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1 Cari soci, amici e simpatizzanti, dellANCEA nellambito del progetto chimica e ambiente stiamo sperimentando queste lezioni multimediali di chimica. Questa.

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Presentazione sul tema: "1 Cari soci, amici e simpatizzanti, dellANCEA nellambito del progetto chimica e ambiente stiamo sperimentando queste lezioni multimediali di chimica. Questa."— Transcript della presentazione:

1 1 Cari soci, amici e simpatizzanti, dellANCEA nellambito del progetto chimica e ambiente stiamo sperimentando queste lezioni multimediali di chimica. Questa è una lezione sui gas. Scopo di questa lezione è quello di aiutare gli alunni dei primi anni di università a svolgere degli esercizi di stechiometria come normalmente si fanno nei corsi universitari Appunto per questo le lezioni sono tenute ad un livello medio. Si rimanda ai testi consigliati dai docenti ed ai siti consigliati dalla nostra associazione per gli approfondimenti sugli argomenti qui esposti. Le lezioni hanno un carattere sperimentale e, al momento, pur essendo nel nostro sito, non sono pubbliche. Infatti non sono linkabili direttamente da nessuna pagina del nostro sito. lassociazione si auspica che i soci, i colleghi, gli studenti evoluti concorrano allottimizzazione delle lezioni. Noi finora abbiamo prodotto questa impaginazione utilizzando un programma molto diffuso: Power point E intenzione dellassociazione, qualora ci sia interesse e volontà di proseguire anche da parte di coloro a cui arriva questo messaggio, di rendere questo strumento multimediale uno strumento di soddisfazione anche economica per chi concorre al progetto.

2 2 Chi vuole approfondire questo metodo didattico, può avere da noi, nei limiti delle nostre capacità,un aiuto. Come siamo disponibili ad apprendere da chi sa più di noi. Su questa pagina iniziale appaio in un filmato mentre leggo questo messaggio. Poi, successivamen- te, si sentirà solo una voce elettronica o la voce del docente che non seguirà più lo scritto che comunque ci sarà come testo di riferimento. Questo, per aumentare la concentrazione sugli scritti, i diagrammi e gli esercizi. Naturalmente tutti questi strumenti multimediali avranno una validità nella didattica, solo se linsegnamento sarà seguito direttamente dal docente e ci sarà un continuo travaso fra docente ed alunno. Questo, si farà diretta-mente, nel caso che il docente sia facilmente raggiungibile, consigliando lalunno a prendere contatto con il docente. Se ciò non sarà possibile, utilizzando la teleconferenza. Gli alunni saranno monitorati continuamente per posta elettronica Queste lezioni per ovvi motivi appariranno incomplete su internet. Solo se raggiungeranno un sufficiente grado di commercia- lizzazione saranno inviate complete. Giancarlo Capobianco

3 3 GAS le sostanze aeriformi si distinguono in gas e vapori. Si definisce gas una sostanza aeriforme al di sopra della sua temperatura critica. Si definisce vapore una sostanza aeriforme al di sotto della sua temperatura critica. La temperatura critica è una temperatura caratteristica di ogni aeriforme al di sopra della quale, pur aumentando la pressione, GPL non si riesce ad ottenere che laeriforme diventi liquido. Viceversa, comprimendo una sostanza aeriforme che sta sotto la temperatura critica, si può renderla liquida facilmente. Ad esempio La differenza di stato fra due tipi di combustibile da autotrazione come il metano ed il gpl è dovuta al fatto che il metano è contenuto in bombole spesse ad alta pressione sotto forme di gas (t.C -82,5 molto bassa rispetto alla t ambiente), mentre il Gpl è una miscela di sostanze che hanno temperature critiche molto più alte della t ambiente ed è contenuta in forma liquida nelle bombole compresse ma meno spesse ad una pressione poco più alta della pressione atmosferica 3 PAG T.C Temperat25° ambiente CH4 -82°

4 4 IL SISTEMA DI UTILIZZO DEL GAS NATURALE. Il gas naturale (GN), che viene estratto dai luoghi di produzione è in genere una miscela di metano, anidride carbonica, acqua, acido solfidrico. Esso prima viene purificato ed arricchito in metano, togliendo acqua anidride carbonica, sostanze solforate e mercurio, poi viene raffreddato e liquefatto (GNL) a temperature molto basse ed immesso in navi metaniere, navi coibentate che durante il trasporto, lo mantengono ad una temperatura molto bassa al disotto della temperatura critica che, come abbiamo visto, è gradi centigradi. Quindi viene trasportato sottoforma di GNL con queste navi fino ai rigassificatori. Qui viene di nuovo trasformato in gas ed immesso nella rete di distribuzione nazionale. Questo sistema è in uso in molti paesi. Ad esempio in Italia cè in Liguria il rigassificatore di Panigaglia* a cui approdano navi metaniere. In Italia abbiamo bisogno di molti altri rigassificatori per utilizzare il gas naturale. Al momento ne sono stati previsti alcuni, ma difficoltà dovute allimpatto ambientale ed a problemi con le popolazioni ne differiscono la installazione. Come si è visto la temperatura critica dei gas è una caratteristica su cui ruota la vita di tutti i giorni. Non solo nellautotrasporto, ma anche nellutilizzo del gas per la nostra cucina. Elettra: socia ANCEA (voce elettronica) *

