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Volume molare

Generalità e proprietà sul volume molare

Il volume molare (Vm) è il volume occupato da una mole di gas. Viene calcolato con la seguente formula:

Vm = V / n

in cui:

- V è il volume del gas

- n è il numero di moli

Nel Sistema Internazionale il volume molare viene misurato in m3/mol; nella pratica il volume molare viene spesso misurato in L/mol.

Per meglio comprendere il volume molare svolgiamo un semplice esempio numerico.

Esercizio #1

In determinate condizioni di temperatura e pressione, 2 grammi di metano (CH4) occupano un volume di 2,0 litri. Si determini il volume molare del metano sia in L/mol che in m3/mol.

Svolgimento dell'esercizio

Calcoliamo la massa molare del metano:

MM = 12,01 + (4 · 1,008) = 16,04 g/mol

Calcoliamo il numero di moli del gas dividendo la massa per il valore della massa molare:

n = g / MM = 2 / 16,04 = 0,125 mol

Calcoliamo il volume molare dividendo il volume V per il numero di moli n:

Vm = V / n = 2,0 / 0,125 = 16 L/mol

Calcoliamo infine il volume molare in m3/mol. Ricordando che 1 L = 10-3 m3, si ha:

16 L/mol = 16 · 10-3 m3/mol = 0,016 m3/mol

Volume molare standard

Il volume molare standard è il volume occupato da una mole di gas nelle condizioni standard (t = 0°C, P = 1 atm).

Se si prende in considerazione una mole di un gas ideale alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm, il gas occupa un volume pari a 22,414 L. Pertanto, nelle condizioni standard, il volume molare di qualsiasi gas corrisponde a 22,414 L.

Il volume occupato da n moli nelle condizioni standard sarà pertanto:

V = n · Vm

in cui:

  • V = volume occupato dal gas
  • n = numero di moli
  • Vm = volume molare del gas nelle c.s. = 22,414 L/mol

Esercizio #2

Si determini il volume occupato da 3 grammi di H2 nelle condizioni standard.

Svolgimento dell'esercizio

Calcoliamo la massa molare dell'idrogeno

MM = 2 · 1,008 = 2,016 g/mol

Calcoliamo il numero di moli del gas dividendo la massa per il valore della massa molare:

n = g / MM = 3 / 2,016 = 1,49 mol

Calcoliamo infine il volume occupato dal gas nelle condizioni standard:

V = n · Vm = 1,49 · 22,414 = 33,40 L

Calcolo del volume molare standard

Vediamo ora come è possibile ricavare teoricamente il valore del volume molare standard. Prendiamo in considerazione l'equazione di stato dei gas perfetti:

equazione generale dei gas perfetti

in cui:

  • P = pressione in atm
  • V = volume in L
  • n = numero moli
  • T = temperatura in kelvin
  • R = 0,0821 (L · atm)/(mol · K)

Dall'equazione precedente ricaviamo il volume V:

volume molare

Tale volume, indicato con Vm, viene definito volume molare standard in quanto si riferisce ad una mole di gas nelle condizioni standard, pertanto:

Vm = 22,414 L

Il volume molare standard è quindi il volume che una mole di qualsiasi gas ideale occupa alla temperatura di 0°C (= 273 K) e alla pressione di una atmosfera; il volume molare per qualsiasi gas vale 22,414 L.

Volume molare e legge di Avogadro

L'uniformità del valore del volume molare standard per gas diversi è garantita dalla legge di Avogadro la quale afferma che, nelle medesime condizioni di pressione e di temperatura, lo stesso numero di moli di gas diversi occupano lo stesso volume.

Esercizio #3

Quale volume occupano 80 g di ossigeno O2 alla pressione di 1 atm e alla temperatura di 0°C?

Soluzione

Calcoliamo per prima cosa a quante moli corrispondono 80 g di ossigeno:

n = g/MM = 80/32 = 2,5 mol

Poiché una mole di qualsiasi gas ideale nelle condizioni normali (P = 1 atm; t = 0°C) occupa il volume di 22,414 L, per calcolare il volume occupato da 80 g di ossigeno corrispondenti a 2,5 moli basterà moltiplicare il volume molare per il numero di moli:

V = Vm · n = 22,414 · 2,5 = 56,03 L

Volume molare di gas reali

Quanto detto fino ad ora è rigorosamente valido per gas ideali. Nel caso di gas reali mantenuti alla pressione di 1 atm e alla temperatura di 0°C, il volume occupato da una mole di gas non è sempre 22,414 L.

Ad esempio, nelle condizioni standard, una mole di anidride carbonica occupa un volume di 22,26 L mentre una mole di cloro occupa un volume di 22,99 L, valori che si discostano sostanzialmente da quello che è il volume occupato da uno mole di gas ideale (= 22,4141 L).

Esercizi sui gas

Li trovi online e svolti al seguente link: esercizi sui gas.

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