CCS - Biologia CCS - Fisica I gas e loro proprietà. I liquidi e loro proprietà

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1 CCS - Biologia CCS - Fisica I gas e loro proprietà 1 I liquidi e loro proprietà

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 proprietà dei sistemi gassosi possono essere descritte con equazioni matematiche. Le equazioni mettono in relazione V = volume del gas (L) T = temperatura (K) n = quantità di sostanza (mol) P = pressione (atmosfere) 1 atm = 765 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 P 1 V La legge di Boyle PV cost. (quando n e T sono costanti) per una data quantità di gas a temperatura costante, il volume del gas è inversamente proporzionale alla sua pressione 6 P 1 V 1 cost. P 2 V 2 (n e T costanti)

7 Legge di Charles 7 V T V b T Il volume di una data quantità di gas a pressione costante è direttamente proporzionale alla temperatura Kelvin (assoluta) V(T) V 0 x (1 αt); V volume del gas alla T 0 C

8 La legge di Avogadro 8 Il volume molare, V m è il volume occupato da una mole di molecole V m V/n Volumi molari Gas ideale Argon Biossido di carbonio Azoto Ossigeno Idrogeno mol gas L gas (a STP) Ad una data temperatura e pressione, il volume di un gas è direttamente proporzionale alla sua quantità V n e V c n

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 = (0.98 atm)(2.7 x 10 4 L) ( L atm/k mol)(298 K) 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? Strategia: Calcolare le moli 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 g H 2 O 2 1 mol 34.0 g = mol mol H 2 O 2 1 mol O 2 2 mol H 2 O 2 = mol O 2 P of O 2 = nrt/v = (0.016 mol)( L atm/k mol)(298 K) 2.50 L P di O 2 = 0,016 atm Vi sono il doppio di moli di H 2 O rispetto ad O 2. P è proporzionale ad n. Perciò, P di H 2 O è il doppio di quella di O 2. P di H 2 O = atm

14 14 Gas e Stechiometria Volume Molare 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 1atm x V M = 1 mol x 0,082 (L atm/mol K) x 273,1 K V M = 22,414 L

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: PA V = n A R T da cui PA = n La pressione totale può essere scritta: P = A RT V RT RT PA + PB +... = n A + n B +... = (n A + n B + V V...) RT V numero totale di moli= n P = n RT V

17 Nota la pressione totale e la composizione di una miscela di gas le pressioni parziali sono 17 PA = X A P PB = X B P... da cui PA PB X A = X B = XC = P P P C P La somma di tutte le frazioni molari dei componenti di una miscela è pari a 1

18 Legge di Dalton delle Pressioni Parziali 18 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

19 COMPOSIZIONE DELL ARIA SECCA 19 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

20 Deviazioni dalla Legge dei Gas Ideali 20 Le molecole reali possiedono un volume proprio e interagiscono. Altrimenti un gas non potrebbe liquefare. 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

21 Deviazioni dalla Legge dei Gas Ideali 21 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

22 22 DIFFUSIONE ed EFFUSIONE dei GAS Bromo(l) DIFFUSIONE: mescolamento di due o più gas dovuto ai movimenti molecolari 2009 Brooks/Cole - Cengage

23 EFFUSIONE: movimento di un gas attraverso una fessura per effetto di una differenza di pressione. 23 Viene espressa come una velocità: mol/tempo ed è proporzionale alla T ed inversamente alla Massa molare del gas 2009 Brooks/Cole - Cengage

24 Proprietà dei Liquidi Brooks/Cole - Cengage I liquidi hanno volume proprio ed assumono la forma del contenitore I liquidi sono quasi incomprimibili le molecole sono in moto continuo vi sono apprezzabili forze intermolecolari le molecole sono vicine l una all altra

25 I Liquidi 25 Le due proprietà principali sono: L EVAPORAZIONE ed il suo processo opposto la CONDENSAZIONE LIQUIDO Evaporazione + energia Per rompere i legami Intermolecolari VAPORE 2009 Brooks/Cole - Cengage energia Formazione legami Intermolecolari Condensazione

26 26 Per evaporare, le molecole devono possedere una energia minima da poter rompere i legami intermolecolari 2009 Brooks/Cole - Cengage

27 La distribuzione delle energie molecolari in fase liquida 27 Energia minima necessaria per vincere le forze intermolecolari A Temperature più elevate un numero maggiore di molecole ha energia sufficiente per rompere i legami Intermolecolari e passare dallo stato liquido a vapore Brooks/Cole - Cengage

28 Pressione di vapore 28 In un recipiente chiuso, le molecole che evaporano esercitano una pressione che rimane costante quando la velocità di evaporazione e condensazione diventano uguali. La pressione di vapore aumenta con l aumentare della temperatura Brooks/Cole - Cengage

29 Pressione di Vapore Brooks/Cole - Cengage

30 1 atm Le curve mostrano tutte le condizioni di P e T in cui LIQ e VAP sono in EQUILIBRIO 2. La pressione di vapore (P Vap ) aumenta con T. 3. Quando P Vap P esterna, il liquido bolle Brooks/Cole - Cengage

31 Liquidi 31 Se P est = 760 mm Hg, T di ebollizione è il PUNTO di EBOLLIZIONE NORMALE La pressione di vapore di una data molecola ad una data T dipende dalle forze intermolecolari. ether O H 5 C 2 C 2 H 5 dipoledipole alcohol O H 5 C 2 H H-bonds water O H H extensive H-bonds Forza crescente delle interazioni IM 2009 Brooks/Cole - Cengage

32 Capillarità 32 La risultante delle forze di interazione molecolare su una molecola è denominata forza di coesione (se si sviluppa fra molecole identiche) o forza di adesione (se si sviluppa fra molecole diverse). forze di coesione tengono insieme le sostanze forze di adesione fanno attrarre sostanze diverse (acqua su vetro) 2009 Brooks/Cole - Cengage Effetti della capillarità sull acqua e mercurio