Legge dei gas ideali

Un gas è semplicemente un campione disperso di materia che è fluido e si espande liberamente per occupare lo spazio disponibile. Tuttavia, un certo numero di molecole di gas occupa un volume specifico a una temperatura e una pressione definite. Possiamo descrivere il comportamento di un gas sotto questi parametri usando la legge dei gas ideali, che utilizza la costante universale dei gas, R, per mettere in relazione tutte queste variabili.

La costante universale dei gas è pari a 8,314 joule per mole Kelvin. Questa equazione ci permette di comprendere le relazioni di stato in un sistema gassoso. Ad esempio, in un sistema di temperatura e pressione costanti, sappiamo che l'aggiunta di più moli di gas si traduce in un aumento del volume. Allo stesso modo, possiamo osservare un sistema di temperatura e moli costanti e vedere che una diminuzione del volume si traduce in un aumento della pressione.

Una sfida è che la legge dei gas ideali descrive i gas che si comportano in modo ideale. Quindi cosa intendiamo con questo? Il comportamento ideale presuppone che, in primo luogo, le molecole stesse siano infinitamente piccole e sostanzialmente non abbiano volume e che la distanza tra le molecole sia significativamente maggiore della dimensione della singola molecola.

In secondo luogo, assumiamo che le molecole siano costantemente in movimento. Tutte le collisioni che si verificano tra le molecole sono elastiche e il loro movimento è privo di attrito, il che significa che le molecole non perdono energia. Infine, assumiamo che non ci siano forze intermolecolari che agiscono tra le molecole e l'ambiente circostante.

Sfortunatamente, la maggior parte dei gas non si comporta in modo ideale. A temperature molto basse o ad alta pressione, le molecole sono molto vicine tra loro e si muovono lentamente, quindi le interazioni intermolecolari sono significative. Allo stesso modo, i gas con un alto peso molecolare sperimentano un aumento delle interazioni a causa delle loro grandi dimensioni e massa. Tuttavia, la relazione dei gas ideali serve come buona approssimazione in generale.

Quindi, come usiamo la legge dei gas ideali per studiare il comportamento di un gas in laboratorio? La pressione, il volume e la temperatura sono generalmente più facilmente misurabili, ma che dire delle moli e, per estensione, della massa?

Uno dei modi più semplici per misurare la massa di un gas è il metodo Dumas. Per eseguire questo test, una piccola quantità di un composto volatile nella sua fase liquida viene posta all'interno di una provetta Dumas e la provetta viene quindi posta in acqua bollente.

Un composto volatile ha un'elevata pressione di vapore a temperatura ambiente. La tensione di vapore è la pressione esercitata da un vapore in equilibrio con la sua fase liquida. Pertanto, un composto volatile con un'elevata pressione di vapore passa rapidamente da liquido a gas.

Quando ciò accade, il gas appena formato spinge l'aria fuori dal tubo di Dumas in modo che sia riempito esclusivamente di gas. Una volta che il tubo viene tolto dal bagnomaria e lasciato a temperatura ambiente, il gas si condensa per formare nuovamente un liquido. Poiché la massa è conservata, sappiamo che la massa del liquido condensato è uguale alla massa del gas che riempiva il volume noto del tubo di Dumas.

In questo laboratorio, esplorerai la legge dei gas ideali utilizzando il metodo Dumas per determinare la massa molare di una sostanza volatile sconosciuta. Misurerai quindi la temperatura, la pressione e il volume del sistema e vedrai quanto questo gas si discosta dall'idealità.