico gas conosciuto era l aria. Il primo gas diverso dall aria fu scoperto nel 75 da un giovane medico scozzese, Joseph Black, che isolò e caratterizzò la sostanza aeriforme, oggi nota con il nome di anidride carbonica o diossido di carbonio. Tale sostanza fu chiamata da Black «aria fissa», ma essa possedeva proprietà così diverse da quelle dell aria da convincerlo che si trattasse di qualcosa di molto differente. Seppur scoperti tardivamente, i gas si presero ben presto la loro rivincita: il cinquantennio successivo alla scoperta di Black meritò addirittura il nome di «epoca dei chimici pneumatici», a causa dei numerosi chimici (tra cui Joseph Priestley, Henry Cavendish e il grande Antoine-Laurent Lavoisier) che si dedicarono allo studio dei gas allora scoperti. I gas fanno parte nel bene e nel male anche del mondo contemporaneo: ad esempio sono gas l ammoniaca (che costituisce la materia prima per la sintesi dei fertilizzanti azotati, basilari per l agricoltura moderna ma anche pericolosi inquinanti delle falde acquifere), il metano (largamente impiegato per il riscaldamento domestico, per la produzione di energia elettrica e come carburante), l idrogeno (combustibile del futuro nelle speranze di molti) e il diossido di carbonio (presente nelle bevande effervescenti ma anche il più diffuso dei gas serra, causa del temuto «riscaldamento globale»).

16 I gas ideali e la teoria cinetica dei gas Le leggi dei gas 3 L equazione di stato e le miscele dei gas PV = nrt O O C C O O O C O Joseph Black tiene una lezione di chimica.

17 LEZIONE I gas ideali e la teoria cinetica dei gas Lessico Chimico Gas termine creato dal chimico fiammingo Jan Baptiste Van Helmont con il significato di «vapore sottile», dal greco cháos, «materia informe» Gas Joseph Black La scoperta dei gas Mentre sin dall antichità i materiali presenti in natura erano classificati come solidi o liquidi, la scoperta di un terzo stato della materia, lo stato gassoso, risale alla seconda metà del XVIII secolo, quando gli studi di parecchi scienziati dimostrarono che oltre all aria (considerata un elemento, sulla base delle concezioni di Aristotele) esistevano numerose altre arie (che oggi chiamiamo gas). Nel 75 Joseph Black (78-799), riscaldando la magnesia alba (ossia il carbonato di magnesio, MgCO 3 ), ottenne non solo una nuova sostanza solida, la magnesia usta (ovvero l ossido di magnesio, MgO), ma anche una sostanza aeriforme, diversa dall aria, che egli chiamò aria fissa (denominata oggi «diossido di carbonio»). Altre arie, come l aria infiammabile (l idrogeno), l aria mefitica o flogisticata (l azoto) e l aria deflogisticata (l ossigeno), furono scoperte nei decenni successivi. Il motivo della scoperta tardiva dei gas è facilmente intuibile. I gas, sotto diversi aspetti, sono difficili da studiare: sono in gran parte invisibili, tendono a sfuggire dal recipiente che li contiene, se questo non è ermeticamente chiuso, sono poco densi e quindi pesabili con difficoltà. Lo studio dei gas, però, presenta un grande vantaggio: molti di essi, nelle condizioni normalmente incontrate, si comportano nello stesso modo, per cui seguono le medesime leggi. I liquidi e i solidi sono meno «sfuggenti» dei gas: sono visibili e non hanno la tendenza a uscire dai loro contenitori, cosicché è possibile pesarli in recipienti aperti; d altra parte, non seguono leggi di validità generale e devono quindi essere studiati singolarmente. Un modello valido per tutti i gas: il gas perfetto Le particelle allo stato gassoso sono quelle più debolmente legate e dotate della maggior libertà di movimento. Nei gas reali (gas realmente esistenti) le forze che si esercitano fra le particelle sono deboli, ma non nulle, e il volume delle particelle, seppur piccolo, non è trascurabile rispetto al volume del recipiente. A seconda del tipo e delle dimensioni delle molecole che lo costituiscono, ogni gas ha un suo comportamento caratteristico, anche se piuttosto simile a quello degli