I Gas. Farmacia. Lezione

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1 I Gas Farmacia Lezione

2 GAS

3 Importanza dei gas L airbag si riempie di N2 gas in seguito ad un urto. Il gas viene generato dalla decomposizione della sodio azide NaN3. 2 NaN3 ---> 2 Na + 3 N2

4 Stati di aggregazione della materia GAS Volume e forma indefiniti LIQUIDO Volume definito, forma indefinita SOLIDO Volume e forma definiti

5 Stato solido Nello stato solido l energia di interazione prevale sull energia cinetica. Le interazioni tra le particelle sono così intense da vincolare le particelle tra di loro. Se si prova a spostarne una, le altre la seguono e quindi si provoca uno spostamento fisico di tutto il solido. Il volume dipende dalla temperatura e dalla pressione. Al variare di pressione e temperatura si osservano piccole variazioni del volume di un solido.

6 Stato liquido Nello stato liquido l energia di interazione è comparabile con l energia cinetica delle particelle. Le interazioni tra le particelle sono capaci di vincolare parzialmente le particelle tra di loro. L energia cinetica delle particelle è capace comunque di provocarne un movimento continuo. Al variare della pressione si osservano piccole variazioni del volume.al variare della temperatura le dimensioni si modificano in maniera più marcata.

7 Stato gassoso Allo stato gassoso, la materia non ha né un proprio volume né una propria forma. Questo comportamento dipende dal fatto che l energia cinetica supera l energia di interazione tra le molecole

8 Passaggio di stato GAS Evaporazione/vaporizzazione EBOLLIZIONE LIQUIDO E IO N CA Z LI DI FI SO TO EN AM SOLIDO FU SI E IN N BR IO AZ ON E IM BL SU LIQUEFAZIONE

9 FASE Benzina H2O (g) H2O H2O (s) CCl4 H2O (l) Hg SISTEMA a 4 COMPONENTI in 4 FASI LIQUIDE porzione porzione Vapore Ghiaccio Acqua SISTEMA a 1 COMPONENTE a 3 FASI, ciascuna in uno stato differente del sistema fisicamente distinguibile ed omogenea di materia uniforme nella composizione e nelle proprietà intrinseche

10 I gas

11 I gas Van Helmont ( ): caos gas Torricelli ( ): l aria atmosferica esercita pressione; costruzione del primo barometro. Otto von Guericke: pompa per vuoto Per definire lo stato di un gas sono necessarie quattro grandezze: (a) La quantità del gas, n (in moli) b) La temperatura del gas, T (in Kelvin). (c) Il volume del gas, V (in litri). d) La pressione del gas, P (in atmosfere).

12 I gas I gas: Possono essere compressi. Occupano completamente ed in maniera uniforme il recipiente che li contiene. Bassa densità. Esercitano una pressione su tutte le pareti del recipiente che li contiene.

13 I gas e il loro volume Si definisce volume di un gas lo spazio messo a disposizione delle particelle del gas per il loro movimento. Una sostanza è allo stato gassoso, quando le sue particelle non sono legate da alcun legame chimico e non risentono di forze di attrazione. In un gas ogni particella si muove indipendentemente dalle altre.

14 Pressione Si definisce pressione di un gas la pressione che le particelle gassose determinano urtando contro le pareti del recipiente in cui il gas è contenuto. Dispositivi per la misura della pressione

15 Gas ideale e Gas reale ogni particella è un punto matematico, cioè ha un volume insignificante, assolutamente trascurabile rispetto al volume totale occupato dal gas; ogni particella è in continuo movimento caotico, senza nessuna direzione preferenziale; ogni particella è mediamente molto distante dalle altre e non è soggetta a forze di attrazione o repulsione da parte delle altre; se due particelle si scontrano, l urto è elastico e non si ha perdita di energia totale.

16 Pressione, volume e numero di molecole La pressione esercitata da un gas in un certo volume è direttamente proporzionale al numero delle molecole, e quindi al numero delle moli, di gas. Il volume occupato da un gas a una certa pressione è direttamente proporzionale al numero delle molecole, e quindi al numero delle moli, di gas.

