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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.

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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, successivamen-te, 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 commercia-lizzazione saranno inviate complete.Giancarlo Capobianco

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GASle sostanze aeriformi si distinguono in gas e vapori. Si definisce gas una sostanza aeriforme al di sopra della sua temperatura critica. Si definisce vapore una sostanza aeriforme al di sotto della sua temperatura critica. La temperatura critica è una temperatura caratteristica di ogni aeriforme al di sopra della quale, pur aumentando la pressione,

GPL

• non si riesce ad ottenere che l’aeriforme diventi liquido. Viceversa, comprimendo una sostanza aeriforme che sta sotto la temperatura critica, si può renderla liquida facilmente. Ad esempio La differenza di stato fra due tipi di combustibile da autotrazione come il metano ed il gpl è dovuta al fatto che il metano è contenuto in bombole spesse ad alta pressione sotto forme di gas (t.C -82,5 molto bassa rispetto alla t ambiente), mentre il Gpl è una miscela di sostanze che hanno temperature critiche molto più alte della t ambiente ed è contenuta in forma liquida nelle bombole compresse ma meno spesse ad una pressione poco più alta della pressione atmosferica

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T.C

T.C

Temperat25° ambiente

CH4

-82°

500

250

100

0

-50

-100

-273

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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

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• 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.

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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

• 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

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u=√3RT/M

R= cost

T=temperatura

M=Peso M.

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I punti fissi della scala Celsius o centigrada sono: 0° gradi centigradi, punto di congelamento dell’acqua, Qui la temperatura assoluta è di 273 K, e 100°,punto di ebollizione dell’acqua e la temperatura assoluta è di 373 K .C’è poi la quantità di molecole o atomi o ioni contenuti nel recipiente e questa quantità viene indicata con n in cui n indica il numero di grammomolecole, grammoatomi o grammo-ioni presenti nel

• Recipiente. Questi 4 Parametri cioè grandezze chimico-fisiche che si possono MISURARE mediante degli strumenti ed esprimere con delle unità di misura sono correlate fra di loro da una equazione MATEMATICA della legge che descrive l’andamento dei quattro parametri. Questo andamento studiato da diversi scienziati del diciottesimo secolo è espresso con diverse leggi . Queste leggi possono essere scritte insieme in quest’ultima legge fondamentale dei gas.

• La equazione MATEMATICA che descrive quindi la legge fondamentale dei gas è

• PV=nRT

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T strumento termometro U=T°=K

P strumento manometro U=Atm

Volume dimensioni recipiente U=M3

N numero di moli

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PV=nRTNell’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 o mm di Hg. Un atmosfera equivale a 760 torr. 1 atmosfera equivale a 101325 pascal poco più di 1 Bar

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PAG <-->

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PAGINA muta e DA STUDIARE

Altri parametri ed unità di misuraLa 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’equazionePV=nRT =m/MRTM= al peso in grammi della gasValore 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 1 760 101325 0.987torr 1/760= 0.0013157 1Pa o N/m2

bar 100000

Esempi :Quanti torr sono 1.2 atmosfere?1.2 atm= 1.2 X 760 = 912 torrQuanti Pa sono 1.2 atmosfere?1.2 atm= 1.2 X 101325 = 121590 PaQuante atm sono 390.2 torr?390.2 torr= 390.2 X 0.0013157 = 0.513123 atmPer esercizio completa la tabella

PAGINA DA STUDIARE E FARE ESRCIZIO

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Problemi sui gas dai facili ai + difficiliUn gas contenuto in un cilindro

munito di pistone viene riscaldato isobaricamente fino a raddoppiare il volume.La

temperatura iniziale del gas è 20°C calcolare la T finale

Per mantenere il gas alla stessa pressione è sufficiente far espandere il cilindro. Infatti in tutti e due gli stati, quello di partenza e quello di arrivo, la pressione a cui è sottoposto il gas è la stessa 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/Ve 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/ldN2 = 28x1/(0.0821X293)=1.16 g/lSe 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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