altri gas. All aumentare della temperatura e al diminuire della pressione le particelle dei gas si allontanano sempre più le une dalle altre, finché le loro interazioni (attrazioni e repulsioni) e le loro dimensioni, relativamente al volume occupato, diventano trascurabili. In queste condizioni i gas tendono a comportarsi da gas perfetti o gas ideali e le differenze tra essi scompaiono, per cui tutti quanti obbediscono alle stesse leggi. Un gas perfetto (o gas ideale) è un modello di gas, caratterizzato da molecole puntiformi (senza dimensioni, ma dotate di massa) e prive di interazioni reciproche. Naturalmente, i gas perfetti non esistono in natura, ma sono modelli astratti a cui i gas reali sono più o meno simili. I gas che, come l idrogeno, l ossigeno e l azoto, hanno molecole piccole e apolari si attirano con deboli forze di London: tali gas sono simili a gas perfetti anche a temperature abbastanza basse e a pressioni piuttosto elevate. TESTO-IMMAGINE La rappresentazione di un gas a livello submicroscopico 3 Le molecole di un gas si muovono liberamente nello spazio senza attirarsi né respingersi. La forma sferica di un palloncino è dovuta alla costanza della pressione del gas in tutte le direzioni Quando casualmente si incontrano o urtano le pareti del recipiente, rimbalzano senza perdita di energia cinetica. Tra un urto e l altro si muovono di moto rettilineo, ma cambiano bruscamente di direzione nel momento dell urto: seguono quindi una traiettoria a zigzag. B4

18 UNITÀ B I gas: teoria e comportamento Invece, i gas costituiti da molecole voluminose o polari si avvicinano al modello ideale solo ad alte temperature e basse pressioni. In pratica, nelle comuni condizioni di temperatura e di pressione la maggior parte dei gas non si discosta molto da un gas perfetto. Il comportamento dei gas perfetti è descritto dall equazione di stato dei gas perfetti e dalle varie leggi dei gas da essa derivate (che esamineremo più avanti) e può essere interpretato mediante la teoria cinetica dei gas. 3 La teoria cinetica dei gas La teoria cinetica dei gas, formulata più di un secolo fa, è valida a rigore solo per i gas perfetti, ma fornisce anche una spiegazione delle proprietà dei gas reali nelle comuni condizioni. I suoi punti essenziali sono i seguenti. I gas sono costituiti da un gran numero di molecole in veloce movimento casuale, di dimensioni trascurabili. Muovendosi in tutte le direzioni dello spazio, i gas assumono la forma e il volume del recipiente. La maggior parte dello spazio occupato da un gas è vuoto: questo spiega la bassa densità dei gas e la loro comprimibilità. Le molecole si scontrano continuamente tra loro e con le pareti del recipiente con urti elastici (cioè senza perdita di energia cinetica), seguendo una traiettoria a zigzag. Gli urti contro le pareti generano la pressione dei gas. Le molecole di un gas sono prive di interazioni reciproche, salvo l istante in cui collidono. Ciò fa sì che un gas non possa passare allo stato liquido per semplice compressione. La velocità è diversa da molecola a molecola. La loro energia cinetica media è proporzionale alla temperatura assoluta del gas e non dipende dalla massa delle molecole. La temperatura è dunque una manifestazione a livello macroscopico della velocità di particelle submicroscopiche, le molecole. Immaginiamo pure le molecole dei gas come palline che si urtano; sono però palline particolari: nel mondo macroscopico anche la pallina più elastica dopo qualche rimbalzo sul pavimento si arresta, perché la sua energia cinetica si trasforma in altre forme di energia (essenzialmente calore). Invece le molecole dei gas (anche di quelli reali) non si fermano mai, in quanto durante gli urti conservano la loro energia cinetica. Se così non fosse, le molecole diventerebbero sempre più lente e la temperatura si abbasserebbe, determinando infine la condensazione del gas: questo però non avviene. La «spinta» che una molecola esercita sulla parete del