Il gas ha un'elevata reattività rispetto ai corpi liquidi e solidi a causa dell'ampia area della sua superficie attiva e dell'elevata energia cinetica delle particelle che formano il sistema. In questo caso, l'attività chimica del gas, la sua pressione e alcuni altri parametri dipendono dalla concentrazione delle molecole. Consideriamo in questo articolo qual è questo valore e come può essere calcolato.
Di che gas stiamo parlando?
Questo articolo prenderà in considerazione i cosiddetti gas ideali. Trascurano la dimensione delle particelle e l'interazione tra di loro. L'unico processo che si verifica nei gas ideali sono le collisioni elastiche tra le particelle e le pareti dei vasi. Il risultato di queste collisioni è una pressione assoluta.
Qualsiasi gas reale si avvicina all'ideale nelle sue proprietà se la sua pressione o densità viene ridotta e la sua temperatura assoluta viene aumentata. Tuttavia, ci sono sostanze chimiche che, anche a densità basse e altele temperature sono lontane dal gas ideale. Un esempio sorprendente e ben noto di una tale sostanza è il vapore acqueo. Il fatto è che le sue molecole (H2O) sono altamente polari (l'ossigeno allontana la densità elettronica dagli atomi di idrogeno). La polarità porta a una significativa interazione elettrostatica tra di loro, che è una grave violazione del concetto di gas ideale.
Legge universale di Clapeyron-Mendeleev
Per poter calcolare la concentrazione di molecole di un gas ideale, è necessario conoscere la legge che descrive lo stato di qualsiasi sistema di gas ideali, indipendentemente dalla sua composizione chimica. Questa legge porta i nomi del francese Emile Clapeyron e dello scienziato russo Dmitri Mendeleev. L'equazione corrispondente è:
PV=nRT.
L'uguaglianza dice che il prodotto della pressione P e del volume V deve sempre essere direttamente proporzionale al prodotto della temperatura assoluta T e della quantità di sostanza n per un gas ideale. Qui R è il coefficiente di proporzionalità, chiamato costante universale del gas. Mostra la quantità di lavoro che 1 mole di gas fa come risultato dell'espansione se viene riscaldata di 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentrazione delle molecole e suo calcolo
Secondo la definizione, la concentrazione di atomi o molecole è intesa come il numero di particelle nel sistema, che cade per unità di volume. Matematicamente, puoi scrivere:
cN=N/V.
Dove N è il numero totale di particelle nel sistema.
Prima di scrivere la formula per determinare la concentrazione delle molecole di gas, ricordiamo la definizione della quantità di sostanza n e l'espressione che mette in relazione il valore di R con la costante di Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=R/NA.
Usando queste uguaglianze, esprimiamo il rapporto N/V dall'equazione di stato universale:
PV=nRT=>
PV=N/NLART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Così abbiamo ottenuto la formula per determinare la concentrazione di particelle in un gas. Come puoi vedere, è direttamente proporzionale alla pressione nel sistema e inversamente proporzionale alla temperatura assoluta.
Poiché il numero di particelle nel sistema è elevato, la concentrazione cN non è conveniente da usare quando si eseguono calcoli pratici. Invece, la concentrazione molare c è usata più spesso. È definito per un gas ideale come segue:
c=n/V=P/(R T).
Esempio di problema
È necessario calcolare la concentrazione molare delle molecole di ossigeno nell'aria in condizioni normali.
Per risolvere questo problema, ricorda che l'aria contiene il 21% di ossigeno. Secondo la legge di D alton, l'ossigeno crea una pressione parziale di 0,21P0, dove P0=101325 Pa (un'atmosfera). Anche le condizioni normali presuppongono una temperatura di 0 oC(273.15 K).
Conosciamo tutti i parametri necessari per calcolare la concentrazione molare di ossigeno nell'aria. Otteniamo:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Se questa concentrazione viene ridotta a un volume di 1 litro, otteniamo il valore 0,009 mol/L.
Per capire quante O2 molecole sono contenute in 1 litro d'aria, moltiplica la concentrazione calcolata per il numero NA. Dopo aver completato questa procedura, otteniamo un valore enorme: N(O2)=5, 641021molecole.
