Appunti di un liceale sulle reazioni in fase gas

Riporto in questo breve post i concetti fondamentali e qualche esercizio relativo all'ultimo argomento trattato nelle mie (modeste) lezioni di chimica impartite nell'anno scolastico appena concluso.

Introduzione al Principio di Avogadro e alla Legge di Gay-Lussac

Il principio di Avogadro (enunciato indipendentemente anche da Ampere e per questo chiamato anche Principio di Avogadro - Ampere) afferma che volumi uguali di gas, a temperatura e pressione costanti, contengono lo stesso numero di molecole. 

Questo principio è fondamentale per comprendere le relazioni tra le quantità di gas coinvolti nelle reazioni chimiche.

La Legge di Combinazione dei Volumi di Gay-Lussac

La legge di combinazione dei volumi di Gay-Lussac stabilisce che quando i gas reagiscono tra loro, i volumi dei gas reagenti e dei prodotti, misurati a temperatura e pressione costanti, si rapportano tra loro come numeri interi semplici. 

Questa legge mette in evidenza come i volumi dei gas siano direttamente correlati alle loro proporzioni molari.

Relazione tra i Due Principi

La relazione tra il principio di Avogadro e la legge di Gay-Lussac risiede nel fatto che entrambi si basano sull'idea che il numero di molecole di gas è proporzionale al volume occupato, a condizione che la temperatura e la pressione siano costanti. 

Il principio di Avogadro fornisce la base teorica per comprendere perché i volumi dei gas reagenti e dei prodotti possono essere espressi in rapporti semplici, come indicato dalla legge di Gay-Lussac.

Conclusione

In sintesi, il principio di Avogadro e la legge di Gay-Lussac sono interconnessi poiché entrambi descrivono il comportamento dei gas in relazione ai loro volumi e al numero di molecole. Questa connessione è fondamentale per la chimica dei gas e per la comprensione delle reazioni chimiche che coinvolgono gas.

Volume di gas = Volume molare x n° di moli

A T = 0°C e P = 1 atm (condizioni standard del gas, STP), una mole di qualsiasi gas occupa un volume di 22.41 litri (volume molare). Pertanto: 

n° di moli = Volume di gas / 22,41

Svolgiamo qualche esercizio...

1) Un gas, a 0°C e alla pressione di 1 atmosfera, occupa il volume di 6 litri. Qual è il numero di moli?

6 = 22.41 x n° di moli

6: 22,41 = 0,267 mol

2) Calcola ora il volume occupato a STP da 0.0784 moli di fluoro gassoso. (Risposta: 1.756 L)

Ricorda che: 

1 metro cubo = 1000 litri

1 litro = 0,001 metri cubi (dieci elevato alla meno tre)

1.756 litri = 0.0001756 metri cubi

3) Calcola il n° di moli di 0.045 metri cubi di gas propano a STP. 

0.045 metri cubi corrispondono a 45 litri; pertanto:

45 L : 22,41 L = 2,008 moli

4) Due litri di idrogeno si combinano con 1 litro di ossigeno per formare 2 litri d’acqua, secondo l'equazione bilanciata:

2H2 + O2 → 2H2O

5a) Calcola quanti litri di idrogeno reagiscono con 0.27 litri di ossigeno e calcola il volume di vapore acqueo che si forma.

2 : 1 = x : 0.27 x = 0.54 litri di idrogeno

Per la stechiometria della reazione, si formano anche 0.54 litri di vapore acqueo.

5b) Supponendo che i gas inizialmente siano a STP, calcola il numero di moli di ciascuno.

V di idrogeno = 22,41 x 0,54 = 12,101 L

V di ossigeno = 22,41 x 0,27 = 6,050 L

6) Una mole di idrogeno reagisce con una mole di cloro per formare due moli di acido cloridrico.

H2 + Cl2 → 2HCl 

Quanto idrogeno e quanto cloro sono necessari per ottenere 5,6 L di HCl?

2,8 L di idrogeno → 0,124 moli a STP

2,8 L di cloro → 0,124 moli a STP

7) Se un litro di azoto reagisce con tre di idrogeno per formare due litri di ammoniaca, calcola quante moli di idrogeno e di azoto sono necessarie per formare 60 moli di ammoniaca e il volume dei gas a STP.

N2 + 3H2 → 2NH3

      30 moli  90 moli  60 moli

Volume azoto = 30 x 22,41 = 672.3 L = 0,672 metri cubi 

Volume idrogeno = 90 x 22,41 = 2016,9 L = 2,0169 metri cubi

Volume ammoniaca = 60 x 22,41 = 1344,6 L = 1,3446 metri cubi

Per sottolineare l'importanza di questi esercizi nella comprensione della struttura della materia, rileggiamo l'incipit del Sunto di un corso di filosofia chimica di Stanislao Cannizzaro (1826-1910), il chimico palermitano di cui quest'anno è ricorso il bicentenario della nascita, che ebbe il merito di chiarire la distinzione tra atomo e molecola.

Questa lettura è tratta da una vecchia enciclopedia, "Marco Polo", sulla quale imparai le prime nozioni di chimica spinto da un'inspiegabile curiosità per questa scienza, poi ridimensionata successivamente. 

Il testo è vecchio, e oggi l'unità di massa atomica (uma) degli elementi non assume più l'ossigeno come termine di paragone ma è riferita alla dodicesima parte dell'isotopo del carbonio avente massa 12.

L'unità di massa atomica è abbreviata anche in amu (atomic mass unit) nei testi in lingua inglese o in dalton (Da) nei testi di biochimica.