recipiente al momento dell urto è estremamente piccola, gli urti sono però numerosissimi e possono originare una notevole pressione. Essa è uniforme su tutte le pareti, dato il moto disordinato delle molecole: perciò un palloncino pieno di un gas assume forma sferica 3. Le molecole, ripetiamo, non hanno tutte la stessa velocità: alcune sono più lente, altre più veloci; in media, comunque, la loro velocità è piuttosto elevata e cresce al crescere della temperatura. Poiché l energia cinetica media rimane uguale, a parità di temperatura, al variare della massa delle molecole, si capisce come quelle più pesanti siano anche le più lente 4. Velocità media (m/s) 4 La velocità media a 5 C delle molecole di alcuni gas in rapporto alla loro massa H,0 360 He 650 H O Massa molare (g/mol) N O CO 4,0 8,0 8,0 3,0 44,0 Lessico Chimico Cinetico dal greco kinetikós, derivato di kinein, «muovere» Kinetic Domande chiave. Gli antichi scienziati consideravano l aria un elemento o una miscela di sostanze?. Quali sono le caratteristiche salienti di un gas perfetto? 3. Le molecole di un gas si muovono tutte alla stessa velocità? 4. Qual è l origine della pressione esercitata dai gas? 5. Che cosa significa «urto elastico»? Ragiona. Perché i gas reali somigliano sempre più ai gas perfetti all aumentare della temperatura e al diminuire della pressione?. Quali caratteristiche possiedono i gas reali che, a parità di temperatura e di pressione, assomigliano di più a un gas perfetto? 3. Spiega, alla luce della teoria cinetica, perché un palloncino contenente un gas lentamente si sgonfia. 4. Perché in un recipiente pieno di un gas si può aggiungere altro gas? Risolvi i problemi. Determina quale, tra i seguenti gas nobili, somiglia di più a un gas perfetto a parità di condizioni di temperatura e di pressione e spiegane il motivo. a. Neon c. Elio b. Argo d. Xeno AreA operativa. In quale dei seguenti gas la velocità media delle molecole è maggiore a una data temperatura? Spiegane il motivo. a. CCl 4 b. CO c. Cl d. F 3. Quale palloncino, contenente uno dei seguenti gas, si sgonfierà più lentamente? Perché? a. He b. H c. O d. N B5

19 LEZIONE Le leggi dei gas Lessico Chimico temperatura dal latino temperatura, mescolanza in giusta proporzione», derivato di temperare, «temperare» Temperature Le variabili di stato Lo stato di un campione di qualsiasi sostanza (non solo gassosa) è determinato se sono noti i valori di quattro variabili di stato: pressione, volume, temperatura e quantità di sostanza. Anche se può apparire sorprendente, si trova sperimentalmente che le quattro variabili non sono indipendenti l una dall altra: ad esempio, se scegliamo arbitrariamente la pressione, il volume e la temperatura di un campione di acqua, troviamo che la quantità di sostanza può assumere solo un valore ben determinato; altri valori non sono possibili. Purtroppo, per la maggior parte delle sostanze non è possibile scrivere un equazione di stato, ossia un espressione matematica che colleghi tra loro le quattro variabili di stato. L eccezione più importante è rappresentata dai gas, per i quali esiste l equazione di stato dei gas perfetti. In questa lezione tratteremo le semplici leggi dei gas, che descrivono la relazione tra due variabili di stato, quando la quantità di sostanza e un altra variabile sono mantenute costanti. Le leggi dei gas possono essere ricavate facilmente dall equazione di stato con calcoli matematici, ma storicamente la precedono: sono state scoperte sperimentalmente con ricerche iniziate nella seconda metà del XVII secolo e proseguite per circa un secolo e mezzo. Prima di esaminare le leggi dei gas, richiamiamo le nozioni essenziali sulle variabili di stato. PRESSIONE La pressione P consiste nel rapporto tra la forza F esercitata perpendicolarmente su una superficie S e la superficie: P = F S TESTO-IMMAGINE La misura della pressione gassosa in un manometro a mercurio I manometri a mercurio misurano la differenza tra la pressione