Leggi dei Gas e le Loro Applicazioni
I gas sono caratterizzati dalla loro capacità di adattarsi al volume e alla forma del recipiente che li contiene. Il comportamento fisico dei gas è determinato da quattro grandezze fondamentali: la quantità di gas (numero di moli), il volume occupato, la temperatura e la pressione.
Indice Articolo
Legge di Boyle
Prima Legge di Gay-Lussac
Seconda Legge di Gay-Lussac
Equazione di Stato dei Gas
Equazione Combinata dei Gas
Densità dei Gas
Legge di Dalton
- Formule e Calcoli
- # Calcolo del peso molecolare di un gas
- # Variazione di volume a temperatura costante
- Esercizi Svolti
- # 1) Calcolo del volume in variazione di temperatura
- # 2) Calcolo della pressione in un sistema reattivo
- Calcoli delle pressioni parziali dei gas in chimica
- # Esempio 1: Cl2 e PCl5
- # Esempio 2: H2 e O2 a diverse temperature
- # Esempio 3: O2 e NH3 a 850 °C
Legge di Boyle
La legge di Boyle descrive il comportamento di un gas a temperatura costante. Se un gas passa da una certa pressione e volume iniziali a una diversa pressione e volume, il prodotto della pressione e volume rimarrà costante.
Prima Legge di Gay-Lussac
La prima legge di Gay-Lussac riguarda il comportamento di un gas a pressione costante. In queste condizioni, il rapporto tra volume e temperatura iniziali sarà uguale al rapporto tra volume e temperatura finali.
Seconda Legge di Gay-Lussac
La seconda legge di Gay-Lussac riguarda il comportamento di un gas a volume costante. In queste condizioni, il rapporto tra pressione e temperatura iniziali sarà uguale al rapporto tra pressione e temperatura finali.
Equazione di Stato dei Gas
L’equazione di stato dei gas mette in relazione pressione, volume, temperatura e numero di moli del gas ed è espressa dalla formula generale pV = nRT, dove R è la costante dei gas.
Equazione Combinata dei Gas
Se un gas cambia pressione, volume e temperatura senza variazioni nel numero di moli, la relazione pV/T sarà costante durante la trasformazione.
Densità dei Gas
La densità di un gas può essere calcolata considerando il peso molecolare del gas e la pressione, il volume e la temperatura a cui si trova, attraverso la formula d = PM * p / RT.
Legge di Dalton
La legge di Dalton riguarda le pressioni parziali di gas che compongono una miscela non reattiva. La pressione parziale di un gas in una miscela è la pressione che il gas avrebbe se occupasse da solo l’intero volume della miscela alla stessa temperatura.
Queste leggi e formule forniscono le basi per comprendere e prevedere il comportamento dei gas in diverse condizioni, svolgendo un ruolo importante in diversi settori scientifici e industriali.
L’equilibrio di un sistema gassoso è regolato dalla somma delle pressioni parziali dei gas presenti, che si può esprimere con l’equazione p = p1 + p2 +… + pn. Consideriamo un sistema formato da due gas, A e B, con pressioni parziali pA e pB, e rispettivamente nA e nB moli. La relazione tra le pressioni parziali e il numero di moli è data da pA/pT = nA /nT.
Formule e Calcoli
# Calcolo del peso molecolare di un gas
Per determinare il peso molecolare di un gas che esercita una pressione di 0.892 atm in un contenitore da 5.00 L a 15°C, con densità di 1.22 g/L, eseguiamo i seguenti passaggi:– Convertiamo la temperatura in Kelvin: T = 273 + 15 = 288 K
– Applichiamo l’equazione di stato dei gas (pV = nRT) per calcolare il numero di moli n: n = pV/RT = 0.892 ∙ 5.00/ 0.08206 ∙ 288 = 0.189
– Calcoliamo la massa totale di 5.00 L di gas: massa = 1.22 g/L ∙ 5.00 L = 6.10 g
– Calcoliamo il peso molecolare: peso molecolare = 6.10 g / 0.189 mol = 32.3 g/mol.
# Variazione di volume a temperatura costante
Per determinare il volume di un gas (partito da 25.0 mL) portato da 22°C a 0°C a pressione costante, utilizziamo la legge di Gay-Lussac: V1/T1 = V2/T2. Eseguiamo i calcoli e otteniamo che il nuovo volume sarà di 23.1 mL. Esercizi Svolti
# 1) Calcolo del volume in variazione di temperatura
Data una variazione da 22°C a 0°C, il volume di gas inizialmente a 25.0 mL diventa 23.1 mL. # 2) Calcolo della pressione in un sistema reattivo
Per un campione di PCl5 iniziale di 10.73 g, a 200°C e 4.00 L, calcoliamo:– La pressione iniziale prima di una reazione: 0.4993 atm
– La pressione parziale di Cl2 dopo la reazione: 1.25 atm.
Nell’esempio presentato si dimostra come la termodinamica e le leggi dei gas possano essere applicate per risolvere vari scenari legati ai gas.
Calcoli delle pressioni parziali dei gas in chimica
Nel seguito, verranno esaminati alcuni esempi di calcoli delle pressioni parziali dei gas in chimica attraverso reazioni chimiche bilanciate.
# Esempio 1: Cl2 e PCl5
Consideriamo una reazione chimica in cui sono presenti 0.02573 moli di Cl2 e si forma 0.02573 moli di PCl5. Le moli totali delle specie coinvolte sono 0.07719. Utilizzando la legge di Dalton e i dati noti, la pressione parziale del Cl2 risulta essere di 0.4167 atm.
# Esempio 2: H2 e O2 a diverse temperature
In un recipiente con un volume di 100.0 L vengono aggiunti 2.00 g di idrogeno e 19.2 g di ossigeno. Dopo la reazione, con una temperatura di 38.0 °C, la pressione risulta essere di 0.281 atm. Se la temperatura aumenta a 77.0 °C, la nuova pressione calcolata attraverso la legge di Gay-Lussac è di 0.316 atm.
# Esempio 3: O2 e NH3 a 850 °C
In un contenitore vengono poste 1.0 moli di ossigeno e 2 moli di ammoniaca che reagiscono a 850 °C secondo la reazione bilanciata. Calcolando le pressioni parziali dei gas presenti, la pressione parziale di NH3 risulta essere di 1.875 atm, mentre quella di O2 è di 1.25 atm, entrambe contribuendo alla pressione totale di 5.00 atm.
Nella chimica dei gas, i calcoli delle pressioni parziali sono fondamentali per comprendere le proprietà dei gas e le reazioni chimiche che coinvolgono più specie gassose. Mediante leggi come la legge di Dalton e la legge di Gay-Lussac, è possibile determinare con precisione le pressioni parziali dei gas in un sistema gassoso in equilibrio.
