Le leggi dei gas sono 3: Boyle, Charles, Gay-Lussac
Il gas
Un gas è fatto da atomi e molecole che si agitano in spazi vuoti.
Gli atomi e le molecole interagiscono, attraendosi o respingendosi, per cui l’urto delle molecole comporta una variazione dell’energia cinetica degli atomi e delle molecole.
Nella testa degli scienziati ci sono anche i gas ideali, ma se sono solo nella testa, perché ne parliamo ?
Il gas reale quando è ideale?
Finché la pressione e la temperatura non raggiungono certi limiti, i gas reali si comportano come gas ideali, cioè seguono le tre leggi di Boyle, Charles, Gay-Lussac.
Gas ideale o perfetto
Il gas ideale non esiste, ma esistono i gas reali che si comportano in modo più o meno simile all’ideale.
Il gas ideale è composto da molecole puntiformi che non reagiscono fra loro.
Il gas ideale è un punto infinitamente piccolo, quindi senza volume.
Nel gas ideale le particelle di gas si muovono disordinatamente in tutte le direzioni.
Nel gas ideale l’energia cinetica, e quindi il suo movimento, dipende solo dalla temperatura.
Il gas ideale liquefa, cioè cambia stato, solo se scende la temperatura, è insensibile alla pressione.
Le leggi dei gas ideali
Le tre leggi dei gas ideali sono:
la legge di Boyle e Mariotte del 1662 o Isoterma della temperatura costante,
la legge di Charles–Volta o prima legge di Gay-Lussac del 1802 o isobara della pressione costante,
la legge di Amontons–Volta o seconda legge di Gay-Lussac del 1802 o Isocora del volume uguale.
Le tre leggi sono state costruite partendo dai gas reali molto rarefatti, ma man mano che la concentrazione aumenta, la realtà si allontana dall’idealità.
La legge di Boyle: isoterma
A temperatura costante, la pressione è inversamente proporzionale al volume, cioè aumento la pressione e diminuisce il volume….
Pressione x Volume = costante
La legge di Boyle o equazione della trasformazione isoterma.
La legge di Charles: isobara
A pressione costante, il volume è direttamente proporzionale alla temperatura, cioè aumento la temperatura e aumenta il volume….
Quindi allo zero assoluto (-273,15 °C) il gas ha zero volume, cioè diventa liquido.
Nella realtà vediamo a che l’azoto liquefa a -196°C, l’idrogeno a -253°C e l’elio a -269°C.
L’elio è il gas che più si avvicina a quanto ha idealizzato dalla legge di Charles.
Volume/Temperatura = costante
La legge di Charles o equazione della trasformazione isobara.
La seconda legge di Gay-Lussac: isocora
A volume costante, la pressione è direttamente proporzionale alla temperatura, cioè aumento la pressione e aumenta la temperatura….
Pressione/Temperatura = costante
La seconda legge di Gay-Lussac o equazione della trasformazione isocora.
Le 3 leggi dei gas prevedono il comportamento di un gas ideale, che essendo ideale non esiste, infatti quanto più ci avviciniamo alle condizioni limite le tre leggi non funzionano più.
Allora è il caso di vedere cosa si intende per gas ideale.
Il volume occupato da un gas
Le dimensioni della molecola e la massa non contano nulla nel definire il volume di un gas.
Il volume di un gas dipende solo dalla distanza tra una molecola e un’altra dello stesso gas.
La distanza tra due molecole dipende solo dalla temperatura che mette in agitazione le molecole.
In gas diversi, alle medesime condizioni di temperatura e pressione, gli atomi e le molecole sono sempre alla medesima distanza fra loro.
Quindi in uno stesso volume ci sta lo stesso numero di molecole o atomi diversi, si è aperta la strada al numero di Avogadro e poi al concetto di mole.
La legge della combinazione dei volumi di Gay-Lussac
Gay-Lussac scoprì che in tutte reazioni chimiche tra sostanze gassose, i volumi di tali differenti gas sono in rapporti costanti di piccoli numeri interi.
Il passaggio successivo l’ha fatto Avogadro nel 1811, ma la sua intuizione fù presa per buona solo nel 1860.
Il 1° principio di Avogadro
Volumi uguali di gas diversi nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione contengono lo stesso numero di molecole.
Il numero di atomi o molecole è 6 x 10 alla 23°, contenute in un volume di 22,4 litri, le condizioni sono temperatura 0°C e pressione atmosferica.
Quella appena descritta è la mole.
Una mole contiene 6 x 10 alla 23° molecole. Per non avere più dubbi possiamo dire:
in 22,4 litri troviamo 6 x 10 alla 23° molecole di H2, O2, H2O, …
Es se a 0°C e 1 bar, metto insieme 22,4 litri di idrogeno (H2) e 11,2 litri di ossigeno (O2) ottengo 22,4 litri di acqua.
Da adesso il concetto di mole ci accompagnerà sempre nelle reazioni chimiche.
Il volume di 22,4 litri è quello occupato da 1 mole di qualunque gas alle condizioni standard, questa precisazione apre la strada alla costante universale dei gas.