atmosferica e la pressione del gas contenuto in un recipiente (ad esempio in un palloncino): tale differenza di pressione, misurata in mmhg, è data dal dislivello del mercurio nel manometro. gas Se la pressione nel recipiente è minore di quella atmosferica, il livello del mercurio è più alto nel braccio collegato con il palloncino. La pressione interna al recipiente è pari alla pressione atmosferica meno il dislivello del mercurio. P < atmp < atm gas P = atm P = atm P = atm P = atm mercurio mercurio Un comune dosatore volumetrico La pressione di un gas è quella che esso esercita sulle pareti del recipiente che lo contiene. L unità di misura della pressione nel SI è il pascal (Pa), pari a N/m. Altre unità di misura sono il bar, l atmosfera (atm) e il millimetro di mercurio (mmhg), detto torr nei vecchi testi. bar = 0 5 Pa = 0,986 atm atm = 0 35 Pa =,0 bar = 760 mmhg. La pressione di un gas contenuto in un recipiente si misura spesso con i manometri a mercurio. gas gas P > atmp > atm VOLUME Il volume V di un corpo è lo spazio che esso occupa. L unità di misura del volume nel SI è il metro cubo (m 3 ), ma nelle correnti operazioni di laboratorio si usano il litro (l), equivalente al decimetro cubo (dm 3 ), e il millilitro (ml), equivalente al centimetro cubo (cm 3 ). dm 3 = 000 cm 3 = l = 000 ml TEMPERATURA La temperatura esprime il livello termico di un corpo, indica cioè quanto questo corpo è caldo o freddo. Se la pressione nel recipiente supera quella atmosferica, il livello del mercurio è più alto nel braccio aperto all aria. La pressione interna al mercurio recipiente è pari alla pres- mercurio sione atmosferica più il dislivello del mercurio. B6

20 UNITÀ B I gas: teoria e comportamento La temperatura si misura mediante i termometri. L unità di misura della temperatura nel Sistema Internazionale è il kelvin (K), riferito alla scala assoluta delle temperature. La temperatura espressa in kelvin (temperatura assoluta) è una grandezza fondamentale del SI. La scala Kelvin è detta «assoluta», perché in essa lo zero coincide con lo zero assoluto, la temperatura più bassa teoricamente raggiungibile. Un altra unità di misura molto usata è il grado Celsius ( C) (detto anche, meno correttamente, grado centigrado), riferito alla scala Celsius, in cui la temperatura di congelamento e quella di ebollizione dell acqua alla pressione atmosferica corrispondono, rispettivamente, a 0 C e a 00 C (l intervallo è diviso in 00 parti uguali, ciascuna delle quali corrisponde a un grado Celsius). La grandezza del kelvin è identica a quella del grado Celsius. La relazione tra la temperatura assoluta T e quella Celsius t è data dall equazione: T = t + 73,5 che spesso si semplifica in: T = t + 73 La scala assoluta e quella Celsius sono paragonate nella figura 3. QUANTITÀ DI SOSTANZA La quantità di sostanza n esprime le dimensioni di un insieme di entità elementari ben determinate. È una grandezza fondamentale del SI e viene definita anche quantità chimica. La sua unità di misura è la mole (simbolo mol) definita come la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0,0 kg di carbonio-. Problema risolto Conversioni di unità di misura Un campione di gas occupa un volume di 0,50 l alla pressione di 500 mmhg e alla temperatura di 5 C. Indica quali sono: a. il volume in millilitri; b. la pressione in atmosfere e in pascal; c. la temperatura in kelvin dello stesso campione di gas. Soluzione a. Poiché il litro è mille volte più grande del millilitro, il volume espresso in millilitri è mille volte maggiore del volume espresso in litri. Pertanto: V = 0,50 l = (0,50 000) ml = 50 ml Naturalmente, puoi giungere allo stesso risultato applicando la proporzione: l : 000 ml = 0,50 l : x ml 000 ml 0,50 l x = = 50 ml l b. Per la conversione in atmosfere, puoi applicare la proporzione: atm : 760 mmhg = x atm : 500 mmhg atm 500 mmhg x = =,97 atm 760 mmhg Per la conversione in pascal, utilizzi la proporzione: 0 35 Pa : 760 mmhg = x Pa : 500 mmhg 