6.1: Teoria Molecolare Cinetica: Un modello per i gas

Pressione dei gas

Il costante movimento casuale delle molecole di gas le fa scontrare tra loro e con le pareti del loro contenitore. Queste collisioni delle molecole di gas con l’ambiente circostante esercitano una pressione su quest’ultimo. Quando si gonfia un palloncino, le particelle d’aria all’interno del palloncino spingono contro i lati elastici, le pareti del palloncino vengono spinte verso l’esterno e mantenute ferme. Questa pressione è prodotta dalle molecole d’aria che battono sulle pareti interne del palloncino.

Ci sono tre unità di pressione comunemente usate in chimica. La pressione è comunemente misurata su un dispositivo chiamato monometro, simile al barometro che usa un meteorologo. Le pressioni nei monometri sono tipicamente registrate in unità di millimetri di mercurio, abbreviato \(\testo{mm}: \ce{Hg}}). La pressione è definita come la forza esercitata divisa per l’area su cui la forza è esercitata.

Le molecole d’aria nella nostra atmosfera esercitano una pressione su ogni superficie che è in contatto con l’aria. La pressione dell’aria della nostra atmosfera al livello del mare è approssimativamente \(15 \: \text{lbs/in}^2\). Questa pressione passa inosservata, perché l’aria non è solo all’esterno delle superfici ma anche all’interno permettendo alla pressione atmosferica di essere equilibrata. La pressione esercitata dalla nostra atmosfera si noterà rapidamente, tuttavia, se l’aria viene rimossa o ridotta all’interno di un oggetto. Una dimostrazione comune della pressione dell’aria fa uso di una lattina di metallo da un gallone. La lattina ha alcune gocce d’acqua al suo interno e viene poi riscaldata fino all’ebollizione. L’acqua all’interno della lattina si vaporizza e si espande per riempire la lattina, spingendo l’aria fuori. Il coperchio viene poi chiuso ermeticamente sul barattolo. Quando la lattina si raffredda, il vapore acqueo all’interno si condensa di nuovo in acqua liquida, lasciando l’interno della lattina senza molecole d’aria. Mentre il vapore acqueo si condensa in acqua liquida, la pressione dell’aria all’esterno della lattina lentamente schiaccia la lattina piatta.

Le persone, naturalmente, hanno anche la pressione atmosferica che preme su di loro. Una persona di media grandezza ha probabilmente una forza totale esercitata su di essa dall’atmosfera in eccesso di 25.000 libbre. Fortunatamente, le persone hanno anche dell’aria al loro interno per bilanciare la forza. Un dispositivo per misurare la pressione atmosferica, il barometro, fu inventato nel 1643 da uno scienziato italiano chiamato Evangelista Torricelli (1608 – 1647) che era stato uno studente di Galileo. Il barometro di Torricelli fu costruito riempiendo un tubo di vetro, aperto ad un’estremità e chiuso dall’altra, con mercurio liquido e poi capovolgendo il tubo in un piatto di mercurio.

Il mercurio nel tubo cadde ad un’altezza tale che la differenza tra la superficie del mercurio nel piatto e la cima della colonna di mercurio nel tubo era di 760 millimetri. Il volume di spazio vuoto sopra il mercurio nel tubo era un vuoto. La spiegazione del perché il mercurio rimane nel tubo è che non ci sono molecole d’aria che battono sulla parte superiore del mercurio nel tubo. Il peso del mercurio nel tubo diviso per l’area dell’apertura nel tubo è esattamente uguale alla pressione atmosferica.

L’altezza a cui viene tenuto il mercurio sarebbe solo 760 millimetri quando la pressione dell’aria è normale e a livello del mare. La pressione atmosferica cambia a causa delle condizioni atmosferiche e l’altezza del mercurio nel barometro cambierà con essa. La pressione atmosferica varia anche con l’altitudine. Le altitudini più alte hanno una pressione atmosferica più bassa perché l’aria è più “sottile” – meno molecole d’aria per unità di volume. In montagna, ad un’altitudine di 9600 piedi, la normale pressione atmosferica sosterrà solo una colonna di mercurio di \(520 \testo{mm}: \ce{Hg}\).

Per varie ragioni, la chimica ha molte unità diverse per misurare ed esprimere la pressione dei gas. Dovrai avere familiarità con la maggior parte di esse in modo da poterle convertire nelle unità preferite. Poiché gli strumenti per misurare la pressione contengono spesso una colonna di mercurio, le unità più comunemente usate per la pressione sono basate sull’altezza della colonna di mercurio che il gas può sostenere. L’unità originale in chimica per la pressione dei gas era \(\testo{mm}: \ce{Hg}) (millimetri di mercurio). La pressione atmosferica standard al livello del mare è \(760 \text{mm}: \ce{Hg}). Questa unità è un po’ un problema perché mentre è un’unità di pressione, assomiglia molto ad un’unità di lunghezza. Gli studenti, in particolare, a volte tralasciano il \ce{Hg} e allora sembra decisamente un’unità di lunghezza. Per eliminare questo problema, all’unità fu dato un altro nome. Fu chiamata \testo{torr} in onore di Torricelli. \L’unità di misura “760” è esattamente la stessa di “760”: “760 mm”: “Hg”. Per certi lavori, è diventato conveniente esprimere la pressione del gas in termini di multipli della pressione atmosferica normale al livello del mare e così è stata introdotta l’unità atmosfera \(\sinistra( \testo{atm} \destra)\). Le conversioni da conoscere tra le varie unità di pressione sono:

\

Questo esempio mostra come eseguire questa conversione usando l’analisi dimensionale. Se state memorizzando il tipo, potete semplicemente memorizzare che per convertire da \(\testo{mm}: \ce{Hg}) a \(\testo{atm}) dovete dividere per 760.