17 Trasformazioni a T costante Per ogni quantità di gas a temperatura costante, il prodotto dei valori della pressione e del volume è costante. Questa legge, conosciuta anche come legge di Boyle, può essere espressa dalle relazioni: p1 V1 = p2 V2 = p3 V3 = cioè p V = k

18 Legge di Boyle Per una data quantità di gas, ad una data temperatura, il prodotto della pressione per il volume è costante P 1/V P = K (1/V) PV = K P 1V 1 = P 2V 2

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20 Trasformazione di un gas a V costante (A), un gas alla temperatura t0 = 0 C occupa un volume V alla pressione p0. (B), mantenendo il volume costante, aumentiamo la temperatura fino al valore t. L energia delle particelle più elevata provoca un aumento del numero e della forza degli urti contro le pareti. Alla temperatura t il gas esercita una pressione pt maggiore di quella iniziale (legge di Gay-Lussac). Il riscaldamento o il raffreddamento di un gas a volume costante provoca, per ogni grado di differenza di temperatura, rispettivamente un aumento o una diminuzione di 1/273 della pressione esercitata dal gas a 0 C.

21 Legge di Gay Lussac Se una certa quantità di gas viene mantenuta a volume costante, la sua pressione è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta K = P/T P1/T1 = P2/T2 P = Po(1 + αt)

22 Trasformazione di un gas a P costante (A), un gas alla temperatura t0 = 0 C occupa un volume V0 alla pressione p. (B), mantenendo la pressione costante, aumentiamo la temperatura fino al valore t. La maggiore energia delle particelle determina una spinta sullo stantuffo, che viene sollevato. Alla temperatura t il gas occupa un volume Vt maggiore di quello Iniziale (legge di CHARLES) Il riscaldamento o il raffreddamento di un gas a pressione costante provoca, per ogni grado di differenza di temperatura, rispettivamente un aumento o una diminuzione di 1/273 del volume occupato dal gas a 0 C.

23 Legge di Charles K = V/T V1/T1 = V2/T2 V = Vo(1 + αt) Se una certa quantità di gas viene mantenuta a pressione costante, il Legge Isobara suo volume è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta

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26 Legge dei gas e T La temperatura di 273 C rappresenta il valore limite della temperatura, perché non può esistere materia priva di energia e priva di volume. Dato che la temperatura in gradi centigradi si indica con t e quella in kelvin con T, la temperatura assoluta si ricava con la relazione: T = t Il ghiaccio fondente (0 C), per esempio, ha la temperatura di 273 K, mentre l acqua bollente (100 C) ha la temperatura di 373 K.

27 Principio di Avogadro Ipotesi di Amedeo Avogadro (1811): Volumi uguali di gas mantenuti nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un eguale numero di molecole (il volume di un gas a date T e P è direttamente proporzionale alla quantità di gas).

28 Legge di Avogadro V n V = Ca n Ca = costante Ipotesi di Amedeo Avogadro (1811): Volumi uguali di gas mantenuti nelle stesse condizioni di pressione e temperatura contengono un eguale numero di molecole (il volume di un gas a date T e P è direttamente proporzionale alla quantità di gas).

29 Principio di Avogadro A 0 C e a 1,013 bar il volume di una mole di qualsiasi gas risulta essere di 22,4 L. Per convenzione si è stabilito di scegliere la temperatura di 0 C e la pressione di 1,013 bar, cioè 1 atm, come condizioni di riferimento, che sono state chiamate condizioni normali (c.n.).

30 La legge dei gas ideali

31 Combinando insieme le tre leggi seguenti Legge di Boyle V (1/P) (T,n costanti) V nt/p Legge di Charles V T (P,n costanti) Legge dei gas ideali PV = nrt Legge di Avogadro V n (T,P costanti) V = RnT/P

32 R, costante universale Il valore della costante R, chiamata costante universale dei gas, può essere ricavato sostituendo nell equazione di stato i valori relativi a una mole di gas a c.n.