0 35 Pa 500 mmhg x = = Pa 760 mmhg c. Usa la formula T = t + 73: (5 + 73) K = 98 K 3 La scala Celsius e quella Kelvin a confronto 00 C 00 gradi Celsius 373 K l acqua bolle 00 kelvin La legge di Boyle È facile constatare che il volume di un gas diminuisce all aumentare della pressione. Proviamo, ad esempio, a comprimere l aria contenuta in una siringa per iniezioni, pigiando lo stantuffo e tenendo chiuso il foro di uscita 4. Ci si accorge subito che, per ridurre il volume dell aria dentro la siringa, bisogna applicare forze, e quindi pressioni, via via crescenti. Queste però sono osservazioni approssimative; se vogliamo trovare la relazione matematica fra la pressione e il vo- Lessico Chimico Sostanza dal latino substantia, derivato di substare, «stare sotto» Substance 0,00 C 73 K l acqua congela 4 La compressione dell aria in una siringa 73 C 0 K zero assoluto Celsius Kelvin B7

21 LEZIONE Lessico Chimico Isotermo dal greco ísos, «uguale» e thermós, «calore, temperatura» Isothermal lume di un gas dobbiamo eseguire misure accurate di tali grandezze. Allo scopo, lo scienziato anglo-irlandese Robert Boyle (67-69) utilizzò un tubo di vetro piegato a U, ma con un braccio più corto e tappato, e versò nell altro braccio quantità crescenti di mercurio, sottoponendo l aria intrappolata nel tubo a pressioni sempre più alte 5. Misurando i valori della pressione e del volume dell aria, egli riscontrò che il loro prodotto era costante. Poiché i risultati di Boyle sono stati confermati anche per gli altri gas (nelle condizioni in cui sono simili a gas perfetti), si è giunti a formulare la legge, che in suo onore è detta legge di Boyle (o legge isoterma, perché valida a temperatura costante): a temperatura costante, il volume occupato da una data quantità di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione. In formula: PV = k a n e T costanti Il grafico che descrive la legge di Boyle è un iperbole se si riporta V in funzione di P 6A. Infatti, l iperbole è il grafico caratteristico della proporzionalità inversa. Dalla precedente formula si ottiene: V = k P pione di gas il prodotto PV ha lo stesso valore nelle condizioni di pressione e volume iniziali (P, V ) e in quelle finali (P, V ), ossia: P V = P V Quest ultima formula è molto utile nei calcoli sulla legge di Boyle. Il rapporto di proporzionalità inversa tra pressione e volume di un gas è importante per la vita, perché consente l attività respiratoria. Quando inspiriamo, i muscoli intercostali e del diaframma fanno espandere la gabbia toracica e quindi i polmoni: la pressione al loro interno diventa minore di quella dell aria esterna, che viene risucchiata nei polmoni stessi. Al contrario, quando espiriamo il volume dei polmoni diminuisce, la pressione interna aumenta e l aria in essi contenuta fuoriesce. La legge di Boyle può essere dedotta dalla teoria cinetica dei gas. Secondo tale teoria, come sappiamo, la pressione di un gas è dovuta agli urti delle molecole sulle pareti del recipiente. Se il volume diventa la metà, la terza parte,, la frequenza degli urti raddoppia, triplica, e la pressione anch essa raddoppia, triplica, in accordo con la legge di Boyle 7. 7 L interpretazione della legge di Boyle secondo la teoria cinetica dei gas Quindi il volume è direttamente proporzionale all inverso della pressione. Se rappresentiamo V in funzione di /P si ottiene una semiretta 6B, grafico caratteristico della proporzionalità diretta. Consideriamo di nuovo la formula PV = k. In pratica, essa afferma che a temperatura costante in un dato cam- 5 L esperimento di Boyle Quando si aggiunge mercurio, il gas viene compresso. si aggiunge me rcurio kg kg P = atm P = atm V = l V = l gas h gas h kg kg P = atm P = atm Hg V = 0,5 l V = 0,5 l 6 Rappresentazione grafica della legge di Boyle A Volume (l) Volume (l) B Volume (l) Volume (l) Pressione (mmhg) 0 0 0,000 0,000 0,004 0,004 0,008 0,008 0,0 0,0 /P /P (mmhg) B8

