GAS: caratteristiche fondamentali aos; (1603) I postulati fondamentali: 1) Le molecole sono in continuo movimento; 2) Il calore è una manifestazione di questo moto; Il moto browniano (1827) costituisce un indizio che le particelle sospese in un liquido o in un gas sono in continuo movimento Assunzioni generali riferite ai gas ideali: Il volume delle molecole è nullo rispetto al volume occupato dal gas Le particelle di gas non si attraggono né si respingono Le molecole di gas sono in continuo movimento; gli urti tra di loro e contro le pareti del recipiente non producono perdita netta ma solo trasferimento di energia Le molecole di gas hanno velocità diversa (energia cinetica); la energia cinetica media è funzione della temperatura assoluta

Il volume delle molecole è nullo rispetto al volume occupato dal gas Quindi il volume di un gas è “spazio vuoto” occupato da molecole in movimento continuo che esercitano una certa pressione urtando continuamente contro le pareti del recipiente, in funzione della temperatura; La temperatura fornisce una misura quantitativa della velocità media delle molecole FILM Il volume delle molecole è nullo rispetto al volume occupato dal gas 1 mole = 22.412 litri; 1 mole = 6.02 x 1023 particelle In un mL quante particelle ci sono? Quale è lo spazio occupato da una singola particella? In base alle dimensioni della molecola di ossigeno la distanza tra due particelle è 37 x 10-8 cm; 13 volte il diametro molecolare: 99.96% del volume occupato dal gas è vuoto Le particelle di gas non si attraggono né si respingono: Tutti i gas compressi sono vivacemente espansibili e tendono ad occupare tutto Lo spazio a loro disposizione

In ogni sistema esisterà una distribuzione statistica Le molecole di gas sono in continuo movimento; gli urti tra di loro e contro le pareti del recipiente non producono perdita netta ma solo trasferimento di energia Le molecole di gas hanno velocità diversa (energia cinetica); la energia cinetica media è funzione della temperatura assoluta In ogni sistema esisterà una distribuzione statistica della energia cinetica Negli urti c’è trasferimento elastico di energia, senza annichilimento, e quindi variazioni della velocità delle singole particelle, senza perdita netta di energia del sistema, sono in continuo succedersi l’una all’altra A T costante l’energia cinetica media o totale non varia pur variando i contributi delle singole particelle (1010 urti x sec-1) Fraz. Mol. Ener. Cin. 0 °C 1250 °C

Qual’ è l’importanza di questa relazione ? (1) derivata da grafico precedente (2) Da (1) si può derivare: In (2) NE corrisponde al numero di moli, tra N moli, che possiedono a quella temperatura assoluta, energia cinetica uguale o superiore ad E Questa legge elaborata da Maxwell secondo metodi statistici è stata confermata valida anche per la meccanica quantistica da Boltzmann

1) Passaggi di stato 2) Equilibrio chimico 3) Cinetica chimica La legge di Maxwell-Boltzmann ha avuto una profonda influenza nello sviluppo della Chimica moderna per l’interpretazione di: 1) Passaggi di stato 2) Equilibrio chimico 3) Cinetica chimica f(v) V, Km/sec 1.0 2.0 1.0e-5 2.0e-5

Relazione tra Energia cinetica e Temperatura Relazione non dimostrata Questa relazione dà una immagine fisica della temperatura, definendo l’energia cinetica molare una funzione lineare della temperatura assoluta Temperatura = Traslazione di molecole

L’energia cinetica di un gas è Relazione tra Energia cinetica e Temperatura Cioè ad ogni grado di temperatura corrisponde un 3/2 k di aumentata Energia cinetica L’energia cinetica di un gas è funzione solo della temperatura assoluta Questa è la legge osservata empiricamente da Boyle nel 1660

Boyle: A T costante, se diminuisce V aumenteranno nell’unità di tempo gli urti contro le pareti e quindi la pressione misurata Charles e Gay-Lussac: per innalzamenti della temperatura un gas aumenta la propria Em e quindi la pressione aumenta se P tende a mantenersi costante -ad es. un palloncino- il gas si espande occupando un maggior volume Film 5 °C 20°C 50 °C Dalton: i gas non si attraggono né si respingono a livello delle loro particelle elementari, quindi ciascuna di esse urta contro le pareti del recipiente come se fosse sola

