LO STATO GASSOSO. Proprietà fisiche dei gas Leggi dei gas Legge dei gas ideali Teoria cinetico-molecolare dei gas Solubilità dei gas nei liquidi

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1 LO STATO GASSOSO Proprietà fisiche dei gas Leggi dei gas Legge dei gas ideali Teoria cinetico-molecolare dei gas Solubilità dei gas nei liquidi STATO GASSOSO Un sistema gassoso è costituito da molecole aventi una elevata energia cinetica media, tale da vincere le forze di attrazione intermolecolari Le molecole sono separate e in continuo movimento rettilineo e disordinato. Un gas non ha forma e volume propri. Un sistema gassoso è definito da 4 parametri quali VOLUME (V) PRESSIONE (p) DI SOSTANZA (n) TEMPERATURA (T)

2 Pressione I gas esercitano una pressione sulle pareti del recipiente in cui sono contenuti. La p è data dal rapporto p=f/s Nel sistema SI si misura in Pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m 2 La pressione atmosferica è la pressione mare: equivale alla p esercitata da una colonna di 760 mm di mercurio. Tale valore è posto = 1 atm 1 atm = 760 mmhg 1 atm = Pa Legge di Boyle o legge isoterma A T costante, il volume di una quantità determinata di gas è inversamente proporzionale alla p pv = K K è una costante che dipende solo dalla T e dalla quantità di gas Condizioni isoterme Volume

3 Legge di Boyle o legge isoterma pv = cost P 2P 4P T cost. V V/2 V/4 Legge di Charles o legge isobara Sperimentalmente è stato trovato che, un campione di gas, a p costante, presenta un aumento di V pari a 1/273,15 del suo V a 0 C (V o ) per ogni aumento di T di 1 C V (T) = V o + V o /273,15. T..esprimendo la T in K si ha V(T) = V o /273,15. T cioè V = k T V = k T A pressione costante, per una data quantità di gas, il volume che questo occupa è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. V V o -273,15 V T ( C) Introducendo la scala assoluta della T: T(K) = T( C) +273,15 T (K)

4 Legge di Charles o legge isobara a p cost V = K T V= V o 273 T T 1 T 2 >T 1 T 2 Legge di Charles o legge isobara a p cost V = K T

5 Legge di Gay-Lussac o legge isocora Sperimentalmente è stato trovato che, un campione di gas, a V costante, presenta un aumento di p pari a 1/273,15 della sua p a 0 C (p o ) per ogni aumento di T di 1 C p (T) = p o + p o /273,15. T p p o -273,15 T ( C) Introducendo la scala assoluta della T: T(K) = T( C) +273,15..esprimendo la T in K p si ha p(t) = p o /273,15. T cioè p = k T p = k T T (K) A volume costante, per una data quantità di gas, la pressione che questo esercita sulle pareti del recipiente è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta. Legge di Gay-Lussac o legge isocora a V cost p = K T p = p o 273 T P T T 1 2 (T 2 > T 1 ) T2

6 IL PRINCIPIO DI AVOGADRO Nelle stesse condizioni di T e di p, volumi uguali di gas contengono lo stesso numero di molecole Il volume occupato da una mole (volume molare) deve essere uguale per qualsiasi gas Misure sperimentali dimostrano che una mole di qualsiasi gas occupa, a 0 C e a 1 atm, un volume pari a 22,41 litri (volume molare) Le condizioni T = 0 C e p = 1 atm sono definite condizioni standard EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI Le osservazioni sperimentali di Boyle, Charles e Gay-Lussac Si considerino n moli di un gas alla pressione p o = 1atm e alla temperatura T o =273,15K. Il volume V o sarà dato da n. V m p = cost e T o T o / T o m T / T o T = cost e p o p pv = p o pv = p o V m n T p o,v m e T o sono quantità note e costanti pv = n R T T o R = p o.v m /T o R: costante universale dei gas

7 EQUAZIONE DI STATO DEI GAS IDEALI pv = n R T comportamento ideale. Possono considerarsi tali, condizioni di bassa p e alta T N.B. anche le leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac valgono per gas con comportamento ideale Il valore della costante R dipende dalle unità di misura che si scelgono per la p e il V: R = 0,0821 atm l K -1 mol -1 R = 8,31 J K -1 mol -1 Legge di stato dei gas ideali p V = n R T un gas se sono noti p, V e T. Essendo il numero di moli n = massa /PM p V = massa (g) PM R T molare di un gas se sono noti p, V, T e massa in g.

