Cari soci, amici e simpatizzanti, dell’ANCEA
nell’ambito 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.
l’associazione si auspica che i soci, i
colleghi, gli studenti evoluti concorrano
all’ottimizzazione delle lezioni. Noi finora
abbiamo prodotto questa impaginazione
utilizzando un programma molto diffuso:
Power point 2003.
E’ intenzione
dell’associazione, 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.
1
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, successivamente, 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 l’insegnamento 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 l’alunno 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 commercializzazione saranno inviate complete.
Giancarlo Capobianco
2
• non si riesce ad ottenere che
l’aeriforme diventi liquido. Viceversa,
le sostanze aeriformi si distinguono
comprimendo una sostanza aeriforme
in gas e vapori. Si definisce gas una
che sta sotto la temperatura critica, si
sostanza aeriforme al di sopra della
può renderla liquida facilmente. Ad
sua temperatura critica. Si definisce
esempio La differenza di stato fra due
vapore una sostanza aeriforme al di
tipi di combustibile da autotrazione
sotto della sua temperatura critica.
come il metano ed il gpl è dovuta al
La temperatura critica è una
fatto che il metano è contenuto in
temperatura caratteristica di ogni
bombole spesse ad alta pressione
aeriforme al di sopra della quale, pur
sotto forme di gas (t.C -82,5 molto
aumentando la pressione,
GPL bassa rispetto alla t ambiente),
CH4
500
mentre il Gpl è una miscela di
250
sostanze che hanno temperature
T.C critiche molto più alte della t
ambiente ed è contenuta in forma
100
Temperat25°
liquida nelle bombole compresse ma
ambiente
meno spesse ad una pressione poco
0
più alta della pressione atmosferica
GAS
-50
-100
-273
-82° T.C
PAG <-->
3
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 82.5 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 c’è 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 all’impatto 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 nell’autotrasporto, ma anche nell’utilizzo del gas per la nostra
cucina.
Elettra: socia ANCEA (voce elettronica)
* http://it.wikipedia.org/wiki/Rigassificatore_di_Panigaglia
4
• 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.
PAG <-->
5
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
u=√3RT/M
R= cost
T=temperatura
M=Peso M.
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
+273.
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
PAG <-->
6
I punti fissi della scala Celsius o centigrada • Recipiente. Questi 4 Parametri
cioè grandezze chimico-fisiche
sono: 0° gradi centigradi, punto di
che si possono MISURARE
congelamento dell’acqua, Qui
la
mediante degli strumenti ed
temperatura assoluta è di 273 K, e
esprimere con delle unità di
100°,punto di ebollizione dell’acqua e la
misura sono correlate fra di loro
temperatura assoluta è di 373 K .
da una equazione MATEMATICA
C’è poi la quantità di molecole o atomi o
della
legge
che
descrive
ioni contenuti nel recipiente e questa
l’andamento
dei
quattro
quantità viene indicata con n in cui n indica
parametri. Questo andamento
il
numero
di
grammomolecole,
studiato da diversi scienziati del
grammoatomi o grammo-ioni presenti nel
diciottesimo secolo è espresso
con diverse leggi . Queste leggi
possono essere scritte insieme in
quest’ultima legge fondamentale
dei gas.
• La equazione MATEMATICA che
T strumento termometro
U=T°=K
descrive
quindi
la
legge
P strumento manometro
U=Atm
fondamentale dei gas è
Volume dimensioni recipiente
U=M3
• PV=nRT
N numero di moli
PAG <-->
7
Nell’equazione 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 m2 e questa Unità si
chiama Pascal. Il Pa E’ una unità
molto piccola. Un multiplo del Pa è
il Bar che vale 105 Pa cioè 100000
pascal. L’unità più usata è
l’atmosfera 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
8 o mm
di Hg. Un atmosfera equivale a 760
torr. 1 atmosfera equivale a 101325
pascal poco più di 1 Bar
PAG <-->
8
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 m3 e sottomultipli. Si
ricorda che 1 litro equivale approssimativamente a 1 dm3
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 l’equazione
PV=nRT =m/MRT
M= al peso in grammi della gas
Valore di R è = a 0.0821 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/M2, V in m3, m in Kg
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Moltiplica * per * ed
ottieni il Valore in
nuove U di misura
atmosfera
torr
Pa o N/m2
bar
atmosfera
1
1/760= 0.0013157
Pa o N/m2
torr
760
1
bar
101325
0.987
100000
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 101325 = 121590 Pa
Quante atm sono 390.2 torr?
390.2 torr= 390.2 X 0.0013157 = 0.513123 atm
Per esercizio completa la tabella
PAGINA DA STUDIARE E FARE ESRCIZIO
PAG <-->
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Problemi sui gas dai facili ai + difficili
Un gas contenuto in un cilindro Per mantenere il gas alla stessa pressione è
munito di pistone viene
sufficiente far espandere il cilindro. Infatti in tutti e
riscaldato isobaricamente fino due gli stati, quello di partenza e quello di arrivo, la
pressione a cui è sottoposto il gas è la stessa
a raddoppiare il volume.La
temperatura iniziale del gas è
20°C calcolare la T finale
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:
P1=nRT1/V1 e P2=nRT2/V2
Dal momento che P1 e P2 sono uguali queste due
equazioni si possono eguagliare e si ottiene:
nRT1/V1=nRT2/V2.
Poiché il numero di moli è uguale nei due stati ed
R è uguale nei due stati.
Otteniamo:T1/V1=T2/V2
Siccome V2=2V1 otteniamo che T2=T12V1/V1
Quindi T2=2T1= 2.293K°= 586 K° ; 313C°
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• 1852 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
dO2= 32x1/(0.0821x293) = 1.33 g/l
dN2 = 28x1/(0.0821X293)=1.16 g/l
Se l’aria è composta dall’80% di azoto e dal 20 %di
ossigeno, quanto pesano 400m3 di aria spostata
da un aerostato gonfiato ad idrogeno? Dalla
navicella hanno buttato un sacco di sabbia per
galleggiare. E ce l’hanno fatta!
Ma tu i calcoli avresti dovuto farli prima! Quanto
peso può sopportare senza precipitare
considerando che l’involucro e navicella pesano
complessivamente 140 kg? Rispondi tu!
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La forza che spinge in alto il pallone è dovuta alla
spinta di Archimede che recita: ogni corpo riceve
una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del
fluido spostato. Siccome il peso del fluido spostato è
il peso dell’aria spostata vediamo quanto pesa. L’aria
è formata da una miscela di Ossigeno e azoto al 20%
ed all’80% rispettivamente.
• Quindi: 1.33 x0.20 +1.16x0.80=1.19g/l = densità aria
• spinta verso l’alto 1.19x400000litri = 477600 g = 477kg
• La spinta verso il basso è dovuta al peso dell’H2 più peso
dell’involucro e navicella
• H2= d=MP/RT = 2x1/0.0821X293 = 0.083g/l
• 0.083g/lx400000l= 33256 g= 33,256 kg
• Peso dell’involucro+navicella= 140kg
• Quindi abbiamo spinta verso l’alto 477 kg
• spinta verso il basso 33.256kg+140 kg = 173.256kg
• 477-173.256= 303.744 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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