Lo stato gassoso è comprimibile temperatura o pressione temperatura Gas Liquido Solido temperatura o pressione temperatura Lo stato gassoso è comprimibile Lo stato liquido e lo stato solido non sono comprimibili

I parametri che definiscono lo stato gassoso sono Pressione: forza esercitata sulla superficie P = Forza/Area = Kg/cm2 mm Hg o torr Pascal (Pa): 1 newton/ 1 m2 atmosfera 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr 1 atm = 1,01325 x 105 Pa La pressione di un gas trae origine dagli urti delle molecole contro le pareti di un recipiente • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Calore: trasferimento dell’energia da una regione a temperatura superiore a quella a temperatura inferiore 1 caloria (cal): energia necessaria ad innalzare di 1°C la temperatura di 1 g di acqua 1 cal = 4,184 joule; 1 joule (J) = 0,24 cal Volume: misura di una definita porzione di spazio Temperatura: misura della tendenza del calore ad abbandonare un corpo

Le leggi che regolano il comportamento dei gas stabiliscono una relazione tra i valori di Pressione, Volume e Temperatura Legge di Boyle (isoterma): comprimendo un gas a temperatura costante la pressione aumenta La diminuzione di volume comporta un aumento degli urti e quindi della pressione • • • • • • • • • • • • • • • • • • P V (PV = k)T • • • • • • • • • • • • • • • •

La legge di Boyle (PV=k)T e la respirazione INSPIRAZIONE ESPIRAZIONE l’aria esce dai polmoni l’aria entra nei polmoni La gabbia toracica si espande (aumento di volume) La gabbia toracica si contrae (diminuzione di volume) il diaframma si contrae e si abbassa la pressione dell’aria nei polmoni diminuisce il diaframma si rilascia e si solleva la pressione dell’aria nei polmoni aumenta

Legge di Charles (isobara): a pressione costante volume e temperatura di un gas sono direttamente proporzionali. (1787) L’aumento della temperatura, a pressione costante, induce un aumento della velocità media delle molecole del gas con conseguente aumento degli urti -273°C = 0 K t,°C V liquefazione V= cost x T

Legge di Gay-Lussac (isocora): a volume costante pressione e temperatura di un gas sono direttamente proporzionali L’aumento della temperatura, a volume costante, induce un aumento della velocità media delle molecole del gas con conseguente aumento degli urti: se il volume rimane costante la pressione aumenta -273° C = 0 K T, K P

Legge di Avogadro Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole Volumi e numero di moli nelle stesse condizioni di temperatura e pressione sono direttamente proporzionali (V / n = costante)T,P Il volume occupato da 1 mole di qualsiasi gas a 0°C e 1 atm è = 22,4 litri Alcuni gas reali: Idrogeno= 22430 mL; Azoto= 22402 mL; Ossigeno= 22390 mL; Anid. carbonica= 22260 mL Metano= 22090; Ammoniaca= 22060 mL;

Legge di Dalton (legge delle pressioni parziali, 1801) Una miscela di gas che non interagiscono tra loro (ideali) si comporta come un gas puro La Pressione totale P è data dalla somma delle pressioni parziali (p) pA P= pA + pB pB • • • • • • • • • • • La pressione parziale di un gas è quella che eserciterebbe se si trovasse da solo In una miscela gassosa ciascun gas esercita una pressione proporzionale al n° di molecole di quel gas L’aria atmosferica è una miscela gassosa contenente 78% azoto (N2), 21% ossigeno (O2), 0,93% Argon (Ar), 0,03% anidride carbonica (CO2)

L’aria atmosferica è una miscela gassosa contenente 78% azoto (N2), 21% ossigeno (O2), 0,93% Argon (Ar), 0,03% anidride carbonica (CO2) La pressione parziale di ossigeno (pO2) al livello del mare è: 1 atm = 760 mmHg; pO2 = 21% di 760 pO2 = 21/100 x 760 pO2 = 160 mmHg Torneremo su questa relazione

EQUAZIONE DI STATO DEL GAS IDEALE Riunisce in una unica espressione le tre variabili che definiscono lo stato di una quantità di gas: pressione, volume, temperatura e n (moli)

Legge delle pressioni parziali o di Dalton PxV=nxRxT Dividendo ciascuna singola eq di stato per la globale

La conversione di R nelle diverse unità di misura R = 0.0824 L x Atm x K-1 x moli-1 R = energia x K-1 x moli-1 R = 1.987 cal x K-1 x moli-1 R = 8.314 joule x K-1 x moli-1