22 UNITÀ B I gas: teoria e comportamento Problema RISOLTO Applicazione della legge di Boyle Un campione di gas occupa un volume di 8,0 l alla pressione di 4,0 atm. Calcola il volume assunto dal gas, quando viene compresso a temperatura costante fino alla pressione di 7,0 atm. Soluzione Conviene usare l equazione: P V = P V dove P e V indicano la pressione e il volume iniziali e P e V la pressione e il volume finali. L incognita è il volume finale V, che ricavi dalla precedente equazione: V = P V 4,0 atm 8,0 l P = =,00 l 7,0 atm 3 La legge di Charles Jacques Charles (746-83), fisico e matematico francese, era fortemente interessato al comportamento dei gas e condusse una serie di esperimenti per stabilire la relazione che intercorre fra volume e temperatura di tali sostanze a pressione costante. Supponiamo di verificare il comportamento di un gas contenuto in un cilindro chiuso da un pistone 8. Se si aumenta la temperatura del campione, il pistone si solleva, perché, aumentando la temperatura, aumenta la velocità delle particelle e quindi la pressione interna del gas. Il pistone terminerà la corsa quando la pressione interna sarà controbilanciata dalla pressione esterna. In altri termini, a pressione costante il volume di un gas aumenta al crescere della temperatura. Se misuriamo accuratamente i volumi assunti dal gas a determinati valori di temperatura, giungiamo alle stesse conclusioni che portarono lo scienziato francese a formulare la legge che porta il suo nome, ovvero la legge di Charles (o legge isobara, perché valida a pressione costante): a pressione costante, il volume occupato da una data quantità di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. Anche questa legge è valida a rigore solo per i gas perfetti. La legge di Charles è espressa dalla formula: V = kt a n e P costanti ed è illustrata graficamente da una semiretta, che in parte è ottenuta per estrapolazione, ossia prolungando verso sinistra, oltre i dati sperimentali disponibili, il segmento di retta ricavato sperimentalmente 9A. L estrapolazione si rende necessaria, in quanto tutti i gas reali prima o poi diventano liquidi, quando la temperatura si abbassa oltre un certo limite. La semiretta incontra l asse delle temperature nel punto con V = 0 l e T = 0 K, ossia all origine degli assi. Poiché la materia non può avere volumi negativi, la temperatura di 0 K è la minima concepibile (lo zero assoluto). Notiamo anche che solo i gas perfetti (che sono un modello astratto) possono avere un volume nullo, perché le loro molecole sono prive di dimensioni. Già sappiamo che lo zero assoluto equivale a 73 C. Finora però non abbiamo fornito prove sperimentali di questa equivalenza: la legge di Charles ci consente di farlo. Basta riportare nel grafico, invece della temperatura assoluta, la temperatura in gradi Celsius e ricorrere di nuovo all estrapolazione: troviamo così che la nuova semiretta incontra l asse delle temperature nel punto con V = 0 e t = 73 C 9B. Quindi 0 K corrispondono a 73 C. 8 Verifica della legge di Charles Con questa apparecchiatura si può verificare la validità della legge di Charles. Ad esempio si osserva che alla pressione costante di atm il volume raddoppia, se si raddoppia la temperatura assoluta; se invece si dimezza la temperatura assoluta, anche il volume diventa la metà di quello iniziale. atm V = 0,5 l T = 400 K Se la temperatura assoluta viene raddoppiata, il volume è raddoppiato. aumento della temperatura diminuzione della temperatura Se la temperatura assoluta viene dimezzata, il volume è dimezzato. Lessico Chimico Isobaro dal greco ísos, «uguale» e báros, «peso, pressione» Isobaric atm V =,0 l T = 800 K Rappresentazione A,4 grafica della legge, di Charles,0 0,8 0,6 0,4 0, 0, Volume (l) B Volume (l),4,,0 0,8 0,6 0,4 0, 0, ,4,,0 0,8 0,6 0,4 0, 0, Volume (l) Temperatura ( C) Temperatura (K) Temperatura ( C) Temperatura (K) B9