33 Esempio: Data la reazione Δ 2 KClO3 (s) 2 KCl(s) + 3 O2(g) quanti litri di ossigeno è possibile ottenere a 298 K e 1,02 atm da 1,226 g di KClO3? In maniera analoga si risolvono problemi in cui è dato il volume di O 2 sviluppato e si vuole sapere il peso di KClO3 necessario a produrlo

34 DENSITA Densità relativa. La densità dei gas è proporzionale al peso molecolare: d1/d2 = M1/M2

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36 Legge di Dalton La pressione di una miscela di gas è la somma delle pressioni dei vari componenti della miscela.

37 Legge di Dalton ntotali = na + nb + nc + PV = ntotalirt PV = (na + nb + nc + )RT PV = nart + nbrt +.. P = nart/v + nbrt/v + ncrt/v. Ptotale = PA + PB + PC +. PA, PB, PC = pressioni parziali PA/Ptotale = (nart/v)/(ntotalert/v) = = na/ntotale = XA = frazione molare di A

38 GAS REALI il volume proprio delle particelle non è trascurabile rispetto al volume del gas; fra le particelle si stabiliscono interazioni che, anche se di bassa intensità,non sono trascurabili.

39 Teoria cinetica Le molecole dei gas si muovono in tutte le direzioni, si urtano e si scambiano energia. A condizioni normali ogni molecola è interessata da circa 1010 urti al secondo. Ogni molecola ha la propria energia cinetica e quindi la propria velocità. Istante per istante, però, la velocità cambia a seconda di come avvengono gli urti e l energia varia in base agli urti attivi e a quelli passivi.

40 Teoria cinetica I gas sono costituiti da molecole il cui volume è trascurabile rispetto al volume occupato dal gas. Le molecole di un gas sono soggette a un moto continuo, casuale e rapido. L energia cinetica media delle molecole di un gas è determinata dalla T di un gas. Le molecole di un gas collidono le une contro le altre e contro pareti del recipiente che le contiene, senza perdere energia L energia cinetica media di un insieme di molecole di un gas dipende solo dalla T: <Ecin> T <Ecin> =1/2 mv2

41 Teoria cinetica dei gas I grafici rappresentano la relazione esistente a diverse temperature tra velocità delle particelle di un gas, e quindi loro energia cinetica, e numero delle particelle che hanno quella velocità. (A), a 0 C le particelle hanno velocità diverse, ma per poche di esse la velocità è inferiore a 1 km/s (area azzurra), così come poche hanno velocità superiore a 3 km/s (area rossa); la maggior parte delle particelle ha velocità intermedia, intorno a 2 km/s. (B), il numero delle particelle che superano i 3 km/s di velocità è più alto a C (area verde) che a 0 C (area rossa).

42 Temperatura critica Un gas è un aeriforme che si trova al di sopra della sua temperatura critica, un vapore è un aeriforme che si trova al di sotto della sua temperatura critica. Un aeriforme che può essere trasformato in liquido per sola compressione è chiamato vapore.

43 Valori della temperatura critica in C di alcuni elementi e composti.

44 Temperatura critica Temperatura critica: temperatura al di sopra della quale un gas non può essere liquefatto.

45 Deviazione dall idealità Incidenza delle forze intermolecolari. PV/RT = Fattore di compressibilità Incidenza della temperatura.

46 Legge di Graham Due gas A e B in una miscela hanno la stessa T e quindi la stessa Energia Cinetica: mava2/2 = mbvb2/2 da cui: ma/mb = vb2/va2 Thomas Graham ( ) studiò l effusione e trovò sperimentalmente che le velocità di effusione di due gas sono inversamente proporzionali alla radice quadrata delle loro masse molecolari nelle stesse condizioni di P e T.

47 Densità dei gas Se PV = nrt si ricava che P = (n/v) RT e poiché n = Massa in g/massa Molare, si ottiene che: P = (Massa in g/v) (RT/M. Molare) Per definizione Massa/V = d dove d è la densità, per cui: d = P Massa Molare/ R T La densità di un gas è direttamente proporzionale alla sua massa molare e quindi al suo peso molecolare

48 Problema: Quale è il peso molecolare di una sostanza che pesa 0,970 g il cui vapore occupa 200 ml a 99 C e 0,964 atm? T=99+273=372 K