5 5 Con la nostra immaginazione, in prima approssimazione, possiamo immaginare un gas contenuto in un recipiente come un insieme di molecole che si muovono disordinatamente ad una certa velocità e che cambiano direzione e velocità ad ogni urto fra di loro e/o con le pareti del recipiente. Sempre in prima approssimazione possiamo considerare la velocità media delle molecole correlata con la temperatura del gas. Più è alta la temperatura, più le molecole si muovono velocemente e con maggior forza urtano le pareti che quindi sono sottoposte a maggior sforzo o pressione. 5 PAG

6 6 Quindi la pressione è la forza che le molecole esercitano sulle pareti del recipiente è indicata con P. Il volume è un altro parametro che consideriamo quando parliamo di un gas contenuto in un recipiente. Lo chiamiamo V. La temperatura è un altro parametro dello stato di un gas e nel nostro modello immaginario è correlatoalla velocità quadratica media delle molecole e si indica con t e con T la temperatura assoluta o in gradi kelvin. Della temperatura assoluta parleremo in altra parte del corso qui diciamo solamente che T=t° centigradi In prima approssimazione considerando sempre il modello immaginario possiamo dire che la temperatura assoluta è correlata alla u velocità (quadratica media) delle molecole e siccome mentre la materia si raffredda la velocità diminuisce, si può arrivare ad un punto in cui le molecole restano ferme. Ebbene questo punto è lo zero assoluto. Al di sotto di questo punto non si può andare perché non si può immaginare una velocità inferiore a quella in cui le molecole sono ferme 6 PAG u= 3RT/M R= cost T=temperatura M=Peso M.

7 7 I punti fissi della scala Celsius o centigrada sono: 0° gradi centigradi, punto di congelamento dellacqua, Qui la temperatura assoluta è di 273 K, e 100°,punto di ebollizione dellacqua e la temperatura assoluta è di 373 K. Cè poi la quantità di molecole o atomi o ioni contenuti nel recipiente e questa quantità viene indicata con n in cui n indica il numero di grammomolecole, grammoatomi o grammo-ioni presenti nel Recipiente. Questi 4 Parametri cioè grandezze chimico-fisiche che si possono MISURARE mediante degli strumenti ed esprimere con delle unità di misura sono correlate fra di loro da una equazione MATEMATICA della legge che descrive landamento dei quattro parametri. Questo andamento studiato da diversi scienziati del diciottesimo secolo è espresso con diverse leggi. Queste leggi possono essere scritte insieme in questultima legge fondamentale dei gas. La equazione MATEMATICA che descrive quindi la legge fondamentale dei gas è PV=nRT 7 PAG T strumento termometro U=T°=K P strumento manometro U=Atm Volume dimensioni recipiente U=M 3 N numero di moli

8 8 PV=nRT Nellequazione su riportata, per avere dei risultati esatti bisogna esprimere le grandezze nelle unità di misura coerenti fra di loro come quelle di seguito descritte. P in Atmosfere V in litri n in numero di grammomoli o moli o numero di grammoioni o numero di grammoatomi a secondo che il gas sia sottoforma di molecole, di atomi o di ioni e T in gradi K. In questo caso R (costante dei gas) è uguale a 0,082 litri atm/moli gradi Facciamo un rapido excursus Circa le unità di misura: PressioneLa pressione ha le dimensioni di una forza su una superficie quindi. Nel SI si misura in newton su m 2 e questa Unità si chiama Pascal. Il Pa E una unità molto piccola. Un multiplo del Pa è il Bar che vale 10 5 Pa cioè pascal. Lunità più usata è latmosfera che è la pressione atmosferica al livello del mare essa fu misurato da Torricelli nel noto esperimento in 760 mm di Hg. Una altra unità di misura è il Torr o mm di Hg. Un atmosfera equivale a 760 torr. 1 atmosfera equivale a pascal poco più di 1 Bar 8 PAG