23 LEZIONE Prendiamo ancora in esame la formula V = kt a n e P costanti. Essa può essere scritta nella forma: V T = k Da quest ultima formula si deduce che a n e P costanti il rapporto V/T non cambia passando dalle condizioni di volume e temperatura iniziali (V, T ) a quelle finali (V, T ), vale a dire in termini matematici: V V T = T In genere, nei calcoli relativi alla legge di Charles ci si avvale di questa formula. Charles, inoltre, fu il primo a sostituire nelle mongolfiere l aria calda con l idrogeno 0. Anche la legge di Charles è in accordo con la teoria cinetica dei gas. Al crescere della temperatura, la velocità media delle molecole aumenta, perciò gli urti contro le pareti del recipiente diventano più violenti. Perché si mantenga costante la pressione del gas pur aumentando la temperatura, bisogna che il volume aumenti: così la concentrazione delle molecole diminuisce e la maggiore forza degli urti è compensata dalla loro minore frequenza. Problema RISOLTO Applicazione della legge di Charles Un campione di gas che a 350 K occupa un volume di 5,6 l viene riscaldato a pressione costante fino a raggiungere il volume di 63,4 l. Calcola la temperatura finale del gas in gradi Celsius. Soluzione È opportuno impiegare l equazione: V V T = T dove V e T indicano il volume e la temperatura iniziali e V e T il volume e la temperatura finali. L incognita è la temperatura finale T, che ottieni dalla precedente equazione: V 63,4 l T = T = 350 K V 5,6 l = 867 K In gradi Celsius, la temperatura risulta: t = T 73 = (867 73) C = 594 C 0 Un malinteso Nell agosto del 783 Charles lanciò da Parigi il primo pallone aerostatico della storia riempito a idrogeno. Dopo essere atterrato a km di distanza nel piccolo villaggio di Gonesse fu attaccato e distrutto con coltelli e forconi dagli abitanti del luogo terrorizzati dallo strano oggetto. L interpretazione della legge di Charles secondo la teoria cinetica dei gas Raddoppiando la temperatura assoluta, il volume raddoppia. La legge di Gay-Lussac 4 Tra le avvertenze delle bombolette spray sotto pressione è indicato di non esporle a una temperatura superiore a 50 C. Il motivo di tale prescrizione è facilmente comprensibile: al crescere della temperatura in un recipiente rigido, cresce anche la pressione del gas che funge da propellente; se la temperatura supera il valore indicato, la pressione può diventare così elevata da far scoppiare la bomboletta. La relazione matematica tra pressione e temperatura di un gas a volume costante fu trovata per via sperimentale dal chimico francese Joseph L. Gay-Lussac ( ) T > T T > T V V V > V > V T T P P P = P = P B0

24 UNITÀ B I gas: teoria e comportamento ed è denominata appunto legge di Gay-Lussac (o legge isocora, perché valida a volume costante): a volume costante, la pressione di una data quantità di gas è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. Come la legge di Charles, anche la legge di Gay-Lussac era stata enunciata dallo scopritore utilizzando la scala Celsius. Analogamente alle altre leggi dei gas, anche questa si applica rigorosamente solo ai gas perfetti. La formula matematica della legge di Gay-Lussac può essere così espressa: P = kt a n e V costanti Pure in questo caso, il grafico che descrive la legge consiste in una semiretta, in parte ottenuta per estrapolazione. Si osserva che allo zero assoluto la pressione si annulla. Poiché la pressione non può avere valori negativi, anche dalla legge di Gay-Lussac risulta che 0 K è la minima temperatura teoricamente possibile. Con ragionamenti analoghi a quelli relativi alla formula della legge di Charles, si dimostra facilmente che la formula P = kt equivale all equazione: P P T = T ampiamente usata nei calcoli sulla legge di Gay-Lussac. Almeno qualitativamente, è facile interpretare alla luce della teoria cinetica dei gas anche la legge isocora. Se il volume viene mantenuto costante, l accresciuta velocità molecolare dovuta all incremento della temperatura provoca un aumento della frequenza e della forza degli urti sulle pareti del recipiente: urti più frequenti ed energici comportano un aumento