Applicazioni della legge dei gas ideali: massa molare, densit e volume

Tutti i gas ideali si conformano, nel comportamento, ad una particolare relazione tra pressione, volume, mole e temperatura, come dettata dalla legge dei gas ideali. In questa equazione, R è la costante del gas ideale. Riorganizzare l'equazione consente di calcolare una qualsiasi delle variabili purché le altre tre siano note.

Per esempio, qual è il volume di una mole di un gas ideale in condizioni di temperatura e pressione standard? Abbreviate come STP, queste condizioni sono 0 gradi Celsius o 273 Kelvin e 1 atm. Riorganizzando l'equazione e sostituendo nei valori per n, 1 mole, temperatura, 273 Kelvin, pressione, una atm, e per la costante del gas ideale, 0, 08206 litri-atm per mole-kelvin, una mole di un gas ideale occupa un volume di 22, 4 litri.

Questo è il volume molare a STP, che è anche una buona approssimazione per molti gas comuni. A temperature più alte e pressioni più basse, il gas si espande e il suo volume molare è maggiore di quanto non sia in condizioni standard. A temperature più basse e pressioni più elevate, il volume molare è minore.

Un'altra quantità utile di un gas è la sua densità. Ricordate che il numero di moli, n, è uguale alla massa del gas diviso per la sua massa molare. Sostituendo questa relazione nell'equazione del gas ideale, e quindi riorganizzando, si ottiene un'equazione per massa rispetto a volume o densità.

Da questa equazione, la densità di un gas è direttamente proporzionale alla sua massa molare. Ecco è il motivo per cui i palloncini di elio volano via quando vengono rilasciati all'esterno. La massa molare, e quindi la densità, dell'elio, è molto inferiore a quella dell'aria, che è principalmente azoto e ossigeno.

Inoltre, notate che densità e temperatura sono inversamente correlate. Questo si osserva quando si pilota una mongolfiera. L'accensione del bruciatore riscalda le molecole d'aria all'interno della mongolfiera e si muovono più velocemente.

La pressione nel pallone aumenta, ma il pallone è progettato in modo che parte dell'aria fuoriesca. Questo rende l'aria nella mongolfiera meno densa dell'aria circostante. A causa di questa differenza di densità, la mongolfiera sale.

Viceversa, spegnendo il bruciatore e aprendo lo sfiato, si fa fuoriuscire il caldo. Quando il pallone si contrae, l'aria esterna entra, facendo aumentare la densità nella mongolfiera rispetto a quella dell'ambiente circostante. Quindi, a causa del peso nella cesta, la mongolfiera scende.

L'equazione, se riorganizzata, ci permette anche di calcolare la massa molare di un gas sconosciuto. Immaginate che un gas sconosciuto con una massa di 12, 5 grammi occupi un volume di 6, 08 litri ed eserciti una pressione di 1, 2 atm a 40 gradi Celsius. La densità del gas è nota dalla massa e dal volume dati.

Quindi, la temperatura in gradi Celsius viene convertita in unità di Kelvin e sostituita nell'equazione insieme ai valori di pressione e costante del gas. Risolvendo per M si ottiene una massa molare di 44 grammi per mole. Pertanto, l'anidride carbonica è il gas sconosciuto.