9 9 PAGINA muta e DA STUDIARE Altri parametri ed unità di misura La temperatura negli esercizi si esprime sempre in gradi Kelvin, quindi se abbiamo la temperatura espressa come gradi °C bisogna riportarla a K°. Il volume si esprime in litri e sottomultipli oppure in m 3 e sottomultipli. Si ricorda che 1 litro equivale approssimativamente a 1 dm 3 Numero di particelle generalmente si trova dividendo il numero di grammi del gas per il peso molecolare o per il peso atomico o per il peso dello ione. Vediamo come si trasforma lequazione PV=nRT =m/MRT M= al peso in grammi della gas Valore di R è = a l atm/molK se si esprime Pin atm, T in K° e V in litri, m in grammi. invece R= 8,31 J/molK se P si esprime in N/M 2, V in m 3, m in Kg

10 10 Moltiplica * per * ed ottieni il Valore in nuove U di misura atmosferatorrPa o N/m 2 bar atmosfera torr 1/760= Pa o N/m 2 bar Esempi :Quanti torr sono 1.2 atmosfere? 1.2 atm= 1.2 X 760 = 912 torr Quanti Pa sono 1.2 atmosfere? 1.2 atm= 1.2 X = Pa Quante atm sono torr? torr= X = atm Per esercizio completa la tabella PAGINA DA STUDIARE E FARE ESRCIZIO 10 PAG

11 11 Problemi sui gas dai facili ai + difficili Un gas contenuto in un cilindro munito di pistone viene riscaldato isobaricamente fino a raddoppiare il volume.La temperatura iniziale del gas è 20°C calcolare la T finale Per mantenere il gas alla stessa pressione è sufficiente far espandere il cilindro. Infatti in tutti e due gli stati, quello di partenza e quello di arrivo, la pressione a cui è sottoposto il gas è la stessa perché al gas si oppone nei due casi la pressione determinata dalla pressione esterna al cilindro e quella determinata dal peso del pistone. Per cui Pint1=Pest + P pist. = Pint 2 ; quindi P1=P2. Applicando quindi in tutte e due gli stati PV=nRT Otteniamo: P 1 =nRT 1 /V1 e P 2 =nRT 2 /V 2 Dal momento che P 1 e P 2 sono uguali queste due equazioni si possono eguagliare e si ottiene: nRT 1 /V1=nRT 2 /V2. Poiché il numero di moli è uguale nei due stati ed R è uguale nei due stati. Otteniamo:T 1 /V 1 =T 2 /V 2 Siccome V 2 =2V 1 otteniamo che T 2 =T 1 2V 1 /V 1 Quindi T 2 =2T 1 = 2.293K°= 586 K° ; 313C°

12 Salvi per miracolo! I nostri intrepidi in mongolfiera, se avessero saputo risolvere il problema qui sotto esposto, non avrebbero rischiato la vita Probl.2 sulla densità assoluta dei gas Si può esprimere d la densità in vari modi. Dal momento che la d=m/V e dal momento che PV=nRT e dal momento che n=m/M si può scrivere che PV=mRT/M ; da cui V=mRT/MP. Per cui d= mMP/mRT eliminando m al numeratore ed al denominatore d=MP/RT Quindi la Soluzione è d O2 = 32x1/(0.0821x293) = 1.33 g/l d N2 = 28x1/(0.0821X293)=1.16 g/l Se laria è composta dall80% di azoto e dal 20 %di ossigeno, quanto pesano 400m 3 di aria spostata da un aerostato gonfiato ad idrogeno? Dalla navicella hanno buttato un sacco di sabbia per galleggiare. E ce lhanno fatta! Ma tu i calcoli avresti dovuto farli prima! Quanto peso può sopportare senza precipitare considerando che linvolucro e navicella pesano complessivamente 140 kg? Rispondi tu!

13 13 La forza che spinge in alto il pallone è dovuta alla spinta di Archimede che recita: ogni corpo riceve una spinta dal basso verso lalto pari al peso del fluido spostato. Siccome il peso del fluido spostato è il peso dellaria spostata vediamo quanto pesa. Laria è formata da una miscela di Ossigeno e azoto al 20% ed all80% rispettivamente. Quindi: 1.33 x x0.80=1.19g/l = densità aria spinta verso lalto 1.19x400000litri = g = 477kg La spinta verso il basso è dovuta al peso dellH2 più peso dellinvolucro e navicella H2= d=MP/RT = 2x1/0.0821X293 = 0.083g/l 0.083g/lx400000l= g= 33,256 kg Peso dellinvolucro+navicella= 140kg Quindi abbiamo spinta verso lalto 477 kg spinta verso il basso kg+140 kg = kg = kg Che in quelle condizioni è il peso che si può caricare sul pallone senza che questo superi i 477 Kg e precipiti. In questo caso evidentemente era stato caricato di più tanto che è stato necessario gettare una parte del carico

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