8 Si può risalire alla massa molare anche conoscendo la densità di un gas (d), p e T. Infatti di stato dei gas perfetti: n d m M m V m m P V R T; n M M m m P R T; d V M V d d R T P R T; M M P TEORIA CINETICA DEI GAS La teoria cinetica dei gas si propone di spiegare i dati sperimentali degli studi sui gas sulla base delle proprietà microscopiche di un sistema in fase gassosa Si fonda su alcuni postulati 1) Un gas è costituito da un numero enorme di molecole in moto rettilineo e disordinato 2) Le molecole possono considerarsi puntiformi tutto il V del recipiente è disponibile al moto delle molecole gli urti tra le molecole sono trascurabili 3) Gli urti delle molecole contro le pareti del recipiente sono elastici 4) Le forze intermolecolari sono trascurabili

9 TEORIA CINETICA DEI GAS CONCLUSIONI La teoria cinetica, sulla base di un semplice modello meccanico, - consente di derivare la relazione tra p V e T - dimostra la relazione tra E cinetica e T pv = 2 N m v m v 2 2 = E cin media m 2 v 2 = 3 K T 2 K (cost. di Boltzmann) = R/L La p esercitata dal gas sulle pareti del recipiente è proporzionale alla Energia cinetica media delle molecole. è proporzionale alla T assoluta. GAS REALI Il modello di gas considerato nella teoria cinetica corrisponde a quello di gas ideale : volume trascurabile delle molecole (molecole puntiformi) forze intermolecolari assenti. Il comportamento di un gas reale è approssimabile a quello ideale solo a basse p e ad elevate T. Per un gas reale le molecole hanno una dimensione finita ed esistono, anche se deboli, delle forze attrattive intermolecolari Equazione di stato per un gas reale ( p + a ) (V b) = R T V 2 b = covolume (V del gas) a = cost a/v 2 =tiene conto delle forze intermolecolari

10 Un gas si scioglie in un liquido solo se le sue molecole riescono a formare legami (anche se deboli) con le molecole del solvente. Una molecola di gas, per sciogliersi in un liquido, deve urtarne la superficie libera e penetrare in esso. Quanto più alta è la concentrazione del gas al di sopra del liquido, tanto più numerosi saranno gli urti e tante più molecole si scioglieranno. Poiché la pressione di un gas è direttamente proporzionale alla sua concentrazione risulta che: a temperatura costante, la solubilità di un gas in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione esercitata dal gas sul liquido (legge di HENRY) La solubilità di un gas diminuisce della temperatura che provoca un aumento cinetica delle molecole. GLI SCAMBI GASSOSI E LA RESPIRAZIONE Dalla legge di Henry deriva che se abbiamo una miscela di due gas, la solubilità di ognuno sarà proporzionale alla sua pressione parziale. che respiriamo ha una pressione parziale relativamente alta (158 mmhg) di O 2 e bassa (0.3 mmhg) di CO 2. Il sangue che giunge ai polmoni scioglie, quindi, molto O 2 e poca CO 2. Questo sangue, ricco di O 2, arriva ai capillari dove la pressione parziale 2 è molto bassa (6 mmhg) e quella della CO 2 abbastanza alta (47 mmhg). Il sangue rilascia 2 e scioglie la CO 2, tornando ai polmoni povero di O 2 e ricco di CO 2. A livello polmonare il sangue rilascia la CO 2, si ricarica di O 2 e riprende il circolo.

11 Gli scambi gassosi e la respirazione