della pressione, a conferma della legge di Gay-Lussac 3. A 0 K il moto delle molecole del gas perfetto cessa, non vi sono più urti e la pressione si annulla. Pressione (atm) Rappresentazione grafica della legge di Gay-Lussac,4,,0 0,8 0,6 0,4 0, 0,0 0 Problema risolto Temperatura (K) Applicazione della legge di Gay-Lussac Un campione di gas che a una pressione iniziale sconosciuta si trova alla temperatura di 550 K viene portato a volume costante alla temperatura di 93 K e alla pressione di,4 atm. Qual è la pressione iniziale del gas? Soluzione Conviene utilizzare l equazione: P P T = T dove P e T indicano la pressione e la temperatura iniziali e P e T la pressione e la temperatura finali. La grandezza incognita è la pressione iniziale, che puoi ricavare dalla precedente equazione: T 550 K P = P =,4 atm = 3,3 atm T 93 K Lessico Chimico Isocoro dal greco ísos, «uguale» e chóra, «spazio, volume» Isochoric 3 L interpretazione della legge di Gay-Lussac secondo la teoria cinetica dei gas T T V = V = T > T > V T T Se si raddoppia la temperatura assoluta in un recipiente di volume costante, la velocità delle molecole cresce, determinando un aumento della frequenza e della forza degli urti tale da provocare il raddoppio della pressione. P P P > P > P B

25 LEZIONE Domande chiave. Quali sono le variabili di stato?. A quanti pascal corrisponde un atmosfera? 3. Qual è il valore teorico minimo della temperatura espresso in gradi Celsius? 4. Come varia la pressione di un gas al variare del volume, se si mantiene costante la temperatura? 5. Quale grandezza deve rimanere invariata, perché in un determinato campione di gas la pressione sia direttamente proporzionale alla temperatura assoluta? Ragiona. Quali grandezze determinano il valore della pressione di un gas?. Se si diminuisce la temperatura di un gas contenuto in un recipiente rigido, come sarà la pressione finale in confronto a quella iniziale? 3. Supponi che un palloncino pieno d aria, appoggiato sul banco di un laboratorio a temperatura e pressione ambiente, venga prima immerso in aria liquida (la cui temperatura è pari a circa 95 C) e poi appoggiato di nuovo sul banco per un tempo piuttosto lungo. Come varierà il suo volume, in queste ultime condizioni, al trascorrere del tempo? 4. Supponi che un campione di gas sia contenuto in un recipiente rigido alla temperatura di 400 K (A). Spiega perché il gas, dopo che è stato raffreddato fino a 00 K, è rappresentato correttamente dal riquadro C. Risolvi i problemi. Secondo gli studi della NASA, all altitudine di 6000 m la pressione atmosferica media è pari a 0,465 atm. Converti questo valore in pascal e millimetri di mercurio. 0,465 atm = 47 6 Pa = 353 mmhg. Immagina di disporre di un cilindro, chiuso da un pistone mobile, contenente un gas alla pressione iniziale di,0 atm. Calcola la pressione del gas, quando: a. la temperatura assoluta diventa quattro volte minore di quella iniziale, a volume costante; b. il volume triplica, a temperatura costante. a. 3,0 atm; b. 4,0 atm 3. Supponi che il cilindro del problema precedente contenga inizialmente 5,4 l di gas. Calcola il volume del gas, quando: a. la temperatura assoluta raddoppia, a pressione costante; b. la pressione diventa la metà di quella iniziale, a temperatura costante. a. 30,8 l; b. 30,8 l 4. Un campione di gas si trova inizialmente alla pressione di 450 mmhg e occupa un volume di 7,8 l. Quale sarà la sua nuova pressione in atmosfere, se il volume viene ridotto a,5 l a temperatura costante? 0,96 atm 5. Un palloncino contiene 3,5 l di aria e viene trasferito da una stanza, alla temperatura di C, al giardino, che, data la stagione invernale, si trova a 8 C. Calcola il nuovo volume del palloncino.,9 l 6. Un auto ad alimentazione mista metano-benzina in seguito a un incidente si incendia e la bombola del metano si riscalda passando dalla temperatura di 5 C a 300 C. Quale sarà la nuova pressione della bombola, che si trovava inizialmente a 80,5 atm